运动控制期中作业

——转速、电流双闭环直流调速系统设计电气与控制工程学院自动化0903韩倩转速、电流双闭环直流调速系统设计一．设计的背景及原理对于经常正、反转运行的调速系统，如龙门刨床、可逆轧钢机等，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩和负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。问题是，应该在起动过程中只有电流负反馈，在达到稳态转速后又只希望只有转速负反馈，不能再让电流负反馈发挥作用。此时，只用一个调节器显然是不够的，应该采用转速和电流两个调节器。为了是两种负反馈分别作用，可以在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套或串级连接，如图3-27所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。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PI调节器。转速电流双闭环系统调速系统原理图二．设计要求1.采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电2.基本数据：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：ＧＤ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Ｔon=0.01s;3.设计指标：电流超调量σi≤5%,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。4.电流环设计为典1系统，转速环设计为典2系统三．相关部分计算及设计1.电流调节器设计（1）确定时间常数●整流装置滞后时间Ｔs。按表3-1，三相桥式电路的平均失控时间Ｔs=0.0017s。表3-1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Ｔsmax/ms平均失控时间Ｔs/ms单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67●电流滤波时间常数Ｔoi。由上述给出参数知Ｔoi=0.002s.●电流环小时间常数之和Ｔ∑i。按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.0037s.(2)选择电流调节器结构根据设计要求σi≤5%，并保证稳态电流无差，可按典1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WACR(s)=KI(τis+1)τis检查对电源电压的抗扰性能：TlT∑i≈0.030.0037≈8.11,参看表3-2的典型1系统动态抗扰性能，各项指标都合理。表3-2典型1型系统动态抗扰性能指标与参数的关系M=T1T2=TT215110120130△CmaxCb×100%27.8%16.6%9.3%6.5%tmT⁄2.83.43.84.0tvT⁄14.721.728.730.4（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：τi=Ti=0.03s.电流环开环增益：要求σi≤5%时，按表3-3，应取KIT∑i=0.5,因此KI=0.5T∑i=0.50.0037s−1≈135.1s−1于是，ACR的比例系数为Ki=KIτiRKsβ=135.1×0.03×0.540×0.05≈1.013表3-3典型1型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比ξ1.00.80.7070.60.5超调量σ0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度γ76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率wc0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T（4）校正近似条件电流环截止频率：wci=KI=135.1s−1●校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件13Ts=13×0.0017s−1≈196.1s−1ωci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3√1TmTl=3×√10.18×0.03s−1≈40.82s−1ωci满足近似条件●校验电流环小时间常数近似处理条件13√1TsToi=13×√10.0017×0.002s−1≈180.8s−1ωci满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图6所示，按所用运算放大器取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下：Ri=KIR0=1.013×40KΩ=40.52KΩ取40KΩCi=τiRi=0.0340×103F=0.75×10−6F=0.75uF取0.75uFCoi=4ToiR0=4×0.00240×103F=0.2×10−6F=0.2uF取0.2uF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为σi=4.3%5%(见表3-3)满足设计要求2.转速调节器设计（1）确定时间常数●电流环等效时间常数1Ki.在上面已取KIT∑i=0.5,则1KI=2T∑i=2×0.0037=0.0074s●转速滤波时间常数Ton.根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s●转速环小时间常数T∑n.按小时间常数近似处理，取T∑n=1KI+Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s(2)选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数WASR(s)=Kn(τns+1)τns(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=5,则ASR的超前时间常数为τn=hT∑n=5×0.0174s=0.087s可求得转速环开环增益KN=h+12h2T∑n2=62×52×0.01742s−2≈396.4s−2于是，ASR的比例系数为Kn=(h+1)βCeTm2hαRT∑n=6×0.05×0.132×0.182×5×0.007×0.5×0.0174≈11.7(4)检验近似条件转速换截止频率为ωcn=KNω1=KNτn=396.4×0.087s−1≈34.5s−1●电流环传递函数简化条件13√KIT∑i=13√135.10.0037s−1≈63.7s−1ωcn满足简化条件●转速环小时间常数近似处理条件13√KITon==13√135.10.01s−1≈38.7s−1ωcn满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图7所示，取R0=40KΩ，则Rn=KnR0=11.7×40KΩ=468KΩ取470KΩCn=τnRn=0.087470×103F≈0.185×10−6F=0.185uF取0.2uFCon=4TonR0=4×0.0140×103F≈1×10−6F=1uF取1uF(6)校核转速超调量当h=5时，由表3-4查得，σn=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退保和的情况重新计算超调量。退保和超调量计算σn=(∆CmaxCb)∆nbn∗=2（∆CmaxCb）(λ−z)∆nNn∗T∑nTm则σn=2×81.2%×1.5×136×0.50.1321460×0.01740.18≈8.31%10%故能满足设计要求表3-4典型二型系统阶跃输入跟随性能指标h345678910σ52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111四．单元模块设计根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、触发脉冲输出电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。1.转速给定电路设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图所示。转速给定电路原理图2.转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图所示。转速检测电路原理图3．电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图所示。电流检测电路原理图4．整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。整流电路及晶闸管保护电路5.电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款±15V的直流稳压电源供电，其电路图如图所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。±15V电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。6．含给定滤波和反馈滤波的PI电流调节器原理图（图6）7.含给定滤波和反馈滤波的PI型转速滤波器原理图（图7）8.主电路原理图