运控课设_华工自动化10级

1、运动控制课程设计本科课程设计（论文）题目：V-M双闭环直流调速系统设计 课程名称 自动控制系统 学 院 自动化科学与工程学院 班 级 学生姓名 学生学号 指导老师 戴诗陆 提交日期 2013年6月27 日 分数 目录一、设计目的2二、初始条件2三、设计要求3四、设计基本思路3五、参数计算5六、调速系统线路图91. 系统主电路图92. 触发电路103. 控制电路总体电路图124. 转速调节器ASR设计135. 电流调节器ACR设计13七、系统仿真141. 仿真说明142. 空载仿真153. 额定负载仿真17八、总结18九、参考文献19一、设计目的1. 联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综

2、合性设计，加深对所学自动控制系统课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。2. 熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。3. 培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题的能力。4. 设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌握工程设计的方法。5. 掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。二、初始条件：1 技术数据（1） 直流电机铭牌参数：PN =60KW, UN =220V, IN =308A, nN=1000r/min，电动势与转速比（电势系数） Ce=0.196V. min/r，允许过载倍数=1.5；（2） 晶闸管整流触发装置：Ks=35。（3） 系

3、统主电路总电阻：R=0.18（4） 电磁时间常数：T1=0.012s（5） 机电时间常数：Tm =0.12s（6） 电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.015s（7） 额定转速时的给定电压：Unm =10V（8） 调节器饱和输出电压：8V2 技术指标（1） 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作；（2） 系统静特性良好，无静差（静差率s1%）；（3） 动态性能指标：转速超调量n40%，电流超调量i5%，动态速降n85%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s；（4） 调速系统中设置

4、有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。三、设计要求：（1） 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图；（2） 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。（3） 动态设计计算：根据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求；（4） 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）； （5） 对所设计出的双闭环直流电动机调速系统仿真实验，并给出仿真结果图；（6） 整理设计数据资料，课程设计总结，对本课程设计提出新设想和新建议。四

5、、设计基本思路转速、电流双闭环调速系统属于多环控制系统。目前都采用由内向外，一环包围一环的系统结构。每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。对双闭环调速系统而言，先从内环（电流环）开始，根据电流控制要求，确定把电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环后，就把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，然后用同样的方法进行转速环的设计。最后通过MATLAB进行动态分析，根据分析情况更改实现方案，对参数进行调整等。在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其

6、关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。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具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。双闭环直流调速系统的基本电路转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。基于设计题目，

7、直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算。设计时需增加电流、转速反馈滤波环节，以抑制反馈信号中的交流分量，同时在转速、电流给定信号通道中加入两个给定滤波器，其时间常数与相应反馈滤波环节的时间常数相等以平衡反馈滤波环节给定转速、电流反馈信号带来的延滞。相应的动态结构图如下所示，图中，ASR和ACR为结构和参数待定的转速和电流调节器。双闭环调速系统的动态结构图五、参数计算1.电枢电阻=0.0782.三相桥式晶闸管整流装置滞后时间Ts=12

8、mf=12650=0.0017(s)3.最大允许电流A4.电流反馈系数5.转速反馈系数6.电流环的设计电流环小时间常数电流调节器结构选择10按典系统设计，且选用PI调节器，其传递函数为WACRs=Kiis+1is确定电流调节器参数 ACR超前时间常数i=0.012电流环开环放大系数KI：按照二阶“最佳”系统设计，取从而，ACR的比例系数为检验近似条件 电流环截止频率： 晶闸管装置传递函数近似条件ci13Ts13Ts=130.0017=196.1(s-1)ci满足近似条件小时间常数近似条件ci131TSToi满足近似条件忽略反电动势对电流环影响的条件ci31TmTl满足近似条件计算调节器电阻和电

9、容按所用运算放大器取，则由i=RiCi有由Toi=14R0Coi得取Coi=0.47F7.转速环的设计转速环小时间常数选择转速调节器结构 根据稳态、动态性能指标的要求，应按典系统设计转速环，为此应选用PI调节器，其传递函数为WASRs=Knns+1ns 选择转速调节器参数 为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好，应采用Mrmin准则选择参数，且取h=5，因此ASR的超前时间常数为转速环开环放大系数为从而，转速调节器比例系数为 检验近似条件 转速环截止频率 电流环传递函数简化条件cn15Ti 而 满足近似条件 小时间常数近似处理条件cn1312TiTon满足近似条件。 计算转速调节器电阻和电容

10、取输入电阻，则核校转速超调量 因为当h=5时CmaxCb%=81.2%而 所以可见所设计的系统能满足设计要求六、调速系统线路图根据题目要求，为达到动、静态指标，故选用直流双闭环调速系统，即速度环+电流环的方式，为实现无静差，采用PI调节规律。主电路采用三相桥式全控整流电路，整个系统的组成原理框图如下：1.系统主电路图主电路采用三相桥式整流电路，如下图所示：说明： 三相桥式全控整流电路有如下特点：（1）三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它

11、为线电压的包络线。（2）晶闸管在一个周期内导通120，关断240，管子换流只在本组内进行，每隔120换流一次。（3）出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60，即每隔60换流一次。（4）晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。2.触发电路控制电路使用KJ041六路双脉冲形成器作为整流桥的触发装置。在中、大容量的变流器中广泛应用晶闸管组成的触发电路或集成化的触发电路，下图所示为同步信号是锯齿波的触发电路，电路由脉冲形成及放大、锯齿波形成和脉冲移相、同步三个环节组

12、成。同步信号为锯齿波的触发电路主电路图具体连接图见上。说明：（1）脉冲形成及放大环节 在上图中，晶闸管V4、V5形成脉冲，V7、V8起放大作用。uk为直流控制信号，当uk0时，V4截止，V5导通，使V7、V8截止，无脉冲输出。此时，电容C3充电（ER9C3V5V6VD10E），uc32E。当uk升高，使V4导通，V5截止，V7、V8导通，经变压器TP输出脉冲电压。此期间C3先放电后反向充电，使B点电位升高，直到uBE，V5又导通，V7、V8变为截止，脉冲消失。脉冲宽度由C3反向充电时间常数R11C3决定。（2）锯齿波形成和脉冲移相环节锯齿波的形成有自举式电路、恒流源电路等。在上图中由V1、RP

13、2和R3、R4等组成恒流源电路。电容C2的冲放电形成锯齿波，锯齿波通过V3组成的设计跟随器输出。锯齿波电压ue3、直流控制电压uk、直流便宜电压up经电阻R6、R7、R8与V4基极b4连接，着三个电压叠加决定V4的基极电位ub4的大小，即控制V4的工作状态。Up的作用是为了确定uk0时脉冲的初始相位。如感性伏在电流连续，三相全控桥（可逆系统）的脉冲初始相位应定在，可通过调节up与ue3叠加来实现，锯齿波过零变正点，即为脉冲产生的时刻，对应于，此时变流器输出Ud0。Uk与ue3叠加控制脉冲相位移动（up固定在某值），当uk0时，过零点N点向左移动，电路工作整流状态：当uk0时，N点向右移动，电路

14、工作于逆变状态。该电路要求锯齿波宽度大于180，如选240。（3） 同步环节 触发脉冲uG必须与主电路的电源同步。上图电路中，同步环节又由同步变压器TS和晶体管V2等组成。同步电压us经TS降压产生二次电压uTS来控制V2的导通与关断，从而控制C2的冲放电过程，V2截止时C2充电，V2导通是C2放电，这样就形成了锯齿波。正弦波uTS的一个周期内V2截止与导通各一次，对应锯齿波是一个周期，与主回路电源频率一样，达到同步的目的。锯齿波的宽度由C1的充电时间常数R1C1决定。（4）强触发环节晶闸管采用强触发可缩短开通时间，有利于改善串并联器件的动态均压和均流，增加触发的可靠性，强触发电路如图所示。强

15、触发的电源，由单相桥式整流电路获得50V电压。在V8截止时，C6充电，D点电位上升到50V。当V8导通时，C6迅速放电，D点电位迅速下降，uD15V时，VD15导通，由15V电源供电，V8截止后，C6由充电到uD50V，为下一次触发做准备。（5）双窄脉冲形成环节第一个脉冲由本相触发电路的V4由截止变为导通时使V5截止而V7、V8导通所产生；第二个脉冲由滞后60相位的后一个相触发电路产生其一个脉冲时将信号引至本想触发电路V6的基极，使其截止，V7、V8又导通而产生。这样每一个触发电路一个周期能输出两个相隔60的窄脉冲。为防止脉冲互相干扰，加入VD4和R17。三相桥式全控整流电路，晶闸管的导通顺序

16、为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，彼此相隔60。为能准确产生双窄脉冲，图中的X和Y断应按图 所示的顺序连接，即前相的触发电路的Y端接后相的X端3.控制电路总体电路图说明：转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构上看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态性能，转速和电流两个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。4. 转速调节器ASR设计由参数计算

17、过程可知，ASR采用PI调节。比例调节器响应快，但它使系统有静差；而积分调节器可以实现系统无检察，但响应慢。若把比例、积分控制结合起来构成比例积分（PI）调节器，则可以取长补短：作为控制器，它可以兼顾快速响应和消除静差两方面的要求：作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。故所设计的转速调节器采用PI调节，如下图所示。其中Un为转速给定电压，Ufn为转速反馈电压。5. 电流调节器ACR设计与转速调节器的设计类似，电流调节器也采用PI调节，充分利用了电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。其电路图如图四所示，其中Ui为电流给定电压（即ASR的输出电压），Ufi为电流反馈值。七、系统仿真1

18、. 仿真说明系统仿真的仿真模型如下图：图10.双闭环直流调速系统的仿真模型电流转速双闭环直流调速系统分别采用两个带有限幅的PI调节器进行电流环和转速环的调节。1.转速调节器ASR2.电流调节器ACR控制电路由给定信号、转速PI调节器、电流PI调节器、限幅器、偏置、反向器、转速反馈、电流反馈等环节构成。各个环节的参数设置均根据设计出来的系统的数据来设置。2. 空载仿真结构图仿真结果（1） 电流波形（2）转速波形由图可知：空载启动时，系统的系统静特性良好，无静差，转速超调量，满足题目静态性能指标；电流超调量，不满足题目静态性能指标；动态速降，调速系统的过渡过程时间（调节时间），满足题目动态性能指标。因此，原设计中的电流环不满足要求，需进行修正，仍然取，但为降低超调量，取，电流调节器ACR结构图修正后如下：修正后重新仿真。修正后仿真结仿真结果（1） 电流波形（2）转速波形由图可知：修正后，转速超调量，满足题目静态性能指标；电流超调量，满足题目静态性能指标。3. 额定负载仿真结构图仿真结果（1） 电流波形（2）转速波形由图可知：额定负载启动时，系统的系统静特性良好，无静差，转速超调量，满足题目静态性能指标；电流超调量，满足题目静态性能指标；动态速降，调速系统的过渡过程时间（调节时间），满足题目动态性能指标。八、总结 在我一开始查看这个课程的设计任务时，觉得应该并不