雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)方案

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)：應(yīng)用由上技術(shù)班級(jí)：應(yīng)用由千1班學(xué)號(hào)：32姓名：吳嘉鑫設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)看流調(diào)你系統(tǒng)2012年11月目錄1 緒論-1 -2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) -2 -一 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)白組成結(jié)構(gòu)與原理 -4 -二 采用轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的理由 -4 -三 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。3 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 -4 -一課程設(shè)1f指標(biāo) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。二課程設(shè)計(jì)基本要求 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-4 -一電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) -5-二轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5 心得體會(huì)-5 -參考文獻(xiàn)-10 -2摘要本文主要針對(duì)交直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)這門(mén)課程中關(guān)于

2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過(guò)程的分析，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)一步了解與學(xué)習(xí)。在電氣時(shí)代的今 大，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩?直流電機(jī)是最 常見(jiàn)的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法， 對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機(jī)調(diào)速問(wèn)題一直是 自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問(wèn)題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要 求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合。 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是把電 能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機(jī)械需要?jiǎng)恿Φ膱?chǎng)合， 也被 廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械等需要高性能電氣傳動(dòng)的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速

3、度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。關(guān)鍵字：直流調(diào)速 電機(jī)雙閉環(huán)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)1緒論直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的電 氣傳動(dòng)裝置之一。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合，直流調(diào)速 系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、 冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電， 從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用 模擬元件，如晶體管、各種線(xiàn)性運(yùn)算電路等，在一定程度上滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求。直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比，具制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高.維修困難， 需備有直流電源才能使

4、用。但因直流電動(dòng)機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍， 平滑的調(diào)速特 性，較高的過(guò)載能力和較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此被廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要 求較高的場(chǎng)合。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合， 直流調(diào)速 系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機(jī)床，大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、礦 井卷?yè)P(yáng)、城市電車(chē)等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 特別是晶閘管一直流電動(dòng) 機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，、具有自動(dòng)化程度高、控制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào) 速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。 它通過(guò)轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，并構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)。從而有效的改善電機(jī)性能。該系統(tǒng)主要

5、由給定環(huán)節(jié)、asr acr觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。 為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流 負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器 acrffi轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr電流調(diào)節(jié)器 acrffi電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asrj口轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu) 成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱(chēng)為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。-11 -2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上的，實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外，很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求，這就需 要一個(gè)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系 統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，

6、分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套連接。即把轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制品閘管整流 器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面稱(chēng)內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面稱(chēng)外環(huán)。 這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。asr轉(zhuǎn)速調(diào)心瑞acr電流調(diào)h瑞tg測(cè)速發(fā)電機(jī) ta電流互感器 lepe電力電廠(chǎng)變換附圖1調(diào)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 pi調(diào)節(jié) 器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖 2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè) 調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們電力電子變換器的控制電壓 uc為正壓的 情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的

7、倒相作用。圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理二，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制 動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速 起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即 最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加 速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克 服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制， 所 以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。而且 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)

8、限流性能和抗擾 動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。三，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在工程實(shí)踐中，雖然交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易。 但由于直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，具有極好的運(yùn)行和控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中仍占有相當(dāng)?shù)谋壤?，其雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所 示。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asm歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況， 整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的i、ii、出三個(gè)階段。電流內(nèi)環(huán)京門(mén)圖3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求一，課程設(shè)計(jì)指標(biāo)某品閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路基本數(shù)據(jù) 如下：1,直流電動(dòng)機(jī)：220v

9、, 136a, 1460r/min,ce = 0.132v min/r ,允許過(guò)載倍數(shù) =1.52,品閘管裝置放大系數(shù)ks=40;3,電樞回路總電阻 r=0.5q;4,時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù) tl=0.03s;機(jī)電時(shí)間常數(shù)tm=0.18s;5,電流反饋系數(shù)p=0.05v/a6,調(diào)節(jié)器輸入電阻r0=20q ;7,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a = 0.007v min/r二，課程設(shè)計(jì)基本要求1，根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成。2,動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定asr5m節(jié)器與acr 調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能指 標(biāo)

10、的要求。3,繪制v-m雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖）。4,要求電流超調(diào)量a %<5%,轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量3m10%。試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求 能否得到滿(mǎn)足。5,整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。（1）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)：整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)；ts=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù)：toi=0.002 s（三相橋式電

11、路每個(gè)波頭是時(shí)間是3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有 toi=3.33ms,因此取toi=2ms=0.002s）。按小時(shí)間常數(shù)近似處理。ts =ts +toi =0.0037 （ts和toi 一般都比tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求：/%<5%可按典型i型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成pi型的.檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：工=工°32=8.11ti 0.0037 s計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)：acre前時(shí)間常數(shù)g =1=0.03s；電流環(huán)開(kāi)環(huán)時(shí)間增益：要求。i % m 5%時(shí)，應(yīng)取k1kli =

12、 0.5 ,因此ki0. 50. 5. c u /=1 3 5.s11tt 0. 0 0 3s7所以，acr勺比但j系數(shù)：ki=r = 135."0.03"5=1.013 i ks -40 0.05校驗(yàn)近似條件:電流環(huán)截止頻率：''ci =ki 135.1s晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件:"ci3ts3ts3 0.0017s= 196.1 135.1滿(mǎn)足近似條件; 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件:ci -33=3tmtl二 40.82s0.18s 0.03s滿(mǎn)足近似條件; 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:, 'cij 13 tstoi0.0017s 0

13、.002s=180.8s/ ci滿(mǎn)足近似條件;按所用運(yùn)算放大器取rc=40kc ,各電阻和電容值為r =尺& =1. 0 13 140=胸，52 40kcg =0. 03 f 0.7-5 f,取0.75fr 4 0 10coi二為二絲ye,.,取wer 4 0 10含濾波環(huán)節(jié)的pi型電流調(diào)節(jié)器按上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：%=4.3% <5%,也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn):含給定濾波和反饋濾波的模擬式 pi型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4所示:號(hào)c圖4模擬式pi型電流調(diào)節(jié)器原理圖(2)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)= 0.0074s1=2" =2 0.

14、0037k1i轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)ton=0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理.1.丁不=一 ton =0.0074s 0.01s = 0.0174s一 ki選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán) 節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需 要r由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型r型系統(tǒng)一選用 設(shè)計(jì)pi調(diào)節(jié)器。選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)：n=htn=5 0.0174s=0.087s轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：k _ h 1n 2h2tn2asr勺比例系數(shù):knh 1 ctm2h rtn6 0.05 0.132 0.18=11.7 2 5

15、 0.007 0.5 0.0174近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為:kn 'cn 一 '11 1_1= knn =396.4 0.087s =34.5s電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為1 1135.1 , 3 0.0037s“ r =63.7s 、:cncn滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件62222 s - - 396.4sn 2 52 0.01742轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿(mǎn)足近似條件計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容，根據(jù)圖所示，取r =40kc ,則：rn =kn& =11.7m40kc =468kc取 470kccn "= 0.087 3 f =0.185m10'f取0.2ufrn 470

16、 103on&4_31r040 103取1f含濾波環(huán)節(jié)的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，an =37.6%,不能滿(mǎn)足要求.按asr退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量：'ax% =81.2%, cb-nn tn* 一ntm. ：c：=n max2(- -z)cb136 0.5an =2m81.2%1.5m 0.132 父0.0174 = 8.31%<10% ,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。14600.18轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn):含給定濾波和反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖5所示。* bsrz7*. 2箋 l(sr/7圖5含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器5心得體會(huì)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用

17、是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度；電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)， 其作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾 動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。雙閉環(huán)能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)，能夠快速克 服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。就目前來(lái)看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要 形式。電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速電路，因其具有極高的調(diào)速范圍、很好的動(dòng)靜態(tài)性能 及抗擾性能，在調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而且雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)因其具有動(dòng) 態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng) 用，來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的制動(dòng)調(diào)速即提高工藝產(chǎn)品的質(zhì)量。 目前，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng) 普遍的