運控課程設計---雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計

1、<p>　　運動控制系統(tǒng)課程設計</p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　設計題目：雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計</p><p><b>　　班級 </b></p><p>　　學生姓名： 學號： </p><p><

2、;b>　　指導教師： </b></p><p><b>　　分院院長： </b></p><p>　　教研室主任： </p><p><b>　　電氣工程學院</b></p><p>　　一、課程設計任務書 </p><p&

3、gt;<b>　　1.設計參數 </b></p><p>　　三相橋式整流電路，已知參數為：</p><p>　　PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,電動勢系數Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14Ω，允許電流過載倍數λ=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數Ks=75,電磁時間常數Tl=0.031s,機電時間常數Tm=

4、0.112s電流反饋時間常數Toi=0.002s,轉速反饋濾波時間常數Ton=0.02s。且調節(jié)器輸入輸出電壓U*nm=U*in=U*cm=10V,調節(jié)器輸入電阻R0=40KΩ。</p><p><b>　　2.設計內容</b></p><p>　　1）根據題目的技術要求，分析論證并確定閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。</p><p&g

5、t;　　2） 建立雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)數學模型。</p><p>　　3）動態(tài)設計計算：根據技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調節(jié)器與ACR調節(jié)器的結構形式及進行參數計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。</p><p>　　4） 利用MATLAB進行雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。</p><p><b&

6、gt;　　3.設計要求： </b></p><p>　　1）該調速系統(tǒng)能進行平滑地速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉速調速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內能穩(wěn)定工作。</p><p>　　2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。</p><p>　　3）動態(tài)性能指標：轉速超調量δn≤10%，電流超調量，動態(tài)最大轉速降，調速系統(tǒng)的過渡過程時間（調節(jié)時間）。

7、</p><p>　　4)系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù)。</p><p>　　5)主電路采用三項全控橋。</p><p>　　4. 課程設計報告要求 </p><p>　　1）、要求在課程設計答辯時提交課程設計報告。</p><p>　　2）、報告應包括

8、以下內容：</p><p><b>　　A、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理</p><p><b>　　調節(jié)器的工程設計</b></p><p>　　Simulink仿真</p><p>　　B、系統(tǒng)調試過程介紹，在調試過程中出現的問

9、題，解決辦法等；</p><p>　　C、課程設計總結。包括本次課程設計過程中的收獲、體會，以及對該課程設計的意見、建議等；</p><p>　　D、設計中參考文獻列表；</p><p>　　E、報告使用B5紙打印，全文不少于2000字。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p&g

10、t;<b>　　摘 要2</b></p><p>　　第一章 單閉環(huán)直流轉速系統(tǒng)的仿真3</p><p><b>　　1.1系統(tǒng)原理3</b></p><p><b>　　1.2系統(tǒng)仿真4</b></p><p>　　第二章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計7</p&

11、gt;<p>　　2.1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成7</p><p>　　2.2系統(tǒng)的結構圖8</p><p>　　2.3系統(tǒng)的工作原理9</p><p>　　第三章 調節(jié)器的設計10</p><p>　　3.1Ⅰ型與Ⅱ型系統(tǒng)的比較10</p><p>　　3.2電流調節(jié)器的設計11</p&

12、gt;<p>　　3.2.1結構框圖的選擇10</p><p>　　3.3.2參數的計算11</p><p>　　3.3轉速調節(jié)器的設計12</p><p>　　3.3.1結構框圖的選擇12</p><p>　　3.3.2參數的計算13</p><p>　　3.4雙閉環(huán)仿真14</p&g

13、t;<p>　　第四章 課程設計總結15</p><p><b>　　參考文獻16</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著社會化大生產的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現代化工業(yè)生產中的得到廣泛應用，對其生產工藝、產品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產機械能夠實現制動調

14、速，因此我們就要對這樣的自動調速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由檢測電路，驅動電路構成，檢測電路又包括轉速檢測和電流檢測等部分。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，具有直流調速系統(tǒng)調速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及有良好的動態(tài)性能的優(yōu)點，又有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等特點，可以很好的滿足實際需求。通過對轉速

15、、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調速系統(tǒng)的基本理論及相關內容。</p><p>　　單閉環(huán)直流轉速系統(tǒng)的仿真</p><p><b>　　1.2系統(tǒng)原理</b></p><p>　　為了提高直流調速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對調速指標要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調速指標

16、較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉速單閉環(huán)使用較多。</p><p>　　在本裝置中，轉速單閉環(huán)實驗是將反映轉速變化的電壓信號作為反饋信號，經“速度變換”后接到“速度調節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經放大后，得到移相控制電壓UCt，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構

17、成了速度負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機的轉速隨給定電壓變化，電機最高轉速由速度調節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調節(jié)器采用P（比例）調節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調節(jié)器換成PI(比例積分)調節(jié)。這時當“給定”恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對速度變化起到了抑制作用，當電機負載或電源電壓波動時，電機的轉速能穩(wěn)定在一定的范圍內變化。</p><p><b>　　1.2系統(tǒng)仿真</b></p>

18、<p>　　系統(tǒng)的建模和模型仿真參數設置</p><p>　　例：（1）6脈沖同步觸發(fā)器子系統(tǒng)構建</p><p>　　圖2-1 6脈沖同步觸發(fā)器</p><p>　　6脈沖同步觸發(fā)器模型構建是通過SimPowerSystems——Extra Library——Control Blocks——Synchronized 6-Pulse Generator

19、來實現。</p><p><b>　　參數設置如下：</b></p><p>　　首先，全選，然后單擊Edit——Create Subsystem，就建好了子系統(tǒng)。</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真結構圖：</b></p><p><b>　　仿真結果：</b></p

20、><p>　　第二章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計</p><p>　　2.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成</p><p>　　為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；

21、轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。</p><p>　　該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能圖</p>

22、<p>　　圖3.1 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)的結構圖</b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)結構圖：</b></p><p><b>　　動態(tài)結構圖：</b></p><p>　　圖5：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖&

23、lt;/p><p>　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數學模型的主要形式仍然是以傳遞函數或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖5所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。</p><p>　　2.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　電動機在啟動階段,電動機的

24、實際轉速(電壓)低于給定值,速度調節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號,經放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉電流)可以通過整定速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉速上升到給定轉速后, 速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小到

25、近于零,速度調節(jié)器和電流調節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調節(jié)開始起作用。對負載引起的轉速波動,速度調節(jié)器輸入端產生的偏差信號將隨時通過速度調節(jié)器、電流調節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應變化,從而校正和補償電動機的轉速偏差。另外電流調節(jié)器的小時間常數, 還能夠對因電網波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調節(jié),可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行。</p&g

26、t;<p>　　第三章 調節(jié)器的設計</p><p>　　3.1Ⅰ型與Ⅱ型系統(tǒng)的比較</p><p>　　典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數為</p><p>　　一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調小，但抗憂性能差；而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調量相對要大一些而抗擾性能卻比較好?；诖?，在轉速-電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電

27、流在動態(tài)過程中不超過允許值，即能否抑制超調是設計電流環(huán)首先要考慮的問題，所以一般電流環(huán)多設計為Ⅰ型系統(tǒng)，電流調節(jié)的設計應以此為限定條件。至于轉速環(huán)，穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求，所以轉速環(huán)通常設計為Ⅱ型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時間常數Ts和電流濾波時間常數Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多，可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié)，取T∑i=Ts+Toi。這樣，經過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設計成典

28、型Ⅰ型系統(tǒng)，同理，經過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，轉速環(huán)的被控對象形如式(2-1)。如前所述，轉速環(huán)應設計成Ⅱ型系統(tǒng)，所以轉速調節(jié)器也就設計成PI型調節(jié)器，如下式所示:</p><p>　　3.2電流調節(jié)器的設計</p><p>　　3.2.1結構框圖的選擇</p><p>　　要求電流無靜差，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不

29、超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。 電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調節(jié)器</p><p><b>　　化簡后：</b></p><p><b>　　電流環(huán)的結構框圖</b></p><p>　　3.3.

30、2參數的計算</p><p>　　為電流環(huán)時間常數之和，</p><p><b>　　電流環(huán)中：</b></p><p>　　（1）=0.0017+0.002=0.0037s</p><p>　?。?）=0.0088V/A</p><p>　?。?） 要求σi%≤5%時，應取，因此： </

31、p><p>　　ACR的比例系數為：</p><p><b>　　（4）</b></p><p>　　3.3轉速調節(jié)器的設計</p><p>　　3.3.1結構框圖的選擇</p><p>　　為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器 ASR 中，現在在擾動作用

32、點后面已經有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型 Ⅱ 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節(jié)器</p><p>　　3.3.2參數的計算</p><p>　　為轉速環(huán)小時間常數之和，</p><p><b>　　為轉速微分時間常數</b></p>

33、<p><b>　　轉速環(huán)中：</b></p><p>　　（1）=0.0267</p><p>　　(2) Ton=0.02s</p><p><b>　　(3) </b></p><p><b>　　3.4雙閉環(huán)仿真</b></p><

34、p><b>　　系統(tǒng)仿真結構圖：</b></p><p><b>　　系統(tǒng)仿真結果：</b></p><p>　　第四章 課程設計總結</p><p>　　一開始接觸這個課程設計時，覺得并不會很困難，無論是參數計算還是動態(tài)仿真都能在教材中找到相關的資料，覺得完成課設并不會需要太多時間。但在真正的設計過程中發(fā)現，參數的

35、計算并不會太過復雜，只需要花一定時間，以認真細致的態(tài)度對待就可以。在設計過程中我利用Matlab的Simulink功能將相關模塊一樣的畫下來，參數按照自己算地設置，一步一步按照老師的講解做，最后完成了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真。</p><p>　　在調速系統(tǒng)中，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具有較廣泛的應用。作為自動控制專業(yè)的專業(yè)課，學好電機學及電機調速系統(tǒng)等相關知識，并熟練掌握其控制規(guī)律及設計方法，將使我們受益匪淺。而本次課設

36、在這方面起到極大作用。</p><p>　　本次設計讓我了解了通過對轉速，電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的了解。讓我們更好的掌握了系統(tǒng)的基本理論知識和內容。在對各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現其缺陷處，通過對系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能。使其能應用各種公共場合，提高其工作效率。同時也學會了使用Matlab進行動態(tài)函數的分析使用，使用WORD中的Mathtype進行公式編輯，學會對雙閉環(huán)調整系統(tǒng)限幅值采用三種不同方法得到

37、不同結果，最重要的是學會遇到問題時尋找方法解決，從而得到最好的結果。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1] 朱仁初，萬伯任.電力拖動控制系統(tǒng)設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.</p><p>　　[2] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.</p>&

38、lt;p>　　[3] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M],第三版. 北京:機械工業(yè)出版社, 2007年6月．</p><p>　　[4] 孔凡才．晶閘管直流調速系統(tǒng)［M］．北京:北京科技出版社，1985．</p><p>　　[5] 段文澤，童明倜.電氣傳動控制系統(tǒng)及其工程設計［M］.四川：重慶大學出版社,1989.10.</p><p>