直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)的最佳工程設計

1、專業(yè)：電氣工程及其自動化學生姓名：袁 同 浩 指導教師：江 可 萬完成時間：2021年4月26日運動控制課程設計 -雙閉環(huán)系統(tǒng)的最佳工程設計摘要- 1 -第一章 設計任務- 3 -1.1 系統(tǒng)性能指標- 3 -1.2設計內容- 3 -1.3應完成的技術文件- 3 -第二章 設計說明- 5 -2.1 綜述- 5 -2.1.1電機學- 5 -2.1.2電力電子技術- 5 -2.1.3微電子技術- 5 -2.1.4控制理論- 6 -2.2 整流主電路- 6 -2.3 整流觸發(fā)電路- 8 -2.3.1脈沖形成于放大環(huán)節(jié)- 8 -2.3.2鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)- 8 -2.3.3同步環(huán)節(jié)- 9 -

2、2.4 轉速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)- 10 -2.4.1穩(wěn)態(tài)工作原理- 10 -2.4.2 動態(tài)工作原理- 11 -第三章 各參數(shù)計算- 13 -3.1整流裝置的計算- 13 -3.1.1變壓器二次側相電壓的計算- 13 -3.1.2變壓器及晶閘管容量計算- 13 -3.1.3平波電抗器的電感量的計算- 14 -3.1.4晶閘管保護電路的計算- 14 -3.2 控制電路參數(shù)的計算- 15 -3.2.1電動機額定參數(shù)及晶閘管變流器參數(shù)- 15 -3.2.2 調節(jié)器參數(shù)的計算- 15 -3.3 系統(tǒng)設計- 16 -3.3.1 電流環(huán)的設計- 16 -3.3.2轉速環(huán)的設計- 18 -參考資料- 21

3、-附錄- 22 -摘要轉速、電流反饋控制的直流調速系統(tǒng)是靜、動態(tài)特性優(yōu)良、應用范圍最廣的調速系統(tǒng)。電流環(huán)設計成典型I型系統(tǒng)，具有很好的跟隨性；速度換設計成典型II型系統(tǒng)，具有良好的抗干擾性能。本課程設計旨在按照工程設計方法設計出符合一定動、靜特性指標的調速系統(tǒng)。其中電機參數(shù)有指導老師給定，大部分參數(shù)由自己計算得出。正個課程設計包含電力電子技術、自動控制技術以及直流電機調速原理。最后使用仿真軟件MATLAB進行仿真。關鍵字 雙閉環(huán) 直流調速 仿真 MATLAB第一章 設計任務本課程設計旨在設計出一套直流電動機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電動機銘牌參數(shù)如下：;； ；具體任務包含以下各方面。1.1 系統(tǒng)性能指

4、標1） 調速范圍。2） 靜差率。3) 電流超調量。4） 空載起動到額定轉速的超調量 ，調整時間 。5） 當負載變化20%的額定值、電網電壓波動10%額定值時: 最大動態(tài)速降 。 動態(tài)恢復時間 。 1.2設計內容1） 設計系統(tǒng)原理圖。2） 計算調節(jié)器參數(shù)及其它參數(shù)。3） 編寫課程設計說明書。1.3應完成的技術文件1） 設計說明書。2） 設計計算書。3） 系統(tǒng)原理圖。4） 電氣元件明細表。第二章 設計說明2.1 綜述運動控制系統(tǒng)（motion control system)也可稱作電力拖動自動控制系統(tǒng)（control systens of electric drive)。運動控制系統(tǒng)的任務是通過對

5、電動機電壓、電流、頻率等輸入量的控制，來改變電動機的轉矩、速度、位移等機械量，使其拖動的機械按照人們期望的要求運行，以滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。隨著工業(yè)的發(fā)展，對于運動控制的要求也越來越高，在這種背景下，運動控制系統(tǒng)日趨復雜，逐漸成為一個跨多學科的綜合性技術。運動控制系統(tǒng)主要用到 以下學科的知識。2.1.1電機學電動機是運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，電機的結果和原理決定了運動控制系統(tǒng)的設計方法和運行特性。隨著新型數(shù)字電機的出現(xiàn)，也相應的出現(xiàn)了很多數(shù)字電機的控制系統(tǒng)。2.1.2電力電子技術以電力電子器件為基礎的電力電子技術是運動控制系統(tǒng)的電源部分，其輸出電源質量直接決定了整個系統(tǒng)的性能。新型電力電子器件的誕

6、生也催生了新型的功率放大和變換裝置，這對于控制系統(tǒng)質量提升的有很大的積極作用。2.1.3微電子技術隨著微電子技術的快速發(fā)展，各種高性能的大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路層出不窮，極大地方便和簡化了運動控制系統(tǒng)的硬件設計和調試工作，提高了系統(tǒng)可靠性。同時高速、大內存、多功能的處理器的應用也是各種復雜算法成為可能，提高了控制精度縮短了開發(fā)周期。2.1.4控制理論控制理論是運動控制的理論基礎，是指導系統(tǒng)分析和設計的依據(jù)。早期的經典控制理論催生了經典的PID控制器。隨著科技進步，新的控制理論的出現(xiàn)也帶來了運動控制領域控制方法的技術變革。本次課程設計主要是用經典的PID控制器實現(xiàn)對電機的控制。運動控制系統(tǒng)從

7、大的方面可以分成兩類：直流調速和交流調速。在發(fā)展的早期，由于上述學科尚處于起步階段，交流調速顯得十分困難。在需要調速的領域主要是直流調速系統(tǒng)。這依賴于直流調速本身所具有的很多優(yōu)越性。由電機學知識可以了解到，直流電機數(shù)學模型簡單，調速方便，而其中又以改變電樞電壓的方法最為靈活。本課程設計采用的也是此種方法。其中主要包括三相晶閘管相控整流主電路、相控整流觸發(fā)電路和雙閉環(huán)控制電路。2.2 整流主電路整流電路（Rectifier)是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。整流電路應用十分廣泛，直流電機就是其中一種十分常見的負載。整流電路可從很多角度進行分類，主要

8、分類方法是：按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種；按電路結構可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分可分為單相、雙相、三相和多相電路；按控制方法又可分為相控整流和斬波控制整流電路。本系統(tǒng)采用的是三相全控橋式晶閘管相控整流電路。這是因為電機容量相對較大，并且要求直流脈動小、容易濾波。其交流側由三相電網直接供電，直流側輸出脈動很小的直流電。在分析時把直流電機當成阻感性加反電勢負載。因為電機電流連續(xù)所以分析方法與阻感性負載相同，各參量計算公式亦相同。主電路拓撲結構如圖2-2-1所示。 現(xiàn)簡述其工作原理：在圖2-2-1中，習慣將其中陰極連在一起的三個晶閘管（VT1，VT3，VT5)稱為共陰極組；

9、陽極連接在一起的三個晶閘管（VT4，VT6，VT2)稱為共陽極組。此外習慣上希望晶閘管按從1到6的順序 圖2-1 三相橋式整流電路主電路依次導通。為此將晶閘管按圖示的順序編號。在后面的分析完畢之后，可以看出，按此編號的晶閘管的導通順序是VT1VT2VT3VT4VT5VT6。晶閘管導通規(guī)則是陽極有正向電壓同時基極有觸發(fā)脈沖。依據(jù)此規(guī)則可以畫出當控制角時的波形圖。如圖2-2-2所示。如圖從相電壓波形看，三相橋式全控可看成兩個半波電路的串聯(lián)，輸出電壓是共陽極組和共陰極組的疊加。當時，其實就相當于三相橋式不控整流電路。在電動機負載是，為了保持電流連續(xù)通常在電樞回路串入大電感。因此主回路電流可認為是平直

10、的。隨著控制角的增大輸出電壓將會減小。其輸出電壓和控制角的關系如下式 圖2-2 控制角時的波形圖 2.3 整流觸發(fā)電路上述的晶閘管可控整流電路是通過改變觸發(fā)角的大小，即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小的，屬于相控電路。為保證相控電路的可靠工作，很重要的一點是應保證在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效地觸發(fā)信號。圖2-3-1是同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。此電路輸出可為雙窄脈沖，也可為單窄脈沖，適用于兩個晶閘管同時導通的電路，比如本次課程設計中的三相全控橋式電路。它可分為三個環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。2.3.1脈沖形成于放大環(huán)節(jié)=0時，由后面分析可知，V4基極

11、電壓為零，V4截止。電源E（+15V）通過、V5、V6向電容C3充電。由于電流很大，V5很快飽和，其集電極電勢近似于-15V，V7、V8截止，無脈沖輸出。=0.7時，V4導通，電容C3通過V4放電，A點電勢近似1.4V（兩個PN結）。由于電容兩端電勢不能突變，V5基極電勢近似為-30V，V5截止。此時V5集電極電勢迅速回到3.1V（VD6、V7、V8三個PN結）左右，V7、V8同時導通，將脈沖放大后由變壓器TP二次側輸出。隨著電容的放電，V5集電極電勢上升，直到-15V，V5又重新導通。此時脈沖輸出結束。從以上分析可見，脈沖前沿由V4導通時刻決定，脈沖寬度與電容放電（或反向充電）時間常數(shù)決定。

12、2.3.2鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)本電路采用恒流源的方法產生鋸齒波。其中，、組成一恒流源，它與、一起組成鋸齒波發(fā)生電路。當截止時，對充電，兩端電壓為即，按線性增長，也按線性增長?？梢愿淖兒懔髟措娏?，從而改變鋸齒波斜率。當導通時，由于阻值很小，電容C2迅速放電，迅速到零左右。當V2周期性的導通關斷。在上便形成了鋸齒波。由于V3射極跟隨器的作用，也形成以鋸齒波。V4管的基極電壓由鋸齒波電壓、直流控制電壓、直流偏移電壓疊加而成。的目的是確定直流控制電壓=0時的脈沖初始相位。2.3.3同步環(huán)節(jié)在鋸齒波的同步觸發(fā)電路中，同步是指要求鋸齒波的頻率和主電路（即三相電源）的頻率相同且相位關系確定不變。要做到

13、這一點，就要使V2的開關頻率與主電路的頻率相同即可。為此將同步變壓器TS和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器的二次側電壓控制V2的開關，這樣便保證了觸發(fā)脈沖與主電路的同步。 圖2-3同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路2.4 轉速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對于經常正反轉運行的調速系統(tǒng)，縮短起、制動的時間是提高生產效率的重要因素。為此我們希望電機有如下理想要求：在啟動期間，電機電樞電流保持在最大值盡快的加速到額定轉速；當速度到達額定值后又希望電流立即降下來使電磁轉矩和負載轉矩平衡，從而快速進入穩(wěn)態(tài)運行。根據(jù)經典控制理論，引入某一量的反饋，便可以使該量保持不變。為此，可以設計出兩個調節(jié)器分別引入轉速和電流的負反

14、饋。其結構圖如圖2-4-1所示。 圖 2-4 雙閉系統(tǒng)環(huán)結構圖2.4.1穩(wěn)態(tài)工作原理雙閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2-4-2所示，兩個調節(jié)器俊采用帶限幅作用的PI調節(jié)器。轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓決定了電力電子變換器的最大輸出電壓。當調節(jié)器飽和時，其輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出量，直到有反向的輸入信號使其退出飽和。在正常情況下穩(wěn)態(tài)時，轉速調節(jié)器ASR和電流調節(jié)器ACR均不飽和，都工作在無靜差的狀態(tài)，于是有： = = 式中，、分別為轉速和電流反饋系數(shù)。兩個給定電壓最大值和設計者選定，具體數(shù)值下文計算。當電機由于堵轉等因素轉速迅速

15、降低，電樞電流迅速增大并超過最大值時，轉速調節(jié)器ASR飽和。只有電流調節(jié)器工作在無靜差狀態(tài)，并將電樞電流限制在。 圖2-5 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖2.4.2 動態(tài)工作原理2.4.2.1 啟動過程分析第I階段 電流上升階段：在突加給定電壓后，經過兩個調節(jié)器的跟隨，、都上升，但在沒達到負載電流以前，電機還是不能轉動。當后，電機開始轉動，但由于電機的慣性作用，電機轉速增大的很慢，ASR的輸入偏差依然很大，足以使其飽和。此時，ASR輸出最大值，在ACR的作用在，電樞電流很快上升到最大值，同時ACR也限制了電流的繼續(xù)增長，使電流保持在最大值（后面分析可知其小于）上，此階段結束。第II階段 恒流升速階段：此階段，

16、轉速調節(jié)器不起作用，整個系統(tǒng)相當于電流調節(jié)器的電流給定控制系統(tǒng)。ACR將電流穩(wěn)定在最大值上，使得轉速快速增加。直到轉速達到給定轉速為止。由于此期間有個擾動量即反電勢，他是一個隨轉速線性增長的量也就是一個斜坡信號，一般我們將ACR設計成典型I階系統(tǒng)，故不能做到無靜差，而是略小于。為保證電流環(huán)的這種調節(jié)作用不應讓ACR飽和。第III階段 轉速調節(jié)階段：在轉速到達給定給定值后，由于積分作用，ASR的輸出依然保持在限幅值，即轉速繼續(xù)增大。這就導致轉速超調和轉速調節(jié)器的退飽和。ASR退出飽和之后開始發(fā)揮轉速調節(jié)作用，隨后將轉速維持在給定轉速上。至此，整個啟動階段結束，電機進入穩(wěn)態(tài)運行過程。由2.4.1分

17、析可知，在穩(wěn)態(tài)運行階段ASR、ACR同時起作用，分別維持轉速和電流恒定。具體波形如圖2-4-3所示。 圖2-6 系統(tǒng)啟動階段電流和轉速與時間的關系第3章 各參數(shù)計算3.1整流裝置的計算3.1.1變壓器二次側相電壓的計算由于電網波動、管子本身的壓降、變壓器內阻等因素實際計算時可按以下經驗公式計算： 其中，是電機額定電壓，這里取220V；n是整流電路每次同時導通的晶閘管數(shù)，這里，三相全控橋式取2；是晶閘管正向導通壓降，取1V；A是時整流電壓與變壓器二次電壓之比，取2.34；B是實際電壓與理想空載電壓之比，取0.9；為最小移相角，取10；C為線路接線方式，取0.5；是變壓器阻抗電壓比，取5%；為變壓

18、器二次側允許出現(xiàn)的最大電流與額定電流之比，取0.816代入數(shù)據(jù)，可得： =106.3V3.1.2變壓器及晶閘管容量計算變壓器容量晶閘管容量（電壓裕量取2.5.，電流裕量取2） 額定電壓 額定電流 有效值=7.39 額定值=3.1.3平波電抗器的電感量的計算直流電機負載本身除了有電感和電阻外還有反電勢，這種情況下有可能導致電動機電樞電流不連續(xù)，這對電機極為不利。為此，將在電樞回路串接一個平波電抗器以使電流能在較大范圍內連續(xù)。主回路總電感的計算可按下面的經驗公式計算。其中是最小負載電流值，一般取電機額定電流的5%10%,這里取10%。 包括整流變壓器的漏電感、電樞電感、和平波電抗器的電感，由于前面

19、的都較小，平波電抗器的取值可近視等于主電路總電感。3.1.4晶閘管保護電路的計算（1） 晶閘管關斷過電壓保護關斷過電壓是指，晶閘管在高頻下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速下降而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)RC電路的方法，作為關斷過電壓保護。具體可參見附錄A系統(tǒng)基本原理圖。（2） 交流側過電壓保護交流側過電壓有兩種情況。一種是整流變壓器一次側，電網波動，產生過電壓；另外一種是由于整流電路及其負載波動在交流側形成的過電壓，也就是整流變壓器的二次側的過電壓。針對于這兩種情況，本課程設計都采用RC串聯(lián)的吸收電路。具體可參見附錄A系統(tǒng)基本原理圖。（3） 直流側過電壓保

20、護 當負載波動時，直流側也可能發(fā)生過電壓的情況，一般的方法是采用在直流側并聯(lián)壓敏電阻的方法，由于直流電機電動勢相對穩(wěn)定，故本次課程設計沒有設計這一保護。（4） 過電流保護 電力電子電路在運行不正常或者發(fā)生故障時，都可能會發(fā)生過電流。過電流的保護措施常見的有快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器等。本課程設計選用的是在晶閘管主回路串接快速熔斷器的方法。具體請參見附錄A系統(tǒng)基本原理圖。（5） 電流上升率，電壓上升率在晶閘管開通時，為了避免電壓上升率過大，在晶閘管橋臂上串接一個小電感（2030）。具體請參見附錄A系統(tǒng)基本原理圖。3.2 控制電路參數(shù)的計算3.2.1電動機額定參數(shù)及晶閘管變流器參數(shù)（

21、1) 電動機參數(shù) 電機額定參數(shù) ;； ； 電動機電磁時間常數(shù) 其中， = 所以，= 電動勢常數(shù) 電機轉矩常數(shù) 電動機機械時間常數(shù) 轉速慣量 (2) 晶閘管參數(shù) 晶閘管內阻 放大倍數(shù) 滯后時間常數(shù) 3.2.2 調節(jié)器參數(shù)的計算（1） 給定電壓最大值 （2） ASR輸出限幅值 （3） 調節(jié)器輸入阻抗 （4） 電流反饋系數(shù) （5）轉速反饋系數(shù) （6） 電流反饋濾波時間常數(shù) （7） 轉速反饋濾波時間常數(shù) （8） 電流給定濾波時間常數(shù) （9） 轉速給定濾波時間常數(shù) 3.3 系統(tǒng)設計3.3.1 電流環(huán)的設計從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，又前述動態(tài)分析過程可知，I型系統(tǒng)可以滿足要求。

22、從動態(tài)角度看，不允許電流有太大超調，以保證電流不超過最大允許值。綜上，可將電流環(huán)設計成典型I型系統(tǒng)。采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可寫成： 其中，是電流調節(jié)器比例系數(shù) 是電流調節(jié)器的時間常數(shù)電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為： 因為，故，可令，以消去較大的滯后時間常數(shù)。這樣便可將電流環(huán)校正成了典型I型系統(tǒng)。，因此 其中，要求電流超調量，查表可知， 綜上： 校驗：1） 校驗晶閘管整流傳遞函數(shù)的近視條件 2) 校驗忽略反電動勢變化對電流影響的條件3） 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 綜上，近似處理的條件均滿足。 電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 電流調節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)為 模擬電路如圖3-3-1所示的，各元件參數(shù)計算如下： 圖3-1 電流環(huán)模擬電路圖按照上述參數(shù)，電流環(huán)可達到的動態(tài)跟隨性能指標為（查表）超調量，滿足要求。上升時間峰值時間由于，由表可查出動態(tài)抗干擾指標為3.3.2轉速環(huán)的設計由于負載的波動，為了實現(xiàn)轉速無靜差在負載擾動前必須有一個積分環(huán)節(jié)，加上后面的一個積分環(huán)節(jié)，轉速環(huán)共有兩個積分環(huán)節(jié)。故這里將轉速換校正成典型II型系統(tǒng)。為