运动控制系统课程设计VM双闭环直流调速系统的设计.doc

上海电机学院成教学院课程设计任务书课程设计题目：V-M双闭环直流调速系统的设计专 业 电气工程及其自动化 班 级 成0956 学生姓名 余金贤 学 号 12 号 指导教师 刘小玲 起止日期： 2011 年 4 月 16 日起至 2011年 5 月 14 日止1.设计主要内容及要求：（1）主要内容试设计一双闭环V-M直流调速系统。采用三相桥式全控整流电路，二次相电压有效值U2= 110V。已知他励直流电动机参数为PN = 55kW, UN = 440V, IN = 140A, nN =1000r/min。电动机电枢回路总电阻（即电枢电阻，此时忽略整流装置内阻，平波电抗器电阻）R =Ra=0.25，电枢回路电磁时间常数TL = 0.02s，系统机电时间常数Tm=0.0363s,系统飞轮力矩GD2 = 90N.m2时，转速和电流给定电压最大值分别为 =10V, = 10V。（2）要求按工程设计方法设计，使调速系统的电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量，其过渡过程时间s,稳态无静差。2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求：（1）课程设计论文撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。应做到文理通顺，内容正确完整。（2）课程设计论文格式可参照毕业设计（论文）格式规范。（3）课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字（一般不超过5000字）。中文摘要本文设计主要介绍了由晶闸管-直流电动机（V-M）组成的直流双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图，并按工程设计设计法对双闭环系统的ACR和ASR进行设计，在工程设计中阐述了需要注意的问题，并对晶闸管的电压、电流做了额定计算，及平波电抗器的计算，最后得出了双闭环调速系统的主、控电路并作了总结和设计心得。双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统。它具有调速范围广、精度高、动态性能好、易于控制和抗干扰能力强的优点。也是构成各种可逆调速系统或高性能调速装置的核心。因此双闭环系统的设计最有最重要的实际意义。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的调解下实现转速无静差。本设计是基于V-M调速系统的直流电动机可逆调速系统，设计中使用工程法对双闭环调速系统的ACR及ASR进行整定。主电路采用由晶闸管构成的三相桥式可控整流电路，可逆方案采用两组晶闸管反并联的方式，晶闸管的触采使用由集成芯片TC787构成的触发电路。系统同时还具有过压、过流、缓冲保护等措施。系统不论是稳态性能还是动态性能都满足了设计要求。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为V-M的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。关键词 双闭环调速系统，电流调节器，抗干扰，晶闸管-直流电动机（V-M）目录课程设计任务书I中文摘要III目录IV1、任务和要求11.1 设计任务11.2 设计要求11.3 稳态指标：11.4 动态指标12、设计思路22.1 系统总体结构的设计22.2 环节设计、部件选择及参数计算22.3 系统原理图22.4 建立系统动态数学模型33、设计方框图54各系统及其性能指标64.1 典型系统及其参数与性能指标的关系64.1.1 典型型系统64.1.2 型系统的稳态跟随性能64.1.3 型系统的闭环传递函数为：74.1.4 型系统的频率特性74.2 典型型系统及其参数与性能指标的关系84.2.1 典型型系统84.2.2 性能指标与参数关系95工程设计中的近似处理115.1 高频段小惯性环节的近似处理115.2 低频段大惯性环节的近似处理126各部分电路设计及参数计算136.1电流调节器和转速调节器的设计13已知条件136.2电机基本参数计算147. 电流调节器ACR的设计148转速调节器ASR158.1转速调节器ASR结构168.2转速调节器ASR参数选择17小 结19致 谢20参考文献211、任务和要求1.1 设计任务试设计一双闭环V-M直流调速系统。采用三相桥式全控整流电路，二次相电压有效值U2= 110V。已知他励直流电动机参数为PN = 55kW, UN = 440V, IN = 140A, nN =1000r/min。电动机电枢回路总电阻（即电枢电阻，此时忽略整流装置内阻，平波电抗器电阻）R =Ra=0.25，电枢回路电磁时间常数TL = 0.02s，系统机电时间常数Tm=0.0363s,系统飞轮力矩GD2 = 90N.m2时，转速和电流给定电压最大值分别为 =10V, = 10V。1.2 设计要求按工程设计方法设计，满足包括稳态误差、超调量、动态过渡时间在内的所有要求的性能指标。 1.3 稳态指标：稳态无静差。1.4 动态指标：电流超调量。空载起动到额定转速时的转速超调量。动态过渡过程时间s2、设计思路2.1 系统总体结构的设计速度和电流双环直流调速系统（双环），是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能满足要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转距也减小了，使起动加速过程变慢，起动（调整时间ts）的时间就比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大缩短。另一方面，在一个调节器输出端综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速，电流双环直流调速系统。2.2 环节设计、部件选择及参数计算根据总体结构要求设计各基本环节，由于电动机参数已经题意确定，所以需设计的环节主要有：电流、转速反馈环节，比较环节，晶闸管及其触发电路，电流、转速两个调节器等。由于设计时间有限，触发电路的结构可不考虑。最后根据已确定的各环节选择部件及计算参数。2.3 系统原理图系统原理图可以简化。但为了给建立系统动态数学模型打下基础，控制信号、反馈原理信号比较、调节原理和驱动电动机运行原理等都应在系统原理图中表示清楚。一般直流调速系统动态参数的工程设计，包括确定预期典型系统，选择调节器形式，计算调节器参数。如下图（图2-1）：预期典型系统选择调节器计算参数图2-1 动态参数设计流程最终结果应满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。在实际应用中双闭环直流调速系统是应用得比较广泛的，而且也是比较典型的一种，也还是构成各种可逆调速系统的核心。2.4 建立系统动态数学模型由转速反馈和电流反馈组成，属于多环控制系统，其动态结构如下图（图2-2）：其结构由内到外，一环包围一环，每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出则去控制晶闸管整流器的触发装置。从系统结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称外环。为了使转速，电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能。电流、转速两个调节器一般采用输出带限幅的PI调节器。2-2 双闭环调速系统动态结构图图中 (s)对应于给定转速的控制电压信号；Un(s)对应于实际转速的反馈电压信号；Un (s)对应于转速偏差的电压信号；Ui(s）对应于控制电流的电压信号；Uct(s)对应于脉宽调制器的输入控制电压信号；Ud0(s)PWM驱动电路输出的空载电压；E (s)电动机的反电动势；Id(s)电动机的电枢电流；Idl(s)对应于电动机负载转矩的负载电流；n (s)电动机转轴转速；Ton转速反馈环节滤波时间常数；Toi电流反馈环节滤波时间常数；KPWM, TPWM脉宽调制器和PWM变换器放大倍数与其近似惯性环节时间常数；R电动机电枢回路总电阻；Tl电动机电磁回路时间常数；Tm包括电动机在内的系统机电时间常数；Ce电动机在额定磁通下的电动势转速比；ASR系统的速度调节器；ACR系统的电流调节器；速度反馈系数；电流反馈系数。设计此动态结构图时，应先设计各模块的传递函数并求出各模块的参数和时间常数，再根据“先内环后外环”的原则分别设计ACR和ASR. ACR和ASR的设计是动态结构图设计的重点。其设计方法一般为先确定调节器结构，然后确定调节器的参数。调节器结构的设计可根据所设计闭环的控制（输出）量的要求及校正成哪一种典型系统的需要，在P, PI, PD, PID等类调节器中选一种。而调节器参数的设计则主要根据该闭环的输人、输出、各环节的参数及校正的目标系统的需要，通过计算而取得。另外也要考虑两个调节器限幅等非线性作用。数学模型建立过程中，主要有两项工作：一是要确定传递函数的结构；二是要计算各环节的时间常数和放大系数（比例系数）。3、设计方框图系统总体结构设计系统各环节设计部件选择与参数设计系统原理图设计建立系统数学模型系统稳定性？能符合要求完成设计报告YN分析设计任务和要求4各系统及其性能指标4.1 典型系统及其参数与性能指标的关系4.1.1 典型型系统典型型系统的开环才传递函数为：由上式的结构可以看出典型型系统由一个积分环节和一个惯性环节相乘得来，其方框图如下：R（s）E（s）C（s）图4-1 典型型系统由上图可以看出来典型型系统是一个由积分环节和一个惯性环节串联组成的闭环反馈系统。4.1.2 型系统的稳态跟随性能由控制理论误差分析可知，型系统对阶跃给定信号的稳态误差为零；对单位斜坡输入信号的稳态误差不为零，即有跟踪误差。 由上式可知，当开环增益K增大时，跟踪误差将减少。4.1.3 型系统的闭环传递函数为：在式中自然振荡频率，=；阻尼比，=。此系统在零初始条件下的阶跃响应动态性能指标计算公式为：超调量：调节时间： 截止频率：相角裕量：在对型系统进行工程设计时，通常选用K=1/(2T)或=0.707为典型函数，称为“型系统工程最佳参数”。当取这两个参数时，其性能指标为：实践表明，上述典型参数对应的性能指标适合于响应快而又不允许过大超调量的系统，一般情况下都能满足工程设计要求。4.1.4 型系统的频率特性典型型系统的开环对数频率特性如下图所示。当时，对数幅频特性以20dB/dec的斜率通过零分贝线，其截止频率=K，其相角裕量为L/dBO-20图4-2 典型型系统的开环对数频率特性从上述分析可知，与系统快速性相关的截止频率取决于开环增益K，增益K值可提高系统的快速性，但另一方面又会使相角裕量减少，超调量增大，所以不能随意增大。如果既要提高快速性，又要保持相角裕量不变，就应在增加的同时减少时间参数T，保持他们之间的比值不变。但时间常数T往往是系统的固有参数，较难改变，故在确定K值时，要兼顾快速性和超调量两项指标。4.2 典型型系统及其参数与性能指标的关系4.2.1 典型型系统典型型系统的开环传递函数如下： ()其闭环系统结构图和开环对数幅频特性如下图所示：R(s)C(s)图4-2典型型系统的结构图从频率特性上可见，由于T一定，改变就等于改变了中频宽h；在确定以后，再改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移，从而改变了截止频率。因此在设计调节器时，选择两个参数h和，就相当于选择参数和K。4.2.2 性能指标与参数关系典型型系统的性能指标通常用三种方法描述：以相角裕量为基准的“最大（Oh-40-20-40）法”；图4-3典型型系统对数幅频特性以闭环谐振峰值为基准的“最小谐振峰值法”；在第一种方法中令h=4或在第二种方法中令h=5时得到的“三阶工程最佳设计法”。“最小法”是根据最小振荡指标，由闭环频率特性推导的。反馈控制系统的闭环幅频特性如下图：图4-4 闭环系统的幅频特性其中振荡峰值用表示。可以证明对于典型型系统，当截止频率符合下列关系式时，对应的最小，称为“最佳频比”，此时系统现对稳定性最好。或即这时最小的值与h有简单的关系：开环放大倍数则按“最小法”设计的典型型系统时的参数关系为若取h=5，则5工程设计中的近似处理5.1 高频段小惯性环节的近似处理在下图所示的系统中，和是两个小惯性环节，系统的开环传递函数为若按典型一型系统进行校正，取调节器参数=，则系统的开环传递函为 结构图如下：调节器交流装置调节对像反馈环节图5-1 电流控制系统结构图 式中K=显然，比典型一型系统的开环传递函数多了一个小惯性环节。为此需要将两个小惯性环节用一个等效惯性环节代替，并保持等效前后相角裕量不变，便可得到等效的典型一型系统的开环传递函数5.2 低频段大惯性环节的近似处理在把系统校正成典型型系统时，有时需要将系统中的大惯性环节近似用积分环节代替。若把下图校正成为典型型系统，在把两个小惯性环节等效成一个小时间常数T的惯性环节的同时，还需把大惯性环节等效成积分环节。L(w)WopBWopAL(w)L(w)L(w)L(w)L(w)图5-2大惯性环节近似为积分环节近似等效前，系统的开环传递函数为式中K=若把大惯性环节用积分环节来近似，即则就成为典型型系统的形式6各部分电路设计及参数计算6.1电流调节器和转速调节器的设计已知条件由任务书上的参数可以知道：直流电动机参数：= 55kW，= 440V，= 140A，= 1000r/min采用三相桥式整流电路电阻及平波电抗器内阻为0系统飞轮力矩= 90NASR限幅输出= 10V；ACR限幅输出= 10V堵转电流= 2= 2*140=280A临界截止电流= 1.5=1.5*140=210A6.2电机基本参数计算电枢电阻 Ra= 0.25额定磁通下的电动势系数Ce= (Ra)/ = (440-140*0.25)/1000=0.405 回路总电阻R= Ra +R内 =0+0.25=0.25机电时间常数Tm=R/(375CeCm) 0.0363=90*0.25/(375*0.405*Cm) 则Cm=0.245额定磁通下的转矩系数Cm= Ce/1.03=0.405/1.03 =0.393电枢回路电磁时间常数= L/R 0.02=L/0.25 则L=0.005M三相桥式晶闸管整流电路的平均失控时间Ts= 1/(2mf)= 0.0017s电流反馈滤波时间常数=2ms= 0.002s启动电流= 2= 2*140=280A转速反馈系数= = 10/1000=0.01电流反馈系数= /= 10/280=0.036= (0.405*1000+280*0.25)/10=47.57. 电流调节器ACR的设计最常用的电流调节器是PI。由于电流反馈滤波环节（惯性环节）折算到前向通道上表现为微分环节，电流超调将会增大，为此，在给定通道上也加一滤波环节（给定滤波器），以抵消电流反馈环节的影响。具有给定和反馈滤波器的电流调节器如下图所示。图7-1电流转换器对PI调节器，其输出表达式为：8转速调节器ASR 与ACR相同，含有给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图所示。图8-1 含有给定滤波和反馈的转速调节器原理图8.1转速调节器ASR结构 用电流环的等效传递函数代替图8-1中的电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图变成图a所示。其中。如果把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号变为，再取时间常数，则转速环可简化成图b形式。图a）图b）图c）图8-2转速环动态结构图a）近似处理前 b）近似处理后 c）按典型型系统校正后基于稳态无静差和系统应具有良好的抗扰性能的要求，转速环应该校正成典型型系统比较明确。8.2转速调节器ASR参数选择按法及典型型系统关系式得则调节器参数为 取“工程最佳”参数时，再根据设计任务所给数据，得为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，他应该还包括在转速调节器ASR中，由于扰动作用下点后面已经有一个积分环节，因此转速开环传递函数共有两个积分环节，应该设计成典型型系统。课 程 设 计 小 结通过两周的课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经因成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的简单的课程设计，可是平心而论，也耗费了我不少的时间。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益匪浅。 致 谢为期两周的课程设计结束了，在这里我要感谢我的指导老师刘小玲老师，没有她的帮助，我是无法顺利完成我的课程设计的。使我学会了转速，V-M双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用广泛。本课题在选题及进行过程中得到周游老师的悉心指导。过程中，刘老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。刘老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向刘老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。参考文献1 杨威，张金栋 主编，重庆大学出版社，20022 王兆安，黄俊主编 第四版，机械工业出版社，20073 莫正康，电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社，20004 刘军、孟祥忠，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，20075 陈伯时，电力拖动自动控制系统运动控制系统，第三版，机械工业出版社6 朱仁初、万伯任，电力拖动控制系统设计手册，机械工业出版，1994