直流双闭环逻辑无环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计

直流双闭环逻辑无环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计 某钻床直流双闭环逻辑无环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计 为某钻床设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环调速系统，且拟 定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。已知系统中直流电动机主要 数据如下： 直流电动机：2KW，220V，136A，1460 r/min，Ce=0.132，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=0.5； 时间常数：Tl=0.03，Tm=0.18； 电流反馈系数：β=0.05V/A（?10V/1.5In）； 转速反馈系数：α=0.007 min/r（?10V/ nn）。 设计电流调节器，要求电流超调量σi%?5%,要求转速无静差，空载起运到额定转速时的转速超调量σn%?10%。按工程设计方法设计转速调节器，并校验 转速超调量的要求能否得到满足。 钻床是具有广泛用途的通用性机床，可对零件进行钻孔、扩孔、铰孔、 锪平面和攻螺纹等加工。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运 动。在实际生产中，有许多生产要求既能正转，又能反转，而且常常还需要快 速地启动和制动。 逻辑无环流直流调速系统设计即可较好地实现这些功能，并具有较好的动态 性能和能量利用率。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑 调速，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。因此， 我们选择这样的系统不仅可节省成本，而且增强了系统的可靠性。转速、电流双 闭环直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统，采用转速、电流双 闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流调速系统可以实 现在允许条件下的最快起动，可以再保证系统稳定的前提下实现转速无静差。 当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全 处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。这就 是逻辑控制的无环流系统。它的特点是：用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的 触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲， 从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。 1 用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发 脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现 了无环流控制。主电路采用两组晶闸管装置交叉连接，由于没有环流，不用再设 置环流电抗器。但为了保证稳定运行时电流波形连续，仍应保留平波电抗器。控 制线路采用典型的转速，电流双死循环系统。 电流检测 *Ui*n Un 直流 电流 三相集成 三相 速度 给定电压 调节器 触发器 全控桥 电动机 调节器 转速检测 图2-1直流双闭环调速系统 由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以 保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，把转 速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子 变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 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。这样构成的双闭环直流调速系统。 其原理如图2-2 图2-2：逻辑无环流调速系统原理图 逻辑无环流调速系统的主回路由两组反并联的三相全控整流桥VF、VR组成，两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电抗器，电枢回路仅串联一个平 波电抗器。控制系统主要由给定器G，零速封锁起DZS，转速调节器ASR，电流调节器，反号器AR，转矩极性辨别器DPT，零电流检测器DPZ，无环流逻辑控制器DLC,，触发器GT，电流变换器FBC，过流保护器FA，速度变换器FBS， 2 正、反组脉冲放大器AP1、AP2等组成。其系统原理图如图2-2所示。 无环流逻辑控制器DLC的输出保证在任何情况下两组桥都不会同时触发，始终 是一组工作，另一组封锁，系统工作过程不会出现环流。 *U,,n,,n= Unn0 *U,,I,,I= UiiddL *,UCn，IRCU，IR0dedendLU,,,cKKKsss ,,转速反馈系数：0.007 min/r（?10V/ nn） 电流反馈系数：,,0.05V/A（?10V/1.5In） 1111 TT1 m,,5102030TT22 ,Cmax，100% 55.5% 33.2% 18.5% 12.9% Cb 2.8 3.4 3.8 4.0 tT m 14.7 21.7 28.7 30.4 tT v 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 3-1：典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 ,K tTtTsr 37.6% 2.85 9.55 2 表3-2：h=5时，典型型系统阶跃输入跟随性能指标 , ,CCtTtT maxbmv 81.2% 2.85 8.80 表3-3：h=5时，典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 , 3 双闭环调速系统的实际动态结构框图如图4-1所示，它增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有 交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传 T递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流oi检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作 用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环 节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此 T也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定on T通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。 on 图4-1：双闭环调速系统的实际动态结构框图 按照多环控制系统设计的一般原则，先内环后外环，从内环开始，逐步向外 扩展。在双闭环控制系统中，应首先设计电流调节器（ACR），然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器（ASR）。 电流环的动态结构框图,如图4-2 1/RId(s)KsUc(s)Ud0(s)Ui*1(S)+ACRTls+1TsS+1ToiS+1_ ToiS+1 图4-2：电流环的动态结构框图 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图4-3所示。 4 图4-3：电流调节器原理图 *I图中为电流给定电压，-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电,Uid U力电子变换器的控制电压 c 1．确定时间常数 TT（1）整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。 ss T（2）电流滤波时间常数=0.002s。 oi TTTT（3）电流环小时间常数之和，取=+=0.0037s。 ,i,iois 2．选择电流调节器结构 ,根据设计要求?5%，并保证稳态无静差，可按典型I型系统设计电流调节i 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： ,(，1)KsiiW(s)= ACR,si T0.03sl检查对电源电压的抗扰性能：，参照表3-1典型I型系,,8.110.0037Ts,i 统动态抗扰性能指标与参数，各项指标都是可以接受的。 3．计算电流调节器参数 ,,T电流调节器超前时间常数：=0.03s。 il T,K电流环开环增益：要求?5%时，应取=0.5，因此 ,iiI 0.50.5,1,,135.1sK= IT0.0037s,i 于是，ASR的比例系数为 5 ,135.1，0.03，0.5KRIi,,,1.013 Ki40，0.05K,s 4．校验近似条件 ,1,,K,135.1s电流环截止频率： ciI （1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 11,1,,196.1s，, ci3T3，0.0017ss 满足近似条件。 （2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 11,1s，,3 ,3，,40.82ciTT0.18s，0.03sml 满足近似条件。 （3）电流环小时间常数近似处理条件 111,1, ,3，,180.8s，ci3TT0.0017s，0.002ssoi 满足近似条件。 5．计算调节器电阻和电容 R,40由图3-3，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 k,0 R,KR,1.013，40k,,40.52k,，取40 k,ii0 ,0.03,6iC,,F,0.75，10F,0.75,F,F，取0.75 3iR40，10i 4T4，0.02,6oiC,,F,0.2，10F,0.2,F,F，取0.2 oi3R40，100 ,，按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%，满足设计i 要求。 转速环的动态结构框图，如图4-4： 6 Idl(S)-Id(S)Un*(S)1+Ui*(S)N(S)1/RASR1TonS+1S+1+-CeTmSKi TonS+1 图4-4：转速环的动态结构框图 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图4-5所示： 图4-5：转速调节器原理图 *,n图中为转速给定电压，-为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调Un *节器的给定电压。 Ui 1．确定时间常数 1,2T,2，0.0037s,0.0074s（1）电流环等效时间常数： ,iKI T,0.01s（2）转速滤波时间常数： on 1T,，T,0.0074s，0.01s,0.0174s（3）转速环小时间常数之和，取 ,nonKI 2．选择转速调节器结构 根据设计要求，选择PI型调节器，其传递函数： ,(，1)Ksnn(), WsASR,sn3．计算转速调节器参数 7 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 ,,hT,5，0.0174s,0.087s n,n转速环开环增益： h，16,2,2 K,,s,396.4sN22222，5，0.01742hT,n可得ASR的比例系数为： (，1)h,CT6，0.05，0.132，0.18em ,,,11.7Kn22，5，0.007，0.5，0.0174h,RT,n4．校验近似条件 K,1,1N,,,K,,396.4，0.087s,34.5s转速环截止频率： cnNn,1（1）电流环传递函数简化条件为 K11135.1,1,1I,,s,63.7s， cn3T30.0037,i满足简化条件。 （2）转速环小时间常数近似处理条件为 K11135.1,1,1I, ,s,38.7s，cn3T30.01on满足近似条件。 5．计算调节器电阻和电容 R,40由图4-5，取，则 k,0 R,KR,11.7，40k,,468k,，取470 k,nn0 ,0.087,6nC,,F,0.185，10F,0.185,F,F，取0.2 3nR470，10n 4T4，0.01,6onC,,F,1，10F,1,F,F，取1 on3R40，100 6．校核转速超调量 ,当h=5时，由表3-2，=37.6%，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况n 重新计算超调量。 7．按ASR退饱和重新计算超调量 ,CC,81.2%当h=5时，由表3-3查得，可得 maxb 8 136，0.5 0.01740.132,= 2，81.2%，1.5，，,8.31%，10%n14600.18能满足设计要求。 通过本次课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理 解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系 统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础 上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，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。直流拖动控制系统在 理论上和实践上都比较成熟。 虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力 量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中 要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做 的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些 思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题 要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改 善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。 对这次课程设计的顺利完成，我很感谢史老师，在设计中遇到了很多问题， 最后经过努力研究终于解决，感谢您的指导，请允许我向你们致意崇高的敬意， 感谢你，老师！ 9 [1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统，第三版.北京：机械工业出版社，2003 [2] 王兆安，黄俊.电力电子技术，第四版.北京：机械工业出版社，2003 [3] 孙亮等 自动控制原理。北京：北京工业大学出版社，2001 [4] 杨栓科主编，西安交通大学电子学教研组编. 模拟电子技术基础。北京：高等教育出 版社，2008 [5] 王毓银.数字电路逻辑设计，第三版.北京：高等教育出版社，2006 [6] 邱关源原著，罗先觉修订.电路，第五版.北京：高等教育出版社，2009 [7] 谢克明.自动控制原理.北京：电子工业出版社，2008 10