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电力拖动运动控制系统课程设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.78M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    目录
    1.概述
    2．设计任务和要求
    2.1任务和要求：
    2.1.1任务
    2.1.2.要求
    2.2设计思路
    3.系统电路结构设计
    3.1方案论证
    3.2 主电路和控制电路设计
    3.2.1．主电路设计
    3.2.2．给定电压设计电路
    3.2.3．他励直流电动机励磁回路设计
    3.2.4．控制电路设计
    4．系统设计
    4.1 电流调节器(ACR)设计
    4.1.1 确定时间常数
    4.1.2．选择电流调节器结构
    4.1.3．计算电流调节器参数
    4.1.4．校验近似条件
    4.1.5计算调节器电阻和电容
    4.2 速度调节器(ASR)设计
    5．系统仿真
    5.1用MATLAB进行仿真
    5.2仿真结果
    6．总结
    7．参考文献
    附录：
    题 目 V-M 双闭环直流调速系统 学生学院 自动化学院 1
    目录 目录..................................................................................................................................................................... 2 1.概述.................................................................................................................................................................. 3 2．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.......................................................................................................................................... 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..................................................................................................................................................... 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..................................................................................................................................................... 15 5.1 用 MATLAB 进行仿真...........................................................................................................................15 5.2 仿真结果.................................................................................................................................................16 6．总结............................................................................................................................................................. 18 7．参考文献..................................................................................................................................................... 18 附录：............................................................................................................................................................... 19 2
    1.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。 3
    2．设计任务和要求 2.1 任务和要求： 2.1.1 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 U 2  110 V 。 已 知 他 励 直 流 电 动 机 参 数 为 ： nomp =10kW ， nomU =220V ， nomI =53.3A， nomn =1500r/min，主回路总电阻等于电枢绕组电阻，即 R aR =0.3  ， 电枢回路电磁时间常数 TL 03.0 s ，系统机电时间常数 Tm 18.0 s ，系统飞轮力矩 2 GD  .5.5 MN 2 ，转速和电流给定电压最大值分别为 * U nm  10 V , 2.1.2.要求 U im *  。 8 V 按工程设计方法设计，要求调速系统的电流超调量 %5%  ，空载起动到额 定 转 速 时 的 转 速 超 调 量 %10%  ， 其 过 渡 过 程 时 间 ts 5.0 s ， 堵 转 电 流 dblI =2.0 nomI ，稳态无静差。 2.2 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。 4
    3.系统电路结构设计 3.1 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 * nU 和速度反馈电 压 nU 的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压 * iU （对于直流电动机来说，控制电枢电流就是 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 * iU 和电流反馈电压 iU 的偏差 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 cU 。通过控制 cU 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 dU 。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 T C I 知 e e T ，相应的电磁转矩也跟着变化，由 e  T l a  J dn dt ，只要 eT 与 lT 不相等那么转速 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 5
    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 3.2.1．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： 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 图 3 三相桥式全控整流电路原理图 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，是为 6
    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 VT1  VT2  VT3  VT4  VT5  VT6 的顺序相位依次相差  3 ；共阴极组的脉冲依次差 ， 2 3 2 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 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 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 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. 7
    3.2.4．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。 U*i(s) 1 T0is+1 + ACR -Ui (s) Uc (s) Ud0(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 Id (s)  T0is+1 U*i(s)  + 图 6 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图  Uc (s) Id (s) 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。 T0is+1 - ACR Ks /R (Tss+1)(Tl s+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 T   i 则电流环结构图最终简化成图 8 T s  T oi 8
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