基于转速、直流双闭环的不可逆V-M直流调速系统的设计.doc

运 动 控 制 系 统 大 作 业 基于转速、电流双闭环的 不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真 Design and Simulation of System Irreversible V-M DC Speed ControlBased on the Speed of Current Double Closed-loop 院（部）： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 自动化2011级2班 学生姓名： 原加伟 学生学号： 201102010105 指导教师姓名： 雷 慧 杰 指导教师职称： 讲 师 2014 年 12月目 录摘要.引言.1第一章 绪论.2 1.1设计目的.2 1.2 设计要求.2第二章 系统总体设计方案.3 2.1双闭环直流调速系统.3 2.2 主电路设计方案.3 2.2.1 整流系统及其主要参数计算.3 2.3 控制电路方案设计.4 2.3.1 电流调节器的设计.5 2.3.2 转速检测电路的设计.9 2.3.3 触发电路的设计.9 2.3.4 转速调节器的设计.10第三章 参数计算和选型设计.14 3.1 整流变压器额定参数计算.14 3.2 过电压保护和du/dt和di/dt的限制.16 3.3 平波电抗器的参数计算.16 3.4 直流侧保护.16 3.5 交流侧保护.16第四章 系统仿真.18 4.1 电流环的仿真.18 4.2 转速环的仿真.19结果与结论.21收获与体会.21参考文献.22附录.23 基于转速、电流双闭环的不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真摘要：电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，而电力拖动自动控制系统也即运动控制系统的任务是通过控制电动机电压，电流和频率等输入量，来改变工作机械的转矩，速度和位移等机械量，是各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。 我们现在要研究的是晶闸管整流器控制的转速电流双闭环直流调速系统，主电路设计是依据晶闸管-电动机系统组成，其系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器和电动机-发电机组等组成。整流变压器和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源，整个系统可以实现电动机的平滑调速。关键词：双闭环 电流调节器 转速调节器 直流调速 I引 言随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计包括主电路和控制回路的设计。本设计通过分析直流双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。24第一章 绪论1.1设计目的双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是旨在对双闭环进行最优化的设计。1.2 设计要求具体设计要求如下：他励直流电动机，额定功率29.92kW，额定电压220V，额定电流136A，额定转速1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数l=1.5。晶闸管装置放大系数Ks=40，电枢回路总电阻R=1W，机电时间常数Tm=0.18s，电磁时间常数Tl=0.03s，电流反馈系b=0.05V/A，转速反馈系数a=0.007Vmin/r，转速反馈滤波时间常数T on=0.005s，T oi=0.005s，总飞轮力矩GD2=2.5N.m，h=5。1、稳态指标：稳态无静差，调速范围D=10，静差率5%；2、动态指标：电流超调量i 5% ，转速超调量n 10%；3、画出完整详细的系统原理图；4、基于 MATLAB 7.5 ，仿真启动过程，分析是否满足动态性能指标。第二章 系统总体设计方案2.1双闭环直流调速系统 该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图1.1所示。电流检测整流触发装置ASRACR负载电压电动机转度检测 图2.1双闭环直流调速系统原理框图2.2 主电路设计方案2.2.1 整流系统及其主要参数计算三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。整理系统示意图如下;图2.2 V-M系统主电路示意图图2.2会出了晶闸管整流器-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器的平均输出电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。本次设计采用三相全控桥整流电路，因此，整流电压Ud为： 当最大为1时，可得到最大整流电压为电动机额定电压Ue，因此：U2为整流变压器二次侧额定相电压的有效值。变压器选择，原边相电压为220V，副边相电压U2为94V。电动机额定功率为30Kw，因此变压器容量可选为50KV*A，联结组别为Y/d-11。晶闸管承受最大反向电压为U2，因此晶闸管的额定电压为： U额=（2-3）94V=460-690V因此晶闸管可选额定电压为500V。电动机额定电流Ie为136A，因此晶闸管额定电流约为： 因此晶闸管的额定电流可选为200A。而晶闸管的触发电压一般为3V左右，因此，控制电压Uc可选为5V。2.3控制电路方案设计 为了提高直流电动机的调速范围，并且降低静差，只能减少负载所引起的转速降落。但是开环调速，转速降是由电机参数决定的，为此，我们引入了转速反馈控制，有效解决了这一难题。而为了解决电动机匀速起动以及运行故障过电流的问题，我们适当引入了电流负反馈。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。如图所示，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里边，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得较好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。系统示意图如下：图2.3转速、电流双闭环直流调速系统示意图 基于转速、电流直流调速系统，我们可以得出其动态结构图。系统中加入电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节，以减少检测信号和给定信号的扰动。这样的滤波环节传递函数可用一届惯性环节来表示，其滤波时间常数按需求来定。动态结构图如下： 图2.4 V-M双闭环直流调速系统动态结构图注：电流反馈滤波时间常数Toi=0.005s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.005s，电流反馈系b=0.05V/A，转速反馈系数a=0.007Vmin/r。2.3.1电流调节器的设计1.电流调节器的工作原理电流调节器也有两个输入信号。一个是速度调节器输出反映偏差大小的主控信号Un，一个是由交流互感器测出的反映主回路电流反馈信号Uif，当突加速度给定一个很大的输入值，其输出整定在最大饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程中始终保持在最大转矩和最大加速度，使起、制动过渡时间最短。图2.4所示点划线框内是电流环的动态结构图,其中反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Ti=0.03s远小于机电时间常数Tm=0.18s，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即E0。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就算说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流的近似结构图如图5a。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成Ui*/，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图5b所示。最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为：则电流环结构框图最终可以简化成如图2.5所示。简化的近似条件是 图2.5电流环的动态结构图及其简化 a）忽略反电动势动态影响 b）等效单位负反馈 c）小惯性环节近似处理 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器的原理图如图2.6.图中Ui*为电流给定电压，-Id为电流负反馈电压。调节器的输出就是电力电子变化器的控制电压Uc。 根据运算放大器的原理图，可以容易的导出 图2.6 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.电流调节器结构的选择首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图2.6可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。图2.6的表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成： 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构框图便成图中所示的典型形式，其中： 三相全控桥整流装置的平均失控时间Ts=0.0017s，三相全控桥整流电路每个波头的时间是3.3ms，因此电流滤波时间常数可取Toi=0.002s，电流环小时间常数之和Ti为：Ti=Ts+Toi=0.0037s根据要求，并按稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此采用PI调节器。电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s。电流环开环增益：要求i5%时，按表2-1，应取KIT=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1于是，ACR的比例系数为： 3.校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-11) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。3) 电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。4.计算调节器电阻和电容由图2.6所示，按所用运算放大器取R0=40K，各电阻和电容值为,取40k,取0.75F,取0.2F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%5%满足设计要求。2.3.2转速检测电路的设计此电路主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图2.7所示。图2.7转速检测电路原理图2.3.3触发电路的设计本系统采用三个kj004集成块和一个kj041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就构成了完整的三相全控桥触发电路，其中kj041内部是由内部是由十二个二极管构成的六个或门，其作用是讲六路脉冲输入转为六路双脉冲输出以上触发电路均为模拟量构成，优点是结构简单，可靠，缺点是易受到电网电压影响，触发脉冲的不对称度较高，可达34度在对精度要求高的大容量变流装置中，越来越多的采用了数字触发电路，可获得较好的触发脉冲对称度kj004集成电路部分与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，可分为同步，锯齿波形成，移相，脉冲形成，脉冲分选及脉冲放大几个环节，有一个kj004构成，的触发单元可输出两个香味间隔180度的触发脉冲，其工作原理可参照锯齿波同步的触发电路形成进行分析 向整流电路供电的交流测电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定的，而是在允许的范围内有一定的波动，触发电路除了应该保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应该保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定，正确的相位关系2.3.4转速调节器的设计用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图2.7所示。与电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效地转移到环前通道上，并将给定信号改成U n * /，再把时间常数为1/KI 和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似为一个时间常数为Tn的惯性环节，其中 则转速环可以简化为图2.7。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，他应该包含在转速调节器ASR中，由于扰动作用点后边已有一个积分环节，因此转速开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计为型系统。由此可见，ASR也应该设计为PI调节器，其传递函数为： 式中Kn为转速调节器的比例系数，为转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数就可以写为： 令开环增益KN为： 则 不考虑扰动时，调速系统的动态结构图如图2.8。图2.8转速环的动态结构图及其简化 a）用等效环节替代电流环 b）等效为单位负反馈 c）校正为典型型系统转速调节器的参数包括Kn和。按照典型型系统的参数关系，应该有可得到 因此 含给定滤波与反馈滤波的PI型调节器原理图如图2.9，图中Un*为转速给定电压，-n为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压Ui*。与电流调节器相似，转速调节器的电阻电容值关系为 图2.9含滤波环节的PI型转速调节器结合设计要求给定的电动机参数可计算转速调节器的参数。电流环的等效时间常数为1/KI，已取，则 转速环小时间常数 1.计算调节器参数ASR的超前时间常数为 则可求出转速开环增益 可求出ASR的比例系数为 2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为 3.检验近似条件转速截止频率为 （2-15）（1）电流环传递函数简化条件为 （2-16）满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为 （2-17）满足近似条件。4.计算调节器的电阻和电容取R0=40k则 ，取520k ，取0.1uF ，取0.5uF当h=5时，按退饱和超调量的计算方法可得 满足设计要求。第三章 参数计算和选型设计3.1 整流变压器额定参数计算1. 的计算负载要求的整流电路输出的最大值；晶闸管正向压降，其数值为0.51.1V，通常取；A理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；变压器短路电压比，100Kv以下的取；C线路接线方式系数；n主电路中电流回路晶闸管的个数；电网电压波动系数，通常取；最小控制角，通常不可逆取；变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；已知（22010%左右），取、，查表得，取,查表得C0.5代入上式得：，应用式，查表得，取，取，电压比 2.一次和二次向电流和的计算 由式得 ，由表得 ，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：3.变压器的容量计算晶闸管参数选择由整流输出电压，进线线电压为110V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：3.2过电压保护和du/dt和di/dt的限制 过电流保护和di/dt限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：快速熔断器、硒堆保护等。对超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，就可以有效的抑制尖峰过电压。为了解决能量转化过程中能消耗一部分能量和并且抑制LC回路的振荡，采用了串阻措施。这些都是为了保护晶闸管而做的措施，都能够有效的解决了运动控制课程设计过程中可能出现的问题。3.3平波电抗器的参数计算整流系统输出电流会产生脉动，而脉动的电流会增加电动机发热，同时产生脉动转矩，对机械不利。此外还会影响系统的机械特性，因此实际应用中为了避免电流脉动需要设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速连续轻载时保证电流连续的条件来选择，通常首先给定最小电流Idmin，在计算所需电抗。因此本次设计，单抗L取值为：，取15H即可。为了防止电路出现过电压现象，整流后部分应添加阻容保护电路。电阻值可选10k，电容选择10uF。3.4直流侧保护直流侧过电压保护接线方式见图3.1。直流侧与交流侧过电压保护方法相同，元件选择原则也相同。实际中采用压敏电阻保护较为合理。图3.1 直流侧过电压保护线路3.5交流侧保护在变压器副边并联电容，短时间的过电压让电容中流过较大的充电电流，把拉闸时磁场释放出的能量转化为电容的电场能量储存起来可以大大抑制过电压C16Io%*s/U2/U2电容耐压1.5UcR12.3U2*U2/S*Udi%/ Io%式中s-整流变压器每相伏安数 U2-变压器副边相电压的有效值，单位V Io%-变压器空载激磁电数百分数。对于10560KVA的普通的三相变压器，Io%=410，容量越大其值越小 Udi%变压器短路电压百分比数，上述变压器的Udl%一般为56则：C1（0.01980.0495）uF 取0.05 uF R1(17963408) 取4500Uc11.5Uc 571V 取600VPr=(2f)* (2f)*K1*CR+K2C*U2*U2=537W 取600W熔断器额定电流，Ik=150A Uk=350V取电容0.05PF.耐压值600V三个，rsc-150A/350V熔断器三个第四章 系统仿真4.1电流环的仿真电流环的仿真模型如图4.1，其中晶闸管整流装置输出电流不可逆。在仿真模型中加入了一个饱和非线性模块，将饱和上界和下界幅值设为10和-10.并将起动时间和停止时间设为0.0s和0.05s。启动仿真过程，调整识破器显示模块，即可看到阶跃响应过程。图4.2按设计参数仿真的曲线KT=0.5，PI调节器的传递函数为；图4.3按设计参数仿真的曲线KT=0.25，PI调节器的传递函数为；图4.2按设计参数仿真的曲线KT=1.0，PI调节器的传递函数为。对比三个图可以看出，在直流电动机恒流升速阶段，电流值低于IN=204A，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，因此系统做不到无静差。图4.1 电流环的仿真模型图4.2 KT=0.5电流环仿真曲线图4.3 KT=0.25电流环仿真曲线 图4.4 KT=1.0电流环仿真曲线4.2转速环的仿真转速环的仿真模型图如图4.5所示。Step1模块是用来输入负载电流的。PI调节器的参数设计后，传递函数为。同样，将输入模块阶跃值设为10。反正后，得到转速与电流响应曲线如图4.2所示，最终稳定于给定转速。图4.5 转速环的仿真模型图图4.6 转速环空载高速时的起动波形图如果把负载电流设置为136，满载起动，其转速与电流响应曲线如图4.3所示，起动时间延长，退饱和超调量减少。图4.7 转速环满载高速起动波形图结果与结论从仿真的结果来看，得到这样结论，按照KT=0.5进行调节器的参数设置，最终电流响应曲线的超调量比按照KT=0.25要大很多，分析原因后可得知：电流环调节器参数计算时并未考虑到电流反馈滤波时间常数过大的影响，造成控制信号延时较大，另外，工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理, 而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。因此，电流响应时产生了较大的超调量。所以，应当按照KT=0.25来计算调节器的参数。经过再次计算后，Ki取0.5067s-1，取0.06s。电流调节器的电阻、电容分别为Ri20k，Ci1.5F，Coi0.2F。对应的，转速调节器取0.0148s，Kn取值为10.3 s-1。对应的转速调节器的电阻、电容分别取值为：Rn412k，Cn2.5F，Con0.5F。仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同, 因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差, 而且在建立模型过程中为了简化计算, 忽略了许多环节的非线性因素和次要因素。此外，从仿真波形来看，起动时，起动电流迅速达到恒定值，转速线性增长；转速达到给定值时，电流迅速降低，保持在较低值。当加入负载后转速波动较小，迅速回归到给定值，电流小幅度上升后保持恒定，达到了双闭环控制的预期目标，实现了时间最优控制的目的。收获与体会通过本次大作业，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，并也熟练地学会了转速调节器（ASR）和电流调节器(ACR)参数的选择和计算，也掌握饿MATLAB的使用，同时在设计的基础上认识到直流双闭环调速系统的广泛应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，加深了理解，是对课堂所学理论知识的一次很好的应用到实际中。经过了大概一周的努力终于完成了大作业，通过这次大作业让我认识到运动控制不仅仅是有在学书本知识就能学到其精髓的，也有在只有理论联系实际不断的在生活中实践才能认识到运动控制的本质原理，同时在这次试验中让我认识到了自己的计算能力的不足、MATLAB的仿真、运动控制课本知识不牢固等，尤其是复杂系统的设计和整体系统参数的计算，这些都让我感到了深深的不足。在此我要感谢所有给过我帮助的老师和我的同学，没有他们我也许还会在黑暗中摸索好长时间。在这次运动控制大作业中学到了很多东西，受益匪浅。参考文献1阮毅.电力拖动自动控制系统 M. 北京，机械工业出版社，2009.2王兆安.黄进.电力电子技术(第四版)M.北京，机械工业出版社.2005年.104234.3陈伯时.电力拖动自动控制系统(第三版)M，北京，机械工业出版社.2005年.54-98.4魏克新.MATLAB语言与自动控制系统设计M.北京，机械工业出版社.2007年.855.5罗飞.运动控制系统M，北京，化学工业出版社.2010年.179.6李海发，王岩编著.电机与拖动基础M.清华大学出版社.2008年.10100.7顾绳谷著. 电机及拖动基础M 北京，机械工业出版社. 2009年 .23127.8周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真.北京，中国电力出版社，2004.附录：V-M双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图