运动控制系统课程设计

(3) Inom=760 A (6) Tm=0.112 s (9) Ks=75 (12) =1.5
2、性能指标
σi≤5%
3、课程设计的主要内容和要求
σn≤10%
3.1 电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计
（1） 整流电路和整流器件的选择 （2） 整流变压器参数的计算 （3） 整流器件的保护 （4） 平波电抗器参数的计算 （5） 触发电路的选择
图 1 理想快速启动过程电流和转速波形 如题 1 所示，为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流 保持为最大值
I dm
的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就
可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达 到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电 流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作 用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负 反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图 2 所示。把转 速调节器的输出当作电流调节器的输入，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，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称 作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。
三相桥式全控整流电路图
2、 整流变压器参数的计算
采用三相双绕组变压器。设计参数如下： U2N=UN=750V；I2N=IN=760A； 额定容量：SN=sqr(3)* U2N* I2N=570KV·A
三相双绕组变压器原理图
1
3、整流器件的保护
电力电子器件中不可避免的会发生过电压，会损坏电力电子器件。 对于大容量的电力电子装置，可以采用如下图所示的反向阻断式 RC 电路来 限制和吸收过电压。
3.2 控制电路的设计
（1） 建立双闭环不可逆直流调速系统的动态数学模型 （2） 电流调节器的设计计算 （3） 转速调节器的设计计算
0
二、电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计 1、整流电路和整流器件的选择
目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理 图如图 1 所示，其中阴极连接在一起的三个晶体管（VT1，VT3，VT5）称为共阴 极组；阳极连接在一起的三个晶体管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。
图，如图 4 所示。其中 为转速反馈系数， 为电流反馈系数。
图 4 直流双闭环调速系统的稳态结构框图 在考虑双闭环控制的结构（见图 4 直流双闭环调速系统的稳态结构框图）的 基础上，即可绘出直流双闭环调速系统的动态结构框图，如图 5 所示。图中
WASR ( s ) 和 WACR ( s ) 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电
反向阻断式 RC 电路
4、平波电抗器参数的计算
负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。当电 流断续时，随着 Id 的增大，转速 n（与反电动势成比例）降落很大，机械特性较 软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火 花。同时，对于相等的电流平均值，若电流波形底部较窄，则其有效值越大， 要求电源的容量也大。 为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来 减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。 总电感：L∑=TlR∑=0.002*0.6=1.2mH 平波电抗器的电感量：L=L∑-0.693U2/Idmin=2.74mH
一、设计任务 1、设计对象参数
(1) Pnom=555 KW (4) nnom=375 r/min (7) Ce=1.82 v.min/r (10) Toi=0.002 s (13) U*nm=10 V
(2) Unom=750V (5) Tl=0.031 s (8) R∑=0.14 Ω (11) Ton=0.02 s (14) U*im =10 V
2
N E T _16
N E T _16
N E T _16
50% U4 50% U5
50% U6
50%
50%
50%
50%
三、直流双闭环调速系统原理图设计 1 系统的组成
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系 统。采用 PI 调节的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速 无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足要求 了。
流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱI d 显示出来。
图 5 直流双闭环调速系统的动态结构框图 在实际设计过程中，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响 到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环
5
节来表示，其滤波时间常数 Toi 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而， 在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延 迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波 环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得 到恰当的配合，从而带来设计上的方便。 由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时 间常数用 Ton 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常 数为 Ton 的给定滤波环节。 所以直流双闭环调速系统的实际动态结构框图应该与图 5 有所不同，应当增 加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。如图 6 所 示。
5、触发电路的选择
如图所示的晶体管触发电路，它由 V1，V2 组成的脉冲放大环节和脉冲变压 器 TM 及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当 V1，V2 导通时，通过脉 冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1 和 R3 是为了 V1，V2 由导通变为截止时脉冲变压器 TM 释放其储存的能量而设的。 为了获得触发脉冲 波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。
Uc
为正电压的情况标出的，并考虑到运
算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转 速调节器 ASR 的输出限幅电压 ACR 的输出限幅电压
* U im 决定了电流给的电压的最大值，电流调节器
U cm
限制了电力电子变换器的最大输出电压
U dm
。
3 直流双闭环调速系统调节器设计
4
3
图 2 转速、电流双闭环直流调速系统
2 系统的电路原理图
图 3 直流双闭环调速系统电路原理图 为了获得良好的静、 动态性能， 转速和电路两个调节器一般都采用 PI 调节器， 这样组成的直流双闭环调速系统电路原理图如图 3 所示。图中 ASR 为转速调节 器，ACR 为电流调节器，TG 表示测速发电机，TA 表示电流互感器，GT 是触发电 路，UPE 是电力电子变换器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性， 它们是按照电力电子变换器的控制电压
太原理工大学现代科技学院
运动控制系统课程设计
设计名称 双闭环直流调速系统 专业班级 学 姓 号 名 自动化 10—4 2010101299 岳 斌
指导教师
李铁鹰
目录 一、设计任务...................................................................................................................... 2 1、设计对象参数........................................................................................................ 2 2、性能指标................................................................................................................ 2 3、课程设计的主要内容和要求................................................................................ 2 3.1 电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计............................................ 2 3.2 控制电路的设计............................................................................................ 2 二、电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计.......................................................... 3 1、整流电路和整流器件的选择................................................................................ 3 2、 整流变压器参数的计算...................................................................................... 3 3、整流器件的保护.................................................................................................... 4 4、平波电抗器参数的计算........................................................................................ 4 5、触发电路的选择.................................................................................................... 4 三、直流双闭环调速系统原理图设计.............................................................................. 5 1 系统的组成............................................................................................................... 5 2 系统的电路原理图................................................................................................... 6 3 直流双闭环调速系统调节器设计........................................................................... 6 3.1 获得系统设计对象........................................................................................ 8 3.2 电流调节器的设计........................................................................................ 6 3.3 转速调节器的设计...................................................................................... 11 四、系统起动过程分析.................................................................................................... 16