运动控制系统课程设计

运动控制系统课程设计说明书

设计题目不可逆V-M双闭环直流调速系统设计

学生姓名：

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指导教师：

华北理工大学电气工程学院

2016年12月18日

目录

一、任务书 (2)

二、概述 (3)

三、工作原理 (4)

1．电流调节器ACR原理（图c） (5)

2．转速调节器ASR原理（图d） (6)

3．直流电动机 (6)

4.平波电抗器 (8)

5.同步脉冲触发器 (8)

6．测速发电机 (8)

７.锯齿波触发电路 (9)

1．整流变压器容量的计算 (9)

２．晶闸管关断过电压阻容保护 (11)

３．过流时调节器保护 (11)

4．保护装置的选择 (12)

五、动态设计 (12)

１．电流调节器的设计 (13)

（１）．确定时间常数 (14)

（２）．选择电流调节器结构 (14)

（３）．计算电流调节器参数 (14)

（４）．校验近似条件 (15)

（５）．计算调节器电阻和电容 (15)

２．转速调节器 (16)

（１）．确定时间常数 (16)

（２）．选择转速调节器结构 (16)

（３）．计算转速调节器参数 (16)

（４）．检验近似条件 (17)

（５）．计算调节器电阻和电容 (17)

（６）．校核转速超调量 (17)

六、总结 (18)

七、附录： (18)

八、参考文献 (19)

一、任务书

二、概述

我们设计的是电枢调压、磁场不可逆直流调速系统。电枢回路采用晶闸管三相全

控桥式整流调压电路，速度调节器采用比例-积分（PI ）结构以实现转速稳态无静差，电流超调量 5%，转速超调量 10%（按退饱和方式计算）等指标，采用电流截止负反馈以限制动态过程的冲击电流，从而使不可逆V －M 双闭环直流调速系统的设计变得更简单。

图 a 、转速、电流双闭环直流调速系统结构图 ASR —转速调节器 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

三、工作原理

由于调速系统的主要被调量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环（主环），以保证电动机的转速准确地跟随给定值，并抵抗外来的干扰；把由电流负反馈组成的环作为内环（副环），以保证动态电流为最大值并保持不变，使电动机快速地起动、制动，同时还能起限流作用，并可以对电网电压波动起及时抗扰作用。电动机转速由给定电压*

n U 来确定，转速调节器ASR 的输入n U ?偏差电

压为n n n U U U -=?*

，转速调节器ASR 的输出电压*

i U 作为电流调节器ACR

的给定信号（ASR 的输出电压的限幅值*

im U 决定了ACR 给定信号的最大值）；电流调节器ACR 的输入偏差电压i im i U U U -=?*

，电流调节器ACR 的输出电压

c U 作为触发电路的控制电压（ACR 输出电压的限幅值cm U 决定了晶闸管整流电压的最大值dm U ）；c U 控制着触发延迟角，使电动机在期望转速下运转。

第一阶段（1~0t ）是电流上升阶段。。 第二阶段（21~t t ）是恒流升速阶段。 第三阶段（2t 以后）是转速调节阶段。

图 b.双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

1．电流调节器ACR 原理（图c ）

当转速调节器起主导作用时，ACR 力图使d I 尽快地跟随给定值*

i U ，是一个电流随动系统。

图c、PI型电流调节器原理图

2．转速调节器ASR原理（图d）

U，电动机当输入偏差减小到零时，其输出由于积分作用还维持在限幅值*

im

仍加速，转速超调。

图d、PI型转速调节器原理图

3．直流电动机

在电动运行时，转速稍低，Ea﹤U,电流方向由电网顺电压U方向流向电机。（1）．他励直流电动机的等效电路图

（2）．额定励磁下直流电动机动态结构图

在零初始条件下，去等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数，

1

1

)()()

(+=-s T R s I s U s I l dL do d 电流与电动势的传递函数

s

T R

s I s I s E m dL d =

-)()()( （3）．整个电动机的动态结构图

当0

=

I dl 时，结构图化简为

当0

≠

I dl 时，结构图化简为

4.平波电抗器

再V-M系统中，脉动的电流会增加电机的发热，同时也增加脉动转矩，对机械产生不利。为了避免或减轻这种影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要是：

⑴增加整流电路相数，或采用多重化技术。

⑵设置平波电抗器

本次试验中采用设置平波电抗器的方式。平波电抗器的电感一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流Idmin，再利用他计算所的总电感，减去电枢电感，即的平波电抗应有的电感值。对于三相桥式整流电路，L=0．693U2/Idmin Idmin一般为电动额定电流的5%到10%

经计算可的平波电抗器的电感值为5e-3(5×0.001)

5.同步脉冲触发器

为了保证整流装置能启动，或在电流断续后再导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，本次是设计中采用加宽脉冲的方式，使每个脉冲的宽度大于60°，取脉冲的宽度为90°。脉冲的移项范围在大电感负载时为0°～90°由公式Ud=1.35U2lCOSa得，a=45°

6．测速发电机

测速发电机原理图

测速发电机的传递函数为α

W

(s

=

)

７.锯齿波触发电路

双闭环直流调速系统采用的是锯齿波触发电路.

四、参数计算

KW P N 40= V U N 440= A I N 104= 2=λ 1．整流变压器容量的计算

（1）．整流变压器二次测电压有效值的确定 要比较精确地计算二次相电压必考虑以下因素：

a ）．最小控制角min α。对于要求直流输出电压保持恒定或要求电转速恒定的整流装置,α需能自动调节进行补偿,这就要求变压器二次电压留有一定的调节裕量,min α不能以0°计算。一般可逆传动系统的min α取30°—35°,不可逆传动系统的min α取10°—15°,对于电阻性负载, min α可取0°

b)．电网电压波动。根据规定电网允许波动+5%-(-10%),考虑在电网电压最底时要求仍能保证最大整流输出电压,故通常取波动系数9.0=β c).变压器漏抗产生的换相压降：

d e

dl d l r I I U U m I X m U 2222φ

βππ== ○

1 d)．晶闸管或整流二极管正向导通压降 U ?

考虑了以上因素以后,变压器二次电压的计算公式为

?

?????

-?+=

n dl d I I CU A U n U U 22min max 2cos αβφ ○2

式中 A--------------理想情况 0

=α°整流电压与二次电压之比

C--------------线路接线方式系数

U dl --------变压器短路电压比,100KVA 以下取U dl =0.05,容量越大, U dl 也越大(最大为0.1)

n

I I 22

-------变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比(过载倍数)

为了简化计算，可用理想情况时的电压计算值增加15%来计算。

所以 34

.2)15.01(2d

U U +=φ ○3 34

.2440

)15.01(?

+= =216.24（V ） （２）．额定电压

TN U =(2～3)m U ○4

m U =62U ○5 m U =6?216.24=529.68(V)

TN U =(2～3)m U = (2～3)?529.68=1059.36~1589.04(V)

TN U 取1500V

（３）．额定电流 T I =(1.5～2)d I K fb 三相桥式电路 fb K =0.367

N d I I λ==2?104=208(A) ○

6 d fb T I K I )2~5.1(= =(1.5~2)?0.367?208

=(1.5~2)?76.34

=114.51~152.68(A)

T I /取150A

（4）．整流变压器容量

)(208104

2A I I N d =?=?=λ A I I I I d d d 73.169208816.03

2

32)(3221222=?==??

????-+=

πππ

○7 KVA VA I U S 11025.11010773.16924.2163322==??==φ ○8

２．晶闸管关断过电压阻容保护

计算公式 F I C T μ310)4~2(-?=

Ω=30~10R

F I C T μ310)4~2(-?= =F μ310150)4~2(-??

F μ)6.0~3.0(=

取F μ5.0 Ω=20R

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。在本设计中采用的是三相全控桥整流电路的集成触发电路，由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大。

晶闸管关断过电压及其保护（如）：即使和元件串联的线路电感L L 很小，产生的电感电动势也很大，这个电动势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元件上，可能导致晶闸管反向击穿。数值可达工作电压峰值的5～6倍，所以必须采取措施。最常用的方法是在电容电路中串接电阻R ，这种电路称为过电压阻容吸收电路。

３．过流时调节器保护

系统中接入电流截止负反馈环节，当电流大于临界截止电流时，将电流反馈信号加到放大器的输入端，保持电流基本不变；当电流小于临界截止电流时，将电流反馈切断，电流自由随负载增减。

4．保护装置的选择

在本设计中的保护装置：变压器起变

换电压和隔离的作用；R1、R2、R3、C1、

C2、C3的连接方式组成RC过电压抑制

电路（一般供电网侧称为网侧，电力电子

电路侧的称为阀侧）；在电路中由于器件

动态参数和特性的差异会造成不均压的问

题（称为动态不均压问题），为达到动态均

压，首先应选择动态参数和特性一致的图1-10 过电压、电流保护电路器件，还可用RC并联支路作为动态均压，电容C和电阻R串联后，并联在隔离变压器二次回路中，当回路中产生过电压时，由于电容C上的电压不能突变，延续了过电压的上升速度，同时短掉了一部分高次谐波电压分量，使硅元件上出现的过电压不会在短时间内增至很大。串联电阻R是限制电容器充放电电流和防止回路中产生电容电感振荡的。本电路中R1-R3，C1-C3就作为一RC并联支路进行动态均压。；BX5为快速熔断器用以保护线路在不正常运行或发生故障时产生的过电流，一般熔丝熔断时间较长，不能起到保护作用。

五、动态设计

双闭环直流调速系统动态结构图：

图c、双闭环直流调速系统的动态结构图

１．电流调节器的设计

首先考虑应把电路环校正成哪一类典型系统，从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I 型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许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抗绕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。

电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I 型系统，显然应采用PI 型的电流调节器，它的传递函数为

S

S K S W i i i ACR ττ)

1()(+=

i K --------电流调节器的比例系数；

i τ---------电流调节器的超前时间常数

电磁时间常数l T 为

s R L T l 01875.08

.010153

=?==- ○9

A m N n R I U C N d N e /.398.01000

4

.0104440=?-=-=

○10

A m N C C e m /.803.3398.030

30

=?=

=

π

π

○11

机电时间常数m T 为

s C C R GD T m e m 1092.0803

.3398.03758

.05.773752=???== ○12

转速环反馈系数为

r V n U m n min/.01.01000

10

max *

===α ○13 电流环反馈系数为

A V I U dm im /0385.0104

28

*

=?==β ○14

设计要求：设计电流调节器,要求电流超调量%5≤i σ （１）．确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数s T 。按表1，三相桥式电路的平均失控时间

s gf T s 0017.050

621

21=??==

。 ○

15

表1

2）电流滤波时间常数oi T 。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有（1~2）oi T =3.3ms ，因此取s ms T oi 002.02==。

3）电流环小时间常数之和i T ∑。按小时间常数近似处理，取

s T T T oi s i 0037.0002.00017.0=+=+=∑。

（２）．选择电流调节器结构

根据设计要求%5≤i σ ，并保证稳态电流无差，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，其传递函数为()()s

k s W i i i ACR ττ1+=

。

检查对电源电压的抗扰性能：

07.50037

.001875

.0==∑i l T T ，对照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，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：s T l i 01875

.0==τ。 电流环开环增益：要求%5≤i σ时，按表2，应取5.0=∑i I K K ，因此

11.1350037

.05

.05.0-∑===

s T K i I 75.578

440

05.105.1=?===

cm N cm do s U U U U K ○16 于是，ACR 的比例系数为911.00385

.075.578

.001875.01.135=???==βτs i I i K R K K ○17

（４）．校验近似条件

电流环截止频率：11.135-==s K I ci ω

1）晶闸管整流装置转递函数的近似条件

ci s s T ω>=?=-11.1960017

.031

31 ○18 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 ci l

m s T T ω<=??

=-13.6601875

.01092.01

31

3

○

19 满足近似条件。

3）电流环小时间常数近似处理条件

ci oi s s T T ω>=?=

-18.180002

.00017.01

3

1

13

1○

20 满足近似条件。

（５）．计算调节器电阻和电容 取Ω=K R 400，各电阻和电容值为

Ω=Ω?==K K R K R i i 44.3640911.00 ， 取ΩK 40

F Ri

i

Ci μτ63

1046.010

4001875

.0-?=?=

=

， 取F μ5.0 F R T C oi oi μ2.010

40002

.0443

0=??==

，取F μ2.0 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4<=i σ，满足设

计要求

２．转速调节器 （１）．确定时间常数

1）电流环等效时间常数1/I K ，由上可知，取5.0=∑i I K K ，则

s T K i I

0074.00037.0221

=?==∑ ○21 2）转速滤波时间常数on T 。根据所用测速发电机纹波情况，取s T on 01.0=。 3）转速环小时间常数n T ∑。按小时间常数近似处理，取 s T K T on I

n 0174.001.00074.01

=+=+=

∑ ○22 （２）．选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI 调节器，其转递函数为

()()s

k s W n n n A SR

ττ1+=

（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=3，则ASR 的超前时间常数为 s T n n 052.00174.033=?==∑τ ○23

由式22

21n

N

T h h K ∑+=可求得转速环开环增益

2

222

0.7340174.032421-∑=??=+=

s T h h K n

N ○24 于是，由式()n

e n RT h Tm C h K ∑+=

αβ21可得ASR 的比例系数为

()0

.80174

.08.001.0321092.0398.00385.0421=???????=+=

∑n

e n RT h Tm C h K αβ ○25

（４）．检验近似条件

由式c K ωω1=得转速环截止频率为 11

2.38052.00.734-=?===

n N N

cn K K τωω ○26

1）电流环传递函数简化条件为

cn i I s T K ω>==-∑17.630037

.01

.1353

1

3

1

○27

满足近似条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为

cn on I s T K ω>==-17.3801

.01

.1353

1

3

1 ○

28 满足近似条件。

（５）．计算调节器电阻和电容 取Ω=K R 400，则

Ω=Ω?==K K R K R n n 320400.80，取ΩK 320 F R C n

n

n μτ16.010

320052

.03

=?=

=

，取F μ2.0 F R T C on on μ110

4001

.0443

0=??==

，取F μ1 （６）．校核转速超调量

理想空载起动时0=z ,2=λ，Ω=8.0R ，A I N 104=，r V C e min .398.0=，

min

1000r

n N =，s T m 1092.0=，s T n 0174.0=∑。

当h=3时，%2.72/max =?b C C ，代入下式，得

%10%6.91092

.00174

.01000398.08

.01042722.02)

)((

2*

max

<=?????=?-?=∑m

n

N b

T T n n z C C n λσ

，满足设计要求。

六、总结

这次的课程设计不仅涵盖了直流调速系统的原理，还用到了许多电力电子技

术的知识。最难的一块算是整流电路的双窄脉冲触发电路，在做的过程中明白了同步的概念和意义，对于同步电压为正弦波的触发电路和同步电压为锯齿波的触发电路的原理和优缺点有了更深层次的了解。在设计双闭环系统时，对于转速环和电流环配合工作做到快速调节转速并基本实现无静差的原理有了进一步的认识：不可逆V-M 双闭环直流调速系统具有良好的静、动态性能。在设计PI 调节器的同时，巩固了自动控制原理的知识并很好地应用于调速系统的动态性能分析，累积了不少对于调节器工程设计法的经验。

虽然查阅大量资料的过程很辛苦，但是明白了各部分模块的工作原理之后还是很有成就感的。通过这次课程设计，使我了解到了双闭环直流调速系统的优越性，并且在做这门交叉学科课设的同时巩固了许多以往淡忘了的知识！

七、附录：

○

1-○5公式出自莫正康《半导体变流技术》 ○

6公式出自陈伯时《电力拖动自动控制系统》 ○

7、○8公式出自莫正康《半导体变流技术》 ○

9-○15公式出自陈伯时《电力拖动自动控制系统》 ○

16公式出自李正熙、白晶《电力拖动自动控制系统》 ○

17~○29公式出自陈伯时《电力拖动自动控制系统》 ○

29

八、参考文献

1. 陈伯时，自动控制系统北京：机械工业出版社．1981

2. 陈伯时，电力拖动自动控制系统(第2版)北京：机械工业出版社．1992

3. 陈伯时，电力拖动自动控制系统－运动控制系统（第3版）北京：机械工

业出版社．2003

4. 王兆安，电力电子技术北京：机械工业出版社．2000

5. 黄俊，半导体变流技术北京：机械工业出版社．2000

6. 电气传动自动化技术手册北京：机械工业出版社．1992

7. 电机控制专用集成电路与应用北京：机械工业出版社．

8. 莫正康，半导体变流技术（第2版）北京：机械工业出版社．2000

9.李正熙、白晶，电力拖动自动控制系统（第2版）冶金工业出版社