某磨床直流双闭环有环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计为某钻床设计一个调速范围宽起制动性能好.docx
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某磨床直流双闭环有环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计为某钻床设计一个调速范围宽起制动性能好
第一章设计任务分析1
1.1课题的内容与要求1.
1.2系统概述1..
第二章主电路分析和双闭环调速系统的组成2
2.1主电路分析2.
2.2双闭环调速系统的组成2.
第三章系统校正与参数整定4
3.1经典的动态校正方法设计4.
3.2速度调节器参数计算4.
第四章电流、转速调节器的设计4
4.1电流调节器4..
4.1.1电流调节器原理图.5.
4.1.2电流调节器参数选择5.
4.2转速调节器.7..
4.2.1转速调节器原理图7.
4.2.2转速调节器参数选择7.
第五章设计总结10
参考文献11
第一章设计任务分析
1.1课题的内容与要求
设计题目：
某磨床直流双闭环有环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计为某钻床设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环调速系统，且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。
已知系统中直流电动机主要数据如下：
直流电动机：
2KVy220V,136A,1460r/min,Ce=0.132,允许过载倍数入=1.5;
晶闸管装置放大系数：
Ks=40;
电枢回路总电阻：
R=0.5;
时间常数：
Tl=0.03,Tm=0.18;
电流反馈系数：
B=0.05V/A（〜10V/1.5In）;
转速反馈系数：
a=0.007min/r（〜10V/nn））
设计要求：
设计电流调节器，要求电流超调量ci%<5%,要求转速无静差，空载起运到额定转速时的转速超调量cn%c10%按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。
1.2系统概述
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
转速、电流调速系统可以实现在允许条件下的最快起动，可以再保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。
这就是逻辑控制的无环流系统。
它的特点是：
用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。
在实际生产中，有许多机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地启动和制动，逻辑无环流直流调速系统设计即可较好地实现这些功能，并具有较好的动态性能和能量利用率。
因此，我们选择这样的系统不仅可节省成本，而且增强了系统的可靠性。
第二章主电路分析和双闭环调速系统的组成
2.1主电路分析
用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。
主电路采用两组晶闸管装置交叉连接，由于没有环流，不用再设置环流电抗器。
但为了保证稳定运行时电流波形连续，仍应保留平波电抗器。
控制线路采用典型的转速，电流双死循环系统。
图2-1:
逻辑无环流调速系统原理图
逻辑无环流调速系统的主回路由两组反并联的三相全控整流桥VF、VR组
成，两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电抗器，电枢回路仅串联一个平
波电抗器。
控制系统主要由给定器G,零速封锁起DZS,转速调节器ASR，电流调节器，反号器AR，转矩极性辨别器DPT，零电流检测器DPZ,无环流逻辑控制器DLC,，触发器GT，电流变换器FBC，过流保护器FA，速度变换器FBS，正、反组脉冲放大器API、AP2等组成。
其系统原理图如图2-1所示。
2.2双闭环调速系统的组成
直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器（ASR）、电流调节器（ACR）、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成。
由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
如图2-2所示：
图2-2:
直流双闭环调速系统
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米用PI调节
器。
这样构成的双闭环直流调速系统。
图2-3:
双闭环调速系统的实际动态结构框图
双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-3所示，它增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。
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
递函数可用一阶惯性环节来表示，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。
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。
按照多环控制系统设计的一般原则，先内环后外环，从内环开始，逐步向外扩展。
在双闭环控制系统中，应首先设计电流调节器（ACR），然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器（ASR），即分别引入
转速负反馈和电流负反馈。
两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR
的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。
第三章系统校正与参数整定
3.1经典的动态校正方法设计
用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、快、准、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要有扎实的理论基础和丰富的实践经验，不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法，即工程设计方法，步骤如下：
（1）选择调节器结构，使系统典型化并满足稳定和稳态精度。
（2）设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。
自动控制理论已经证明，0型系统稳状态精度低，而川型和川型以上的系统很难稳定。
因此，为了保证稳定性和良好的稳定精度，多选择将系统校正为I型和U型系统。
3.2速度调节器参数计算
般速度环节校正为典"系统，要求系统无静差时为PI调节器，则其时间常数和开环增益应为：
选择转速调节器的参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASM超前时间常数为
nhT5*0.0174s0.087s
nn
h1622
Kn2221/s396.41/s
2hTn2*25*0.0174
转速开环增益：
n
于是，ASR勺比例系数为:
第四章电流、转速调节器的设计
4.1电流调节器
电流环的动态结构框图，如图3-1
图4-1:
电流环的动态结构框图
4.1.1电流调节器原理图
图4-2:
电流调节器原理图
含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图3-2所示。
图
中Ui*为电流给定电压，-Id为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压U
4.1.2电流调节器参数选择
1•确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数Ts,即三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017so
（2）电流滤波时间常数T°i=0.002s。
（3）电流环小时间常数之和Ti，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。
2•选择电流调节器结构
根据设计要求i<5%并保证稳态无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数：
Wacr（S）=K^
iS
检查对电源电压的抗扰性能:
Trli0Zs&11，参照典型1型系统动态
抗扰性能指标与参数，各项指标都是可以接受的
3
•计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
iTl=0.03so
电流环开环增益：
要求i<5%寸，应取KITi=0.5，因此
于是，ASR的比例系数为
Ki31351°.°3O'51.013
Ks400.05
4.校验近似条件
电流环截止频率：
ciKI135.1s1
（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件
3Ts
196.1s
满足近似条件。
（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
40.82s
满足近似条件。
（3）电流环小时间常数近似处理条件
11
3\TsToi
•1
0.0017s0.002s
180.8s
ci
满足近似条件。
5•计算调节器电阻和电容
由图3-2,按所用运算放大器取Ro40k，各电阻和电容值为
RiKiR01.01340k40.52k，取40k
Ci-0^3tF0.75106F0.75F，取0.75F
Ri40103
Coi也-002F0.2106F0.2F，取0.2FR。
4010
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%5%,满足设计
要求。
4.2转速调节器
转速环的动态结构框图，如图3-3
图4-3：
转速环的动态结构框图
4.2.1转速调节器原理图
给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图3-4所示，图中Un*为转速给定电压，-n为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压
*
Ui。
4.2.2转速调节器参数选择
1.确定时间常数
（1）
电流环等效时间常数：
说2Ti
0.0037S0.0074s
on
2.选择转速调节器结构
根据设计要求，选择PI型调节器，其传递函数:
3.计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取
h=5,则ASR的超前时间常数为
转速环开环增益:
可得ASR的比例系数为:
4.校验近似条件
（1）电流环传递函数简化条件为
涓脣63.7s1cn
满足简化条件。
（2）转速环小时间常数近似处理条件为
1Ki\135\138.7s1cn
3'Ton3\0.01
满足近似条件。
5•计算调节器电阻和电容
由图3-4,取Ro40k，贝U
RnKnR011.740k468k，取470k
Cn
CnRn
0.0873F0.185106F0.185F，取0.2F
47010
Con
4Ton40.01F1106F1F,取1FR04010
6.校核转速超调量
能满足设计要求
第五章设计总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现,提出,分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
开始先认真审题，考虑设计系统的要求及条件，复习有关课程内容，如《电力拖动自动控制系统》、《电力电子技术》、《电机与拖动》、《交流调速系统》等，之后多方收集相关资料并截选，再与同学交流。
近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成
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