直流双闭环调速系统的设计

PAGE题目已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，已知基本数据如下：电动机参数：Unom=220V，Inom=136A，nnom=1460r/min,Ra=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置：放大系数Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5Ω；电枢回路总电感：L=15mH；电动机轴上的总飞轮力矩：GD2=22.5N·m2；电流反馈系数：β=0.05V/A；转速反馈系数：α=0.007V·min/r；滤波时间常数：电流反馈滤波时间常数为Toi=0.002s,转速反馈滤波时间常数为Ton=0.01s；2、设计指标：电流超调量σi≤5%，转速无静差，空载启动到额定转速时的转速超调量δn≤10%。设计要求：运用调节器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR与ACR的结构与参数。电流环设计为典1系统，转速环设计为典2系统。设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用protel软件画图。说明原理图实现上述直流调速系统的原理。给出原理图每个元件的型号与值，并说明选值依据。系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现，要说明实现流程以及核心软件的算法。设计电流调节器的设计确定时间常数整流装置之后时间常数Ts。查表得，三相桥式电路的平均失控时间Ts=1.67ms电流滤波时间常数Toi。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）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms。电流环小时间常数之和T∑i=Ts+Toi=3.67ms。确定电流调节器结构根据要求电流环设计为典1系统，电流环控制对象是双惯性的，因此用PI型电流调节器，其传递函数为WACR（s）=。检查对电源电压的抗干扰性能：Tl=R/L=15mH/0.5Ω=30ms，Tl/T∑i=30/3.67=8.17，参看典1型系统动态抗干扰性能，各项指标正常。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：τi=Tl=30ms。电流环开环增益：要求σi≤5%时，查表应取KIT∑i=0.5,KI=0.5/T∑i=0.5/0.00367≈136.2s-1ACR比例系数为Ki=KIτiR/Ksβ=136.2×0.03×0.5/（40×0.05）≈1.022校验近似条件电流环截止频率：ωci=KI=136.2s-1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件=s-1≈199.6s-1＞ωci满足近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件Ce==V·min/rCm==1.26V·min/rTm===0.18s3=3s-1≈40.82s-1＜ωci满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件=×s-1≈182.4-1＞ωci满足近似条件计算调节器电阻和电容电流调节器如图1-1所示，按所运用运算放大器取R0=40KΩ，各电阻和电容之计算如下：Ri=KiR0=1.022×40KΩ=40.88KΩ取40KΩCi===0.75取0.75Coi===0.2取0.2图1-1按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为（查表）σi=4.3%＜5%满足设计要求转速调节器的设计确定时间常数电流环等效时间常数。KIT∑i=0.5，则=2T∑i=20.00367=0.00734s转速滤波时间常数Ton。为0.01s转速环小时间常数T∑n。按小时间常数处理，取T∑n=+Ton=0.00734s+0.01s=0.01734s选择转速调节器的结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为WASR=计算转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为τn=hT∑n=50.01734s=0.0867s可求得转速环开环增益KN==≈396.4s-2ASR的比例系数为Kn==≈11.7校验近似条件转速环截止频率为ωcn==Knτn=396.40.0867-1≈34.5s-1电流环传递函数简化条件=×s-1≈64.2s-1＞ωcn满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件=×s-1≈38.9s-1＞ωcn满足近似条件计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图2-1所示，取R0=40KΩ，则Rn=KnR0=11.740KΩ=468KΩ取470KΩCn===0.185取0.2Con===1取1图2-1校核转速超调量按退保和超调量的计算方法计算校验它是否满足设计要求：σn=2（）（λ-z）①查表得Cmax/Cb=81.2%,=代入①式得σn≈8.31%＜10%能满足设计要求。分部原理图及实现原理转速调节器和电流调节器的硬件原理图图3-1按计算结果设置参数速度调节器的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例和积分运算，使其输出按某一规律变化。速度调节器由运算放大器输入与反馈环节及二极管输入保护组成。图中二极管起输入保护作用。电流调节器的工作原理基本上与速度调节器相同。电流负反馈与限流硬件原理图图3-2由运算放大器U4A和二极管D组成的电路起电流负反馈和限流的作用。当电枢电流在正常范围时，二极管桥式电路的四个二极管都导通，没有电流流过R9。该电路的输入输出特性斜率为R8/R7，是正常的电流负反馈。当电机电流超过规定值时，桥式电路中有两个二级管截止，R9上有电流流过，此时电路的输入输出特性斜率为(R9+R8)\R7,U4A输出电压迅速增加，并通过电流调节器进行调节，从而使电机正常工作。转速检测与变换的硬件原理图图3-3转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用控制的电压信号。输入电压经R1和RP2分压，调节电位器RP2可改变转速反馈系数。三相桥式全控整流主电路及集成元件组成的6路双脉冲相控触发器图3-4图3-4为三相桥式全控变流器的集成化6路双脉冲相控触发电路，电路包括3片KC04移相触发器，一片KC42脉冲列调制器，一片KC41C六路双脉冲形成器。图3-4-1KC41电路内部原理图KC41电路是脉冲逻辑电路。当把移相触发器的触发胲冲输入到KC41电路的1~6端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由T1~T6电流放大分六路输出。补脉冲按+A→-C，-C→+B，+B→-A，-A→+C，+C→-B，-B→+A顺序排列组合。T7是电子开关，当控制7#端接逻辑“0”电平时T7截止，各路有输出触发脉冲。当控制7#端接逻辑“1”电平（+15V）时，T7导通，各种无输出触发脉冲。KC41内部原理图见图（1）。KC41应用实例见图（2），各点波形分别见图（3）。图中输出端如果接3DK4作功率放大可得到800mA的触发脉冲电流。使用2块KC41电路相应的输入端并联，二个控制端分别作为正反组控制输入端，输出接12个功率放大管。这样就可组成一个12脉冲正反组控制可逆系统，控制端逻辑“0”电平有效。图3-4-2KC42电路内部原理图KC42电路内部原理图见图3-4-2。以三相全控桥式电路为例，来自三块触发器（KC04或KC09）13#端的触发脉冲信号分别送入KC42电路的2#，4#，12#端，由T1、T2、T3进行节点逻辑或组合。T5、T6、T8组成一个环形振荡器，由T4的集电极输出来控制环形振荡器的起振和停振，当没有输入脉冲时，T4导通振荡器停振。反之T4截止振荡器起振。T6集电极输出是一系列与来自三相六个触发脉冲的前沿同步间隙60°的脉冲。经T7倒相放大分别输入三块触发器（KC04或KC09）的14#端。此时从KC04或KC09电路的