带转速微分负反馈直流双闭环调试系统设计样本Word格式.docx

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评语:

摘要

电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换,运动控制系统的任务是经过控制电动机电压、电流、频率等输入量,来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量,使各种工作机械按人们期望的要求运行,以满足生产工艺及其它应用的需要。

直流电动机具有良好的启动、制动性能,宜于在宽范围内平滑调速,在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

单闭环系统用PI调节器实现转速稳态无静差,消除负载转矩干扰对转速稳态的影响。

但单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。

因此常采用双闭环系统,因为电流调节器是内环,因此首先设计电流调节器,对其进行必要的变化和近似处理,电流环设计完后,把电流环等效成转速环的一个环节进行处理,从而设计转速调节器。

再根据设计要求设计转速微分负反馈,使系统的转速无超调。

同时双闭环直流调速系统的设计进行了分析及其原理进行了一些说明,介绍了其主电路、检测电路的设计,并介绍电流调节器和转速调节器的设计和一些参数选择、计算,使其设计参数要求的指标。

关键词:

双闭环系统电流调节器转速环转速微分负反馈

1概述

闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。

而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设计两个调节器,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流,二者之间实行嵌套连接。

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;

转速环在外边,称作外环。

这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。

为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器,但由于当转速调节器采用PI调节器时,转速必然有超调,该控制系统中要求转速超调为0,因此需引入转速微分负反馈来抑制消除超调。

2设计要求与方案

2.1设计要求

1.稳态指标无静差,且动态指标的电流超调量σi≤5%;

采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。

2.确定设计方案。

3.按照确定的方案设计单元电路。

要求画出单元电路图,元件及元件参数选择要有依据,各单元电路的设计要有详细论述。

2.2设计方案

根据设计要求确定该系统的设计方案。

串级控制系统与单回路控制系统相比具有单回路控制系统的全部优点,同时有单回路控制系统没有的优点,如提高了被控对象的等效时间常数;

提高了系统的工作频率;

对负载的变化具有一定的自适应能力等。

而且该系统有两个控制参数即被控制量,一个是电流,一个是转速。

由于系统希望最终能获得很好的转速,因此主变量应为转速,即将转速环设置为外环;

同时电流环就成为了内环。

经过转速调节器和电流调节器控制系统的转速的变换,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。

同时转速调节器和电流调节器使用PI调节器,从而获得更好地静态和动态性能。

但由于当转速调节器采用PI调节器时,转速必然有超调,该控制系统中要求转速超调为0,因此需引入其它控制方式来抑制消除超调,能够采用转速微分负反馈。

从而形成带转速微分负反馈直流双闭环调速系统设计。

该系统的设计依然采用直流双闭环调速系统设计,只是在最后单独设计转速微分负反馈。

系统组成有电流调节器,转速调节器,电流变换器（检测电流值）,整流电路,转速测量等。

系统整流装置采用三相桥式整流,同时注意系统的过电保护。

直流双闭环调速系统原理图如图2.2.1。

直流双闭环调速系统动态结构图如图2.2.2所示。

图2.2.1双闭环直流调速系统原理图

ASR——转速ACR——电流调节器TG——测速发电机

TA——电流互感器UPE——电力电子变换器——转速给定电压

——转速反馈电压——电流给定电压——电流反馈电压

图2.2.2双闭环调速系统的动态结构图

3系统电路的设计

3.1转速给定电路的设计

转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号,滤除交流分量,为系统提供满足要求的转速反馈信号。

转速检测电路主要由测速发电机组成,将测速发电机与直流电动机同轴连接,测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号,经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。

转速给定电路设计图如图3.1所示。

图3.1转速给定电路图

3.2系统主电路的设计

主电路采用晶闸管三相全控整流,整流变压器将公共电网的交流电压变换成整流桥可用的电源电压,而整流晶闸管组构成三相全控桥,将交流电变换成直流电,从而作为直流电动机的电源电压。

直接整流得到的电流和电压往往有较大的脉动,若直接作为直流电动机的电源电压,将会引起电机振动及噪声。

为此,需要在主电路的直流侧加入平波电抗器和RC滤波电路,从而减小整流器输出电流脉动以及输出电压脉动。

系统主电路图如图3.2所示。

图3.2系统主电路图

主电路中包含了系统的过电保护电路的设计。

晶闸管的过电流保护,如图3.2,经过快速熔断器进行保护。

晶闸管的过电压保护是经过并联RC电路。

因直流侧的电压也会出现过电压,因此也需要经过RC电路来保护过电压对电路的影响。

3.3转速检测电路的设计

转速检测电路主要由测速发电机组成,将测速发电机与直流电动机同轴连接,测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号,经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统,其原理图如图3.3所示。

图3.3转速检测电路图

3.4电流检测电路的设计

电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号,经过滤波整流后,用于控制系统中。

该电路主要由电流互感器构成,将电流互感器接于主电路中,在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号,起到电气隔离的作用,其电路原理图如图3.4所示。

图3.4电流检测电路图

3.5触发电路的设计

由于设计中采用三相全控桥式整流电路,因此需要设计移向触发电路。

采用K04可控硅移向触发器,K04输出两路相位差180度的移相脉冲,可方便地构成全控桥式触发电路。

该电路具有输出负载能力大,移相性能好,正负半周相位值均衡性好,移相范围宽,对同步电压要求小。

K04电路内部原理图如图3.5所示。

图3.5K04电路内部原理图

C1接在T5的基极,组成密勒积分器,形成线性增大的锯齿波,锯齿波的斜率由”3”端外接的电阻和积分电容C1的数值所决定。

T6是比较放大级,锯齿波、外部的移相电压及偏移电压在T6的基极进行综合比较放大,当输入T6基极的电流大于零时,T6导通,外接的R和C将T6集电极的脉冲进行微分,输入T7基极,在T7集电极得到一定宽度的移相脉冲。

在T7集电极上得到的脉冲是正负半周都有的相隔180度的脉冲。

经过T8和T12分别截去副半周和正半周的脉冲,得到正向和负向的触发脉冲。

T9~T15是功放极,分别对正、负半周的脉冲作功率放大,使两个输出端都有100mA的输出能力。

13、14端提供脉冲列调制和脉冲封锁的控制端。

其中脉冲列调制和脉冲封锁是由KC41和KC42两种器件组成,经过它们的作用后,1和15端输出的脉冲触发序列可直接接与整流电路,使整流电路移相触发。

3.6电流调节器电路的设计

电流调节器作为内环的调节器,在转速外环的调节过程中,它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

对电网电压的波动起及时的抵抗作用。

在转速动态过程中,保证获得电动机的最大电流,从而加快动态过程。

当电动机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,起快速的自动保护作用。

一旦故障消失,系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是非常重要的。

因此电流调节器电路的设计至关重要。

由于反馈信号检测中常含有谐波和其它扰动量,因此需加低通滤波,但由于低通滤波的引入,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等同时间常数的惯性环节,称作给定滤波环节。

因此电流调节器应设计为含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器。

设计电路图如图3.3所示。

图3.3含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器电路原理图

图中为电流给定电压,为电流负反馈电压,为调节器的输出即电力电子变换器的控制电压。

根据运算放大器的电路原理,可推导出,,。

3.7转速调节器电路的设计

转速调节器作为外环,是调速系统的主导调节器,它使转速n很快的跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差,如果采用PI调节器,则可实现无静差。

对负载的变化起抵抗作用。

其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

因此转速调节器电路的设计也至关重要。

同电流调节器原理,转速调节器给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器。

设计电路图如图3.7所示。

图3.7含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器电路原理图

根据运算放大器的电路原理,可推导出,,。

3.8转速微分负反馈电路的设计

由于转速有超调,因此需要引入转速微分负反馈。

转速微分负反馈设计电路图如图3.8所示

图3.8含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速微分负反馈电路原理图

图中为微分电容,为滤波电阻

其中为要求允许的超调量。

4系统参数的整定

4.1电流调节器参数的整定

4.1.1电流调节器的简化与选型

为了解决反电动势与电流反馈的作用的相互交叉,简化设计过程,我们将系统的作用过程做一定的简化处理。

首先我们能够得到,对电流环来说,反电动势是一个变化缓慢的扰动,因此,在电流的瞬变过程中,能够认为反电动势基本不变,即有。

这样,在按动态性能设计电流环时,我们能够暂且把反电动势的作用去掉,得到电流环的近似结构框图,如图4.1.1所示。

条件是。

图4.1.1忽略反电动势影响的电流环动态结构图

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内,同时把给定信号改成,则电流环变等效成单位负反馈。

如图4.1.2所示。

图4.1.2等效成单位负反馈的电流环动态结构图

由于和一般都比小得多,能够当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节,其时间常数为

则电流环结构框图最终简化成图4.1.3所示。

简化的近似条件为。

图4.1.2小惯性环节近似忽略后的电流环动态结构图

从稳态要求上看,希望电流无静差,以得到理想的堵转特性,从小惯性环节近似忽略后的电流环动态结构图能够看出,采用I型系统就够了。

从动态要求上看,实际系统不希望电枢电流在突加控制作用时有太大的超调,以保证电流在动态过程中不超过允许值,而对电网电压波动的及时抵抗作用只是次要的因素,为此电流环应以跟随性能为主,即应选用典型I型系统。

传递函数:

=

4.1.2电流调节器参数的计算

（1）整流装置滞后时间常数,三相桥式电路的平均失控时间:

=0.0017s

（2）电流滤波时间常数:

=0.002s

（3）电流环小时间常数之和。

按小时间常数近似处理,取为:

=+=0.0037s

（4