自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)——雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：朱藝峰組 別： F 組組 員：王有康 盧啟維 王子洲 郭妍妍 周靜 設(shè)計(jì)概述+12V直流穩(wěn)壓電源及觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)整流及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算Simulink仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) Ks 1/CeU*nUcIdEUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE 12V直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速給定電路提供12v可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，電路原理圖如下：直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器T、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖：電源變

2、壓器T將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓。整流電路將變換后的交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓。穩(wěn)壓電路由集成穩(wěn)壓器和一些外圍元件所組成。當(dāng)外界因素（電網(wǎng)電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時(shí)，能使輸出直流電壓不受影響，而維持穩(wěn)定的輸出。 12V直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)三相晶閘管集成觸發(fā)電路： 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)該電路核心部分是三塊集成觸發(fā)電路N1、N2、N3構(gòu)成的電路，它們是TCA785集成電路。一塊TCA785集成觸發(fā)電路可以同時(shí)發(fā)兩個(gè)相位互差180度的脈沖，若需要六路相位互差60度的脈沖需要三塊TCA785。同步電壓

3、經(jīng)過高阻值的電阻后,送到其內(nèi)部電源零點(diǎn)鑒別器,然后送往同步寄存器寄存,同步寄存器中零點(diǎn)寄存信號(hào)控制鋸齒波發(fā)生器,9管腳連接的電位器用來調(diào)節(jié)三相鋸齒波斜率,并和控制電壓結(jié)合定觸發(fā)脈沖初相位。當(dāng)電容兩端鋸齒波電壓大于移相控制電壓即11管腳電壓時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓送到輸出邏輯單元.控制電壓經(jīng)過限流電阻送到TCA785的11管腳,決定相位角的大小.當(dāng)控制電壓下降時(shí)相位角前移變小,相應(yīng)有當(dāng)控制電壓上升時(shí),相位角后移變大。 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)TCA785接在同步變壓器的二次側(cè)。同步電壓要經(jīng)過阻容濾波電路，會(huì)造成相位上滯后（60）同時(shí)也是為了使移向的范圍處于鋸齒波的線性段（中間部分），因此希望同步電壓較主電路電

4、壓超前30（因電壓過零點(diǎn)已較自然換流點(diǎn)超前了30 ），所以同步變壓器接線方式為Yy10。集成芯片CD4011的作用是將N1、N2、N3的14、15腳輸出的脈沖斬成脈沖列。KC41C的作用是對(duì)N1、N2、N3的14、15腳輸出的脈沖再產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)脈沖。KC41C輸出的觸發(fā)脈沖，經(jīng)過功率放大，再經(jīng)脈沖變壓器，送往主電路的VT1-VT6六個(gè)晶閘管。 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)整流變壓器接成Dy-11型，可以有效抑制整流時(shí)三次諧波對(duì)電網(wǎng)的不良影響。由于同步電壓還要經(jīng)過阻容濾波電路，會(huì)造成相位滯后（約30度），因此采用Yy-10的聯(lián)接方式。變壓器變壓器二次側(cè)相電壓二次側(cè)相電壓U U2 2為為經(jīng)計(jì)算U2=1

5、10.4V，取U2=110V變壓器變比K=U1/U2=2/1N22kminVTddmax2IICu-cosAUnRIUU 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)二次側(cè)相電流I2和一次側(cè)相電流I1：二次側(cè)相電流I2=Id/1.22=600A一次側(cè)相電流I1=I2/k=600/2=300A變壓器容量計(jì)算：二次容量S2=M2*U2*I2=3*110*600=198 KVA一次容量S1=M1*U1*I1=3*220*300=198 KVA平均計(jì)算容量S=0.5*(S1+S2)=198 KVA設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為200KVA的整流變壓器。 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)整流元件的額定電壓整流元件的額定電流

6、GTR的選擇TmTNU32UV）108405（UTNdfbTNIK25.1IA）648486（ITNA）17601330（1165.125.1I25.1INCMV）660440（32NCEOBRUU 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)此外還應(yīng)注意：（1）當(dāng)環(huán)境溫度超過40攝氏度時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值；（2）當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。故選取型號(hào)：KP600-7型普通晶閘管 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)過電壓（阻容）保護(hù)：阻容保護(hù)是在整流變壓器兩側(cè)并聯(lián)電阻和電容，接線方式見右圖，計(jì)算單向變壓器交流側(cè)過電壓保護(hù)電容C和R的公式為：140%i%uSU2.3Rfk2F0.66U

7、S%6iC22f在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC電路，起到晶閘管換相過電壓的保護(hù)。串聯(lián)電阻R的作用一是阻尼RLC回路的震蕩，二是限制晶閘管開通瞬間的損耗且可減小電流上升率di/dt。R、C值可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，對(duì)于本設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為200A，故C可取1uF,R取5. 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)過電流保護(hù)快速熔斷器保護(hù)熔體的額定電流選?。哼x取m57. 1TNTNIII300ATNNII 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)電抗器參數(shù)計(jì)算與選擇 作用：保證電流的連續(xù) 當(dāng)負(fù)載電流較小，會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使電機(jī)的機(jī)械特性變軟，影響系統(tǒng)的靜態(tài)特性。臨界電抗量晶閘管相電壓有效值U2=110V最小負(fù)載電流平均值Id=5

8、%Id=44A得：Lcr=1.74mHdmin2crcrIUKL 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)限制輸出電流脈動(dòng)電感量為了使系統(tǒng)能正常運(yùn)行，提高運(yùn)行的可靠性，在主電路中與負(fù)載串聯(lián)電抗器其中電感量：di2d2dm3mISUf2U/U10L 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)由表3-5可查Si為電流脈動(dòng)系數(shù)，三相整流Si0.05,取Si=0.03代入數(shù)據(jù)得為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)電抗器,計(jì)算時(shí)所得 應(yīng)該扣除 z300fdH8.0U/U2dmmH13.273303.030021108.010L3maLLL mcrLL和 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)折算到變壓器二次側(cè)的每相漏電感量為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)由表3-5 為3.9

9、電動(dòng)機(jī) 電樞電感量為 mH035.073311006.09.3IUUKLd2KLLmHCIULLNNN955.0np2101.19a3a 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求的平波電抗器計(jì)算得lamp2cr,maxLLLLLmHL14.1p 整流及晶閘管保護(hù)電路的設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起到電氣隔離的作用。 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的選擇：電流環(huán)的作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，因而在突加控制作用時(shí)不希望有

10、超調(diào)，故采用典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算1確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時(shí)間 電流濾波時(shí)間常數(shù) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： 而且 因此電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其傳遞函數(shù)為 ：sTs0017. 01s0.0oiTsTTToisi0117.0%5l106.270117.07340.0ilTTssKsWiiiACR1)( 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算3選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR超前時(shí)間常數(shù)： 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 時(shí)，應(yīng)取 因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 sTli7340.0%5i5 . 0iITKsTKiI/42.

11、740170.05.05.03.02441.5009.036.00.073442.74siIiKRKK 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算4校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率（1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：現(xiàn)在， 滿足近似條件（2）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： 現(xiàn)在， 滿足近似條件（3）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 現(xiàn)在， 滿足近似條件 sKIci/42.74SciT31ciSsT196.0780017.03131oisciTT131lmciTT13cilmssTT/36.3891157.00116.01313ciisssTT/80.845110.00017.0131131 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算

12、5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容為 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為滿足設(shè)計(jì)要求。 kkkRKRii5.14取121403.0240FFFRCiii1取607.0101217340.03FFFRTCoioi1取1104001.04430%5%3 . 4%i 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波整流之后即

13、可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。 型號(hào)：ZYS231/110型永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓：110V 電流：0.21A 功率：23.1W 轉(zhuǎn)速：1900r/min在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，其等效傳遞函數(shù)整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如右圖a。把濾波等效地移到環(huán)內(nèi)，給定信號(hào)改為 再把時(shí)間常數(shù)為 和 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并，近似成時(shí)間常數(shù)為 的慣性環(huán)節(jié)，則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化為右圖b。轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成右圖c。121）s（sTWicli sU*nonTi2Tionn2TTT 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算由上圖b可以明顯看出，要把轉(zhuǎn)速校正成典型型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)該采

14、用PI調(diào)節(jié)器，其具體電路圖如右圖所示，其傳遞函數(shù)為式中 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) s1ssnnnKWASRnKn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算 1確定時(shí)間常數(shù) （1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 （2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) （3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于設(shè)計(jì)要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù) sTi0234.0201s.0onTsTTTonin3340.02ssKsWnnnASR1)( 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 則 ASR的超

15、前時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益于是：sshTnn167.03340.0522222107.570.0334252621ssThhKnN1.1563340.063.00.00552.926.0913.0009.062)1(nmenRThTChK5h 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算4校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： 由于 滿足簡(jiǎn)化條件。（2）時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：現(xiàn)在 滿足近似條件。11117.9640.167107.57ssKKnNNcniT51cncn18.09451iT 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算onicnTT2131cnoniTT21.7910.010.01172

16、1312131 5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取 ，則kR400kkkRKRnn47取 46.24401.1560 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算FFFRCnnn3.61取 3.61101047167.063FFFRTConon1取 11010400.0144630 6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 mnnombnTTnnzCC*max)(2)(5h%2 .81maxbCC當(dāng)時(shí)，min/326min/139.00.015733rrCRInednomnom%10%3.6157.001045.015003265.12%2.81n而因此能滿足設(shè)計(jì)要求。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算 SIMULINK仿真系統(tǒng)仿真選用MATLA

17、B軟件，以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用matlab中simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型圖如下：仿真波形如下：時(shí)刻t/s輸出電流I/AMATLAB仿真圖時(shí)刻t/s轉(zhuǎn)速n r/min仿真波形如下（加負(fù)載）：有仿真圖可知 ，電機(jī)的升速階段分為三個(gè)階段1，強(qiáng)迫電路上升階段 突加給定電壓U后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用，使電樞電壓升高，當(dāng)Id時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入電壓偏差較大，其輸出很快達(dá)到限幅值 ，強(qiáng)迫電流Id快速上升，電機(jī)開始啟動(dòng)。 因電流反饋信號(hào)隨著電流上升迅速增大，是ACR的輸入偏差衰減的表較快，因而ACR的輸出電壓還達(dá)不到飽和值，當(dāng)電流上升到Id= 時(shí)， = ACR的調(diào)節(jié)作用使Id不再增加。2，恒流升速階段 電動(dòng)機(jī)保持最大電流做等加速啟動(dòng)過程，此時(shí)AS