運動控制課程設(shè)計(直流單閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)成大版)

1、 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計報告題 目 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 自動化 學(xué)生姓名 XXXXXXX 學(xué) 號 XXXXXXXXXXX 年級 2011 級指導(dǎo)教師 譚健敏 職稱 講師 2014年 11月 10 日 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計摘要：在現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展中,在調(diào)速領(lǐng)域中, 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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。它通過轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，并構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)；動靜態(tài)性能好，抗擾性能佳。速度調(diào)節(jié)及抗負載和電網(wǎng)擾動，采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得

2、良好的動靜態(tài)效果。本設(shè)計主要采用三相全控橋式整流電路對直流電機供電，并采用工程設(shè)計的方法來計算調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；從而電流環(huán)設(shè)計成典型I型系統(tǒng)，速度環(huán)設(shè)計成典型型系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)；工程設(shè)計目 錄第一章 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)要求11.1 主要技術(shù)參數(shù)11.1.1 系統(tǒng)性能要求11.1.2 他勵直流電動機參數(shù)11.2 晶閘管電動機系統(tǒng)主電路21.2.1 整流變壓器容量的選擇21.2.2 晶閘管器件的選擇2第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計32.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)32.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖32.3 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖42.4 三相橋式整流電路5第三章 按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器53.1 電流

3、調(diào)節(jié)器的設(shè)計53.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計8第四章 調(diào)節(jié)器參數(shù)計算94.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算94.1.1 確定時間常數(shù)94.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)94.1.3 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)94.1.4 校驗近似條件94.1.5 計算調(diào)節(jié)器的電阻電容104.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算104.2.1 確定時間常數(shù)104.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)104.2.3 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)104.2.4 檢驗近似條件114.2.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容114.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量11第五章 調(diào)速系統(tǒng)的仿真125.1 電流環(huán)系統(tǒng)的仿真125.1.1 電流環(huán)的仿真模型125.1.2 電流環(huán)的仿真結(jié)果125.1.3 電流環(huán)

4、的仿真說明145.2 轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)的仿真155.2.1 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型155.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真結(jié)果155.2.3 電流環(huán)的仿真說明16第六章 結(jié) 論17參考文獻18附 錄19I成都學(xué)院課程設(shè)計報告第1章 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)要求1.1 主要技術(shù)參數(shù)1.1.1 系統(tǒng)性能要求1) 穩(wěn)態(tài)無靜差；2) 調(diào)速范圍：；3) 靜差率： ；4) 起動時電流超調(diào)量：；5) 在額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量： ；6) 動態(tài)速降：；7) 振蕩次數(shù)：次；8) 控制參數(shù)：； ；9) 電流反饋濾波常數(shù):；10) 轉(zhuǎn)速反饋濾波常數(shù):；11) 電流過載倍數(shù)： ；12) 電流反饋系數(shù)：；13) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：；1.1.2 他勵直流電動機參

5、數(shù)1）額定電壓：；2）額定電流：；3) 額定轉(zhuǎn)速：；4) 電勢系數(shù)：5) 電磁時間常數(shù)：；6) 機電時間常數(shù)：；7) 電樞回路總電阻：；1.2 晶閘管電動機系統(tǒng)主電路1）晶閘管整流電路方案選則三相橋式整流電路；2）晶閘管裝置的放大系數(shù)：；1.2.1 整流變壓器容量的選擇根據(jù)選擇的電機參數(shù)中，所以可以得到三相橋式電路帶電阻負載時候 因為橋式整流二次側(cè)無直流分量，它的一次測和二次側(cè)容量相等為： 再根據(jù)變壓器的輸出按照80%計算則變壓器應(yīng)該選擇。1.2.2 晶閘管器件的選擇在三相全控整流電路中，流過晶閘管電流的有效值為：,晶閘管承受的最大反向電壓為：；考慮到安全因素的影響，所以：晶閘管的額定電壓為：

6、 晶閘管的額定電流為： 選擇晶閘管為KP 200型；KP200型晶閘管的相關(guān)參數(shù)如圖1-1所示圖1-1 晶閘管的相關(guān)參數(shù)第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。如圖2-1，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；速度環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機 TA-電流互感器 UPE-電力電子調(diào)節(jié)器

7、 Un*-轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*-電流給定電壓 Ui-電流反饋電壓2.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉(zhuǎn)速負反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。所以選用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速速系統(tǒng)電路原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 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2-2。圖中標出了兩個調(diào)

8、節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。2.3 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速調(diào)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(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，當調(diào)節(jié)器飽和時，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，則希望電流飽和器不要進入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4 三相橋式

9、整流電路第三章 按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器用工程用工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動態(tài)性能指標要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。圖3-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往

10、比電流變化慢得多。對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響（如圖3-2）?？梢宰C明，忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是：由于一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為圖3-2 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖則可以講電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖簡化（圖3-3），簡化的近似條件為圖3-3 小慣性環(huán)節(jié)近似處理電流環(huán)的控制對象是兩個時間常數(shù)大小相差較大的雙慣性型的控制對象，如果采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 在一般情況下，希望電流超調(diào)量，可選，則 再 根據(jù) 得到 含給定濾波和反饋濾波的模擬PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖（圖3-4）

11、圖3-4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 根據(jù)運算放大器的電路原理，可以得出 按典型I型系統(tǒng)設(shè)計的電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 化簡可得到近似條件 根據(jù)圖3-1，電流環(huán)的輸入量，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，把雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，加快了電流的跟隨作用，這是內(nèi)環(huán)控制的一個重要功能。3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖3-1中的電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3-5圖3-5 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動點之前必須含有一個積分環(huán)節(jié)。它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，由于擾動點后面已

12、經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)有兩個積分環(huán)節(jié)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計。ASR采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為則則 至于中頻寬應(yīng)選擇多少，要看動態(tài)性能的要求，無特殊要求時，一般選擇為好。含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理類似于電流調(diào)節(jié)器的（圖3-4）所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻和電容的關(guān)系為 第四章 調(diào)節(jié)器參數(shù)計算4.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算4.1.1 確定時間常數(shù) 因為選擇的三相橋式電路的平均失控時間 ；電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理，取 。4.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)

13、器。用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 。 檢查對電源電壓的抗擾性能：，參看典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都可以接受的。4.1.3 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：； 電流環(huán)開環(huán)增益：按照要求應(yīng)取 ，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為： 4.1.4 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率： ；1） 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足近似條件2） 校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足近似條件3） 效驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件： 滿足近似條件4.1.5 計算調(diào)節(jié)器的電阻電容按照所用運算放大器取 ，各電阻和電容值計算如下： 取 取 取4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算4.2.1

14、 確定時間常數(shù)1） 電流環(huán)等效時間常數(shù) ,已經(jīng)取 ，則 2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) ；按小時間常數(shù)近似處理，取 4.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 4.2.3 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按照跟隨和抗擾性能都比較好的原則，取 ，則 ASR的超前時間常數(shù)為： 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益可求的為： ASR的比例系數(shù)可求的為： 4.2.4 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為: 1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足簡化條件 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件4.2.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按照所用運算放大器取 ，各電阻和電容值計算如下： 取 取 取4.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當時，

15、查表可得并不能滿足設(shè)計要求。實際上由于表格3是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按照ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 當時，查表可得； ； 帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)算的 能滿足設(shè)計要求第5章 調(diào)速系統(tǒng)的仿真5.1 電流環(huán)系統(tǒng)的仿真 仿真過程中的其它基本參數(shù)按照相關(guān)的規(guī)定設(shè)置：根據(jù)設(shè)計額定的轉(zhuǎn)速給定為10V，所以Step模塊的階躍值設(shè)為10，Integrator模塊的積分飽和值設(shè)為10和-105.1.1 電流環(huán)的仿真模型圖5-1 電流環(huán)的仿真模型5.1.2 電流環(huán)的仿真結(jié)果圖5-2 仿真結(jié)果圖圖5-3 仿真結(jié)果圖圖5-4 仿真結(jié)果圖5.1.3 電流環(huán)的仿真說明圖5

16、-2 按照 ，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 設(shè)置參數(shù)；圖5-3 按照 ，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 設(shè)置參數(shù)；圖5-4 按照 ，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 設(shè)置參數(shù)；從波形圖中可以得出圖5-3相比于圖5-2可以得到在無超調(diào)的情況，但是上升時間很長；圖5-3相比于圖5-4上升的時間很短，但是超調(diào)量很大；所以可以根據(jù)圖5-2、圖5-3、圖5-4的波形，觀察PI參數(shù)對跟隨性能指標的影響趨勢，找到符合工程要求的更合適的參數(shù)。5.2 轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)的仿真5.2.1 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖5-5 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型5.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真結(jié)果圖5-6 空載啟動波形圖圖5-7 滿載電流啟動波形圖5.2.3 電流環(huán)的仿真說明圖5-6

17、 按照 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ，空載情況下設(shè)置參數(shù)；圖5-7 按照 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ，負載電流為136A情況下設(shè)置參數(shù)；圖5-6、圖5-7均在電流環(huán)按照 ，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 設(shè)置參數(shù)；第6章 結(jié) 論在本次課程設(shè)計中翻閱了以前的課本，以及以前的作業(yè)計算本進行了參考計算設(shè)計；此次設(shè)計時候發(fā)現(xiàn)很多公式不熟悉，無法從腦海中直接調(diào)用，只能不斷的翻閱書籍查找，以及一些概念，不得不在網(wǎng)上查找相關(guān)的資料。尤其是指導(dǎo)老師譚健敏老師所給的設(shè)計指導(dǎo)思想，要求在每一步，每一個器件參數(shù)的選取，尤其是實際的器件需要查找市場相應(yīng)的型號規(guī)格，不能根據(jù)計算值隨便的選取，應(yīng)該結(jié)合市場提供的產(chǎn)品和計算值相結(jié)合。公式

18、的選擇都要做到有理有據(jù)，要有實際的參數(shù)，和可行性；這些方法和思想不但幫助完成了課程設(shè)計，還教會了我們在以后的工程設(shè)計的相關(guān)工作中要做到嚴禁，不能馬虎憑感覺辦事。從課程設(shè)計中得到，轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)，當按照線性系統(tǒng)計算和按照退飽和過程計算時，超調(diào)量的值卻不一樣；在設(shè)計電流環(huán)的時候，忽略反電動勢的條件下，可以滿足系統(tǒng)的要求，得出反電勢對電流環(huán)影響可以不計，在轉(zhuǎn)速環(huán)中，卻不能忽略反電動勢的影響，只是在實際的設(shè)計中考慮到反電動勢的影響會使超調(diào)量更加小，所以忽略對系統(tǒng)的影響不是很大。在工程設(shè)計中，分別對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的轉(zhuǎn)折頻率以及截止頻率的比較，可以得到設(shè)計的外環(huán)響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這樣有利于系

19、統(tǒng)的穩(wěn)定，以及系統(tǒng)的調(diào)試，但是不能有利的達到快速性的指標。在使用MATLAB的仿真中，因為工程設(shè)計是在一定的近似條件下得到的，所以仿真的結(jié)果可能存在不足，這就要根據(jù)實際情況對部分的仿真參數(shù)進行適當?shù)男拚⒖嘉墨I1 阮毅，陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng) M4版北京：機械工業(yè)出版社，20092 張德豐，雷曉平，周燕MATLAB基礎(chǔ)與工程應(yīng)用 M北京：清華大學(xué)出版社，20113 譚健敏運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書 成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院自動化系，20134 王兆安，劉進軍電力電子技術(shù) M5版北京：機械工業(yè)出版社，20095 彭鴻才電機原理及拖動 M2版北京：機械工業(yè)出版社，2007附 錄表格1：晶閘管整流器的失控時間表整流電路形式最大失控時間平均失控時間單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式3.331.67表格2：典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和