电力拖动运动控制系统课程设计.doc

1 课程设计报告课程设计报告 题 目 V M 双闭环直流调速系统 学生学院 自动化学院 专业班级 07 自动化 4 班 学 号 3107000975 学生姓名 龙达鑫 指导教师 谢莉萍 2011 年 4 月 12 日 2 目录目录 目录目录 2 1 概述概述 3 2 设计任务和要求 设计任务和要求 4 2 1 任务和要求 4 2 1 1任务 4 2 1 2 要求 4 2 2 设计思路 4 2 2 1 4 2 2 2 4 2 2 3 4 3 系统电路结构设计系统电路结构设计 5 3 1 方案论证 5 3 2 主电路和控制电路设计 6 3 2 1 主电路设计 6 3 2 2 给定电压设计电路 7 3 2 3 他励直流电动机励磁回路设计 7 3 2 4 控制电路设计 8 4 系统设计 系统设计 11 4 1 电流调节器 ACR 设计 11 4 1 1 确定时间常数 11 4 1 2 选择电流调节器结构 11 4 1 3 计算电流调节器参数 12 4 1 4 校验近似条件 12 4 1 5计算调节器电阻和电容 12 4 2 速度调节器 ASR 设计 13 5 系统仿真 系统仿真 15 5 1 用 MATLAB 进行仿真 15 5 2 仿真结果 16 6 总结 总结 18 7 参考文献 参考文献 18 附录 附录 18 3 1 概述概述 直流电动机拖动控制系统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 这主要由于直流电机具有良好的起 制动性能 宜于在大范围内平滑调速 并且直流拖动控制系 统在理论上和实践上都比较成熟 从控制的角度来看 它又是交流拖动控制系统的基础 由于要对电机进行稳定的转速控制 双闭环直流调速系统是现今在工业生产中应用最广泛的 调速装置 该装置转速控制稳定 抗干扰能力强 但由于直流系统的本身缺陷 为得到较大的调 速范围 自动控制的直流调速系统往往采用变压调速为主 而在变压整流装置中应用最广的是三 相全控桥式整流 这是用于三相全控桥式整流器输出直流电流的谐波小 脉动电流小 电流连续 性好 往往只需要平波电抗器就可以输出稳定直流 可保证电机稳定运行不会有较大的脉动转矩 不仅保证了拖动系统的稳定性同时对直流电机的损耗也小 本设计根据题目要求设计双闭环直流调速系统 采用三相全控桥整流电路 利用工程设计方 法对转速调节器和电流调节器进行设计 以达到题目设计的要求 并且绘制整个调速系统的电路 原理图 详细的分析各个模块的功能与应用 最后建立动态数学模型并用 MATLAB 对其仿真 使仿真结果达到设计要求 4 2 设计任务和要求 设计任务和要求 2 1 任务和要求 任务和要求 2 1 1 任务任务 试设计一双闭环 V M 直流调速系统 采用三相桥式全控整流电路 二次相电压 有效值 已知他励直流 电动机参数为 VU110 2 10kW 220V 53 3A 1500r min 主回路总电阻等于 电枢 nom p nom U nom I nom n 绕组电阻 即 0 3 电枢回路电磁时间常数 系统机电时间 R a R sTL03 0 常数 系统飞轮力矩 转速和电流给定电压最大值分别sTm18 0 22 5 5MNGD 为 10 VUnm VUim8 2 1 2 要求要求 按工程设计方法设计 要求调速系统的电流超调量 空载起动到 5 额定转速时的转速超调量 其过渡过程时间 堵转电流 10 sts5 0 2 0 稳态无静差 dbl I nom I 2 2 设计思路设计思路 2 2 1 设计一个不可逆 V M 双闭环直流调速系统 进行系统总体结构设计 2 2 2 用工程设计方法进行设计 决定 ASR 和 ACR 结构并选择参数 2 2 3 设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及 建立系统动态数学模 型 写出设计过程 5 3 系统电路结构设计系统电路结构设计 3 1 方案论证方案论证 双闭环直流调速系统控制原理图如图 1 所示速度调节器根据转速给定电压和速度反馈电 n U 压的偏差进行调节 其输出是电流的给定电压 对于直流电动机来说 控制电枢电流就 n U i U 是控制电磁转矩 相应的可以调速 电流调节器根据电流给定电压和电流反馈电压的偏 i U i U 差进行调节 其输出是功率变换器件 三相全控整流装置 的移向触发脉冲控制信号 通过 c U 控制电压进而调节整流装置的输出 即电机的电枢电压 也就是理想空载平均输出电压 c U d U 因为电动机机械惯性大于电磁惯性 电压的调节可以认为是瞬时完成 而速度的变化需要过渡时 间 因此电动机转速不能突变 电枢电压改变后 电枢电流跟着发生变化 由他励直流电动机转 矩特性知 相应的电磁转矩也跟着变化 由 只要与不相等那么 eea TCI el dn TTJ dt e T l T 转速 n 会相应的变化 电机将加速或者减速 整个过程到电枢电流产生的转矩即电磁转矩与负载 转矩达到平衡 n 不变后 达到稳定 图 1 系统电气原理框图 6 图 2 双闭环直流调速系统控制原理图 在双闭环直流调速系统中 转速和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来 解决 如果采用单闭环中的伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环调速系统这样每次都需要 先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性 在根据性能指标确定校正后系统的预期特性 经过 反复调试才能确定调节器的特性 从而选定其结构并计算参数 但是这样计算会比较麻烦 所以 本设计采用工程设计方法 先确定调节器的结构 以确保系统稳定 同时满足所需的稳态精度 再选择调节器的参数 以满足动态性能指标的要求 这样做 就把稳 准 快和抗干扰之间相互 交叉的矛盾问题分成两步来解决 第一步先解决主要矛盾 即动态稳定性和静态稳定精度 然后 再进一步满足其他动态性能指标 按照 先内环后外环 的一般系统设计原则 从内环开始 逐步向外扩展 3 2 主电路和控制电路设计主电路和控制电路设计 3 2 1 主电路设计 主电路设计 主电路采用转速 电流双闭环调速系统 使电流环 ACR 作为控制系统的内环 转速环 ASR 作为控制系统的外环 以此来提高系统的动态和静态性能 二者串级连接 即把转速调节器的输 出作为电流调节器的输入 再用电流调节器的输出去控制电力电子变换装置 UPE 从而改变电机 的转速 通过电流和转速反馈电路来实现电动机转速无静差的运行 主电路为一个三相桥式全控六脉动整流电路 在二次侧再接入一个电流互感器以便检测直流 电机的电流 主电路的电路图设计如图 3 图 3 三相桥式全控整流电路原理图 主电路的开关器件未必一定要使用晶闸管 也可以使用绝缘栅型双极型晶体管 IGBT 或者功 率晶体管 GTR 变压器一次侧采用三角形连接 是因为可以避免 3 次谐波流入电网 而二次侧接成星形 是 7 为了得到有隔离中性点的零线 这种接法可以抑制 3 的整数倍的零序谐波在电动机中形成电流 以免形成交变的脉动转矩 电路的工作特点为 1 每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通 形成向负载供电的回路 其中 1 个晶闸管是共阴极组的 1 个是共阳极组的 且不能为同一相的晶闸管 2 6 个晶闸管的触发 脉冲按 VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序相位依次相差 共阴极组的脉冲依次差 3 共阳极组也依次差 同一相的上下两个桥臂即 VT1与 VT4 VT3与 VT6 VT5与 VT2脉 2 3 2 3 冲相差 3 整流输出电压 Ud一周期脉动 6 次 每次脉动的波形都一样 4 在整流电路合闸 启动过程中或电流断续时 为保证电路的正常工作 需保证同时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲 3 2 2 给定电压设计电路 给定电压设计电路 图 4 给定电压设计电路 经桥式整流堆整流以及三端集成稳压管 LM7815 得到 15V 恒压输出 但是因为 最大给定电压是 10V 因此必须在滑动变阻上加以机械限位 限制滑动变阻器上最 大分压值是 10V 因给定电压功率较小 因此只需要采用普通单相壳式变压器 3 2 3 他励直流电动机励磁回路设计 他励直流电动机励磁回路设计 图 5 他励直流电动机励磁电路 整流桥的交流输入可以与上图中变压器 1 的二次侧并联 当然也可以在中间抽头与之 8 相连 以节省开支 励磁线圈串联的可调电阻可以于弱磁升速 3 2 4 控制电路设计 控制电路设计 由图 1 的系统框图可知 控制电路主要包括以下几个电路设计 ACR ASR 和晶闸管的触 发电路 电流环结构框图的化简 电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响 等效成单位负反馈系统 小惯性环节的近似处理等环节 在一般情况下 系统的电磁时间常数 Ti远小于机电时间常数 Tm 因此转速的 变化往往比电流变化慢得多 对电流环来说 反电动势是一个变化较慢的线性扰动 量 在按动态性能设计电流环时 可以暂不考虑反电动势变化的动态影响 即 E 0 这时 电流环如图 6 所示 Ud0 s Ui s ACR 1 R Tl s 1 U i s Uc s Ks Tss 1 Id s T0is 1 1 T0is 1 图 6 忽略反电动势动态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 U i s 则电流环便等效成单位负反馈系统 如图 7 所示 ACR Uc s Ks R Tss 1 Tl s 1 Id s U i s T0is 1 图 7 等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图 最后 由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多 可以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 isoi TTT 则电流环结构图最终简化成图 8 9 ACR Uc s Ks R Tls 1 T is 1 Id s U i s ACR Uc s Ks R Tls 1 T is 1 Id s U i s 图 8 电流环的简化结构图 1 电流调节器 电流调节器 ACR 具体电阻电容参数请参照 4 1 5 电路图如下 该调节器为 PI 调节器 含给定滤波和反馈滤 波 图 9 电流调节器电路图 2 转速调节器 转速调节器 ASR 转速环结构框图的化简 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节 接入转速环内 电流环等效环节的输入量应为 Ui s 因此电流环在转速环中应等效为 用电流环的等效环节代替电流环后 整个转速控制系统的动态结构图便如图 10 所示 和电流环一样 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内 同时将给定信号改成U n s 再把时间常数为1 KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来 近似成一个时间常数为的惯性环节 其中 1 1 1 I cli i d s K sW sU sI on I n 1 T K T 10 图 10 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图 最后转速环结构简图如图 11 图 11 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图 转速调节器是 PI 调节器 含给定滤波和反馈滤波 电路图和各参数如下 图 12 转速调节器电路图 3 晶闸管触发电路 晶闸管触发电路 三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法 一种是使每个触发脉冲宽度大于 称宽脉冲触发 另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前 3 一号晶闸管补发一个脉冲 相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲 称为双脉冲触发 本设计直接采用 KJ 系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器 KJ041 作为三相整流电路的 触发电路 KJ041 的内部是由 12 个二极管构成的 6 个或门 其作用是将 6 路单脉冲输入转换为 6 路双脉冲输出 以上触发电路均为模拟量 这样使集成片内部结构 可靠 但是却是其容易受 电网电压影响 导致触发脉冲的不对称度较高 可达 00 34 在对精度要求高的大容量变流 n s Un s ASR CeTms R U n s Id s T0ns 1 1 T0ns 1 U n s 1 1 1 s KI IdL s 11 装置中 采用了数字触发电路 可获得很好触发脉冲对称度 KJ041 六路双脉冲发生器简介 KJ041 六路双脉冲发生器是三相全控桥式触发电路中必备的控制电路 它具有双脉冲形成 和电子开关的功能 使用两块有电子开关控制的 KJ041 电路组成逻辑控制 适用于正反组可逆 系统 电参数如下 电源电压 直流 15V 允许波动 5 10 功能正常 电源电流 20mA 输出脉冲 a 脉冲幅度 1V b 最大输出能力 20mA 流出脉冲电流 输入端二 极管反压 30V 控制端正向电流 3mA 具体电路请参照手绘电路图 4 系统设计 系统设计 4 1 电流调节器电流调节器 ACR 设计设计 4 1 1 确定时间常数确定时间常数 1 整流装置滞后时间常数 按表 1 2 三相桥式电路的平均失控时间是 0 0017s s T s T 2 电流滤波时间常数 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 oi T 1 2 3 33ms 故取 2ms 0 002s oi T oi T 3 电流环小时间常数之和 0 0037s i T oi T s T 4 1 2 选择电流调节器结构 选择电流调节器结构 根据设计要求 5 i 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 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扰作用只是次要的因素 为此 电流环应以 跟随性能为主 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 其传递函数可以写成 s sK sW i ii ACR 1 检查对电源电压的抗扰性能 参照表 2 3 各项指标正常 11 8 0037 0 03 0 s s T T i L 4 1 3 计算电流调节器参数 计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数 sTL i 03 0 12 电流环开环增益 要求时 按表 2 2 应取因此 5 i 5 0 iIT K 1 1 135 0037 0 5 05 0 s sT K i I 晶闸管装置放大倍数22 10 220 im nom s U U K 电流反馈系数AV A V I U nom im 075 0 3 532 8 2 则 ACR 比例系数为737 0 075 0 22 3 003 0 1 135 s iI i K RK K 4 1 4 校验近似条件 校验近似条件 电流环截止频率 1 1 135 sKI ci 1 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 1 11 196 1 33 0 0017 ci s s Ts 满足近似条件 2 忽略反电动势变化时对电流环动态影响的条件 1 11 3340 82 0 180 03 ci ml s T Tss 满足近似条件 3 电流环小时间常数近似处理条件 1 1111 180 8 330 00170 002 ci soi s TTss 满足近似条件 因此电流调节器的传递函数是 1 0 737 0 031 0 022 737 0 030 03 ii ACR i Ksss Ws sss 4 1 5 计算调节器电阻和电容计算调节器电阻和电容 取调节器的输入电阻为 则各电阻和电容为 kR40 0 取 30k kkRKR oii 4 2940737 0 取 1FFF R C i i i 1101 1030 03 0 6 3 F 13 取 0 2FF R T C oi oi 2 0 1040 002 0 44 3 0 F 按照以上参数 电流环可以达到的动态跟随性能为 满足设计要求 4 3 5 i 按照工程设计经验 电阻取 10W 以满足耗散功率的要求 电容选用无极性的涤纶电容 耐压 值取为 250V 按照电网电压波动 10 计算 为 220 1 1 242 取为 250V 留有裕量 如有需要 所有含有电阻的回路都要串联可调电阻 以规避参数值偏差造成误差 实现精确阻值 避 免运放出现零点漂移 4 2 速度调节器速度调节器 ASR 设计设计 为了实现转速无静差 在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节 它应该包含在转速调节器 ASR 中 现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节 因此转速环开环传递函数应共有两个 积分环节 所以应该设计成典型 型系统 这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求 由此可见 ASR 也应该采用 PI 调节器 其传递函数为 式中 Kn 转速调节器的比例系数 n 转速调节器的超前时间常数 1 电动机电动势常数为 rVrV n RIU C N aNN e min136 0 min 1500 3 0 3 53220 2 电流环等效时间常数 已知则 I K1 5 0 iIT K ssT K i I 0074 0 0037 0 22 1 3 转速滤波时间常数 0 01s on T 4 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理 有 n T sssT K T on I n 0174 0 01 0 0074 0 1 5 由已知得 2 R 0 3 当 h 5 时 由表 sTrnAI mNdN 18 0 min1500 3 53 2 7 查得 则由此可以算出退饱和超调量是 2 81 max b CC m nN b b b n T T n n z C C n n C C max max 2 满足设计要求 53 3 0 3 0 0174 0 136 281 2 202 47 10 15000 18 n s sK sW n nn ASR 1 14 6 计算转速调节器参数 转速反馈系数 10 0 007min 1500 nm nom U Vr n 按跟随和抗扰性能都兼顾的原则 取 h 5 则 ASR 的超前时间常数为 sshT nn 087 0 0174 05 转速环开环增益为 22 2222 4 396 0174 0 51 15 2 1 ss Th h K n N 即 ASR 比例系数为 160 075 0 1360 18 30 15 225 0 0070 3 0 0174 em n n hC T K h RT 7 检验近似条件 转速环截止频率时 1 396 40 08734 5 n cnnn K Ks 电流传递函数简化条件是 满足简化条件 1 11135 1 63 330 0037 I cn i K s T 转速环小时间常数近似处理条件是 满足简化条件 1 11135 1 38 7 330 01 I cn on K s T 8 计算调节器电阻和电容 取 则有 kR40 0 取1 2 kkRKR nn 120440 1 30 0 M 取 0 07FF R C n N N 0725 0 101200 087 0 3 F 取 0 33FF R T C on on 33 0 1012 01 0 44 3 0 F 按照工程设计经验 电阻取 10W 以满足耗散功率的要求 电容选用无极性的涤纶电容 耐压 值取为 250V 按照电网电压波动 10 计算 为 220 1 1 242 取为 250V 留有裕量 如有需要 所有含有电阻的回路都要串联可调电阻 以规避参数值偏差造成误差 实现精确阻值 避 免运放出现零点漂移 转速调节器的传递函数是 1 30 15 0 0871 2 6230 15 0 0870 087 nn ASR n Ksss Ws sss 15 5 系统仿真 系统仿真 5 1 用用 MATLAB 进行仿真进行仿真 双闭环直流调速系统的动态框图如下 IdL Ud0 Un Ui ACR 1 R Tl s 1 R Tms U i Uc Ks Tss 1 Id 1 Ce E T0is 1 1 T0is 1 ASR 1 T0ns 1 T0ns 1 U nn 根据结构框图 再加上前面有关 ACR ASR 的参数设计 可以得到该系统的数学模型 利 用 MATLAB 中 Simulink 进行仿真 其中仿真时间是 2 秒 步长值均采用变步长 图 14 未加入限幅环节的 Simulink 仿真模型 此是转速电流双闭环直流不可逆调速系统的 Simulink 仿真模型 此时未带有饱和限幅环节 其中 输入是给定电压 0 至 10V 为一阶跃信号 因此其输入模型用阶跃信号代替 传递函数 1 是转速 调节器的传递函数 是一比例积分型的 PI 调节器 这样可以用其积分和比例的共同作用使调节 器的输出电压亦即电流调节的输入电压既能快速响应 又可以消除调速系统的静差 亦可以提高 稳定性 传递函数 2 是电流调节器的传递函数 同是 PI 调节器 也可以使输出无静差 传递函 数 3 是电力电子变换装置的传递函数 传递函数 4 是电枢电压与电枢电流之间的传递函数 传递 函数 5 是电枢电流与反电动势之间的传递函数 增益 1 是电动机电动势常数的倒数 传递函数 6 是带滤波的电枢电流反馈环节 传递函数 7 是测速发电机的测速反馈环节 注意此时未加入限幅 环节 16 图 15 已加入限幅环节的 Simulink 仿真模型 此是转速电流双闭环直流不可逆调速系统的 Simulink 仿真模型 此时已加入饱和限幅环节 其中 输入是给定电压 0 至 10V 为一阶跃信号 因此其输入模型用阶跃信号代替 传递函数 1 是转速 调节器的传递函数 是一比例积分型的 PI 调节器 这样可以用其积分和比例的共同作用使调节 器的输出电压亦即电流调节的输入电压既能快速响应 又可以消除调速系统的静差 亦可以提高 稳定性 传递函数 2 是电流调节器的传递函数 同是 PI 调节器 也可以使输出无静差 传递函 数 3 是电力电子变换装置的传递函数 传递函数 4 是电枢电压与电枢电流之间的传递函数 传递 函数 5 是电枢电流与反电动势之间的传递函数 增益 1 是电动机电动势常数的倒数 传递函数 6 是带滤波的电枢电流反馈环节 传递函数 7 是测速发电机的测速反馈环节 限幅 1 是转速调节器 输出限幅 限幅 2 是电流调节器输出限幅 5 2 仿真结果仿真结果 这是未加入饱和限幅环节时的仿真结果 图 16 未加入限幅环节的仿真波形 由图 16 可以看见 未加饱和限幅非线性环节时 由于积分器的作用是输出始终不断增长 因此 转速超调量较大 约 13 而电流已经远超出正常值 在物理实际中 这是绝对不可能出现的 此时断路器必定已经实施过流保护而熔断 17 按照仿真图 16 系统转速超调量较大 峰值转速高达 2000r min 虽然系统是稳定的 但是不符 合