《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計配合控制直流雙閉環(huán)自然環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計

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1、武漢理工大學(xué)《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 目錄 前言 1 1總體方案設(shè)計 2 1.1總體的設(shè)計原理 2 1.2整體設(shè)計框圖 3 2主電路設(shè)計 5 2.1主電路原理及電路圖 5 2.2晶閘管觸發(fā)電路原理 6 3調(diào)節(jié)器設(shè)計 8 3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計 8 3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計 11 4反饋及其他電路 16 4.1轉(zhuǎn)速及電流反饋環(huán)節(jié)設(shè)計 16 4.2給定器設(shè)計 16 4.3穩(wěn)壓電源設(shè)計 17 4.4保護及其他電路設(shè)計 17 設(shè)計心得 19 參考文獻 20 附錄: 21 前言 許多生產(chǎn)機械要求電動機既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速的啟動和制動，這就

2、需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，即需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。 較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管－電動機系統(tǒng)。即采用兩組晶閘管整流裝置反向并聯(lián)的方法實現(xiàn)系統(tǒng)的可逆運行。但是，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱為環(huán)流，加重晶閘管和變壓器的負擔(dān)，甚至導(dǎo)致晶閘管損壞。 α＝β配合控制消除直流平均環(huán)流的原則是正組整流裝置處于整流狀態(tài)，即Ud0f為正時，強迫使反組處于逆變狀態(tài)，即Ud0r，且幅值相等，使逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環(huán)流為零。 1總體方案設(shè)計 1.1總體

3、的設(shè)計原理 晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)解決了電動機的正反轉(zhuǎn)和回饋制動問題，但是，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱為環(huán)流。加重晶閘管和變壓器的負擔(dān)，消耗功率。因此應(yīng)該予以抑制或消除。 為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該當(dāng)正組處于整流狀態(tài)時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)，且控制其幅值與之相等，用逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是 Ud0r = －Ud0f 由 得 Ud0f = Ud0max cosaf Ud0r = Ud0max cosar

4、 其中 af 和ar 分別為VF和VR的控制角。 由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓 Ud0max 是一樣的，因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為零時，應(yīng)有 cosa r = – cosa f 或 a r + a f = 180 如果反組的控制用逆變角 b r 表示，則 a f = b r

5、 稱作α=β配合控制。為更可靠的消除環(huán)流，可采用a f ≥b r 為了實現(xiàn)配合控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90，即 當(dāng)控制電壓 Uc= 0 時，使a f = ar = 90，此時 Ud0f = Ud0r = 0 ，電機處于停止?fàn)顟B(tài)。增大控制電壓Uc 移相時，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了。 這樣的觸發(fā)控制電路示于下圖。 圖1 觸發(fā)控制電路圖 GTF--正組觸發(fā)裝置 GTR--反組觸發(fā)裝置 AR--反相器 M VR VF Rrec Rrec -1 AR GTR GTF Uc Ra

6、 1.2整體設(shè)計框圖 M VR VF -1 AR GTR GTF Uc ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + - TG Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 TM TA Ld Uc -- -- 圖2 整體設(shè)計框圖 主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路， 其中： 正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)， 正轉(zhuǎn)時，VF整流； 反轉(zhuǎn)時，VF逆變。 反組晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)，

7、 反轉(zhuǎn)時，VR整流； 正轉(zhuǎn)時，VR逆變。 根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運行的需要，給定電壓、轉(zhuǎn)速反饋電壓、電流反饋電壓都應(yīng)該能夠反映正和負的極性。這里 給定電壓：正轉(zhuǎn)時，KF閉合， U*n=“+”； 反轉(zhuǎn)時，KR閉合，U*n =“-”。 轉(zhuǎn)速反饋：正轉(zhuǎn)時， Un=“-”， 反轉(zhuǎn)時，Un =“+”。 控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中： 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR控制轉(zhuǎn)速，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動電流； 電流調(diào)節(jié)器ACR控制電流，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最小控制角 amin 與

8、最小逆變角 bmin 。 2主電路設(shè)計 2.1主電路原理及電路圖 作為整流裝置電源用的變壓器稱為整流變壓器。 一般的變壓器有整流跟變壓兩項功能,其中整流是把交流變直流。整流的過程中,采用三相橋式全控整流電路。 在三相橋式反并聯(lián)可逆線路中，由于每一組橋又有兩條并聯(lián)的環(huán)流通道，總共要設(shè)置4個環(huán)流電抗器。 主回路原理圖如下： ~ VF VR A B C a b c M 圖3 主回路原理圖 可控整流的原理：當(dāng)晶閘管的陽極和陰極之間承正向電壓并且門極加觸發(fā)信號晶閘管導(dǎo)通，并且去掉門極的觸發(fā)信號晶閘管依然維持導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽極和陰極之間承受

9、反向電壓并且門極不管加不加觸發(fā)信號晶閘管關(guān)斷。 晶閘管導(dǎo)通的條件：受正向陽極電壓，同時受正向門極電壓，一旦導(dǎo)通后，門極信號去掉后晶閘管仍導(dǎo)通。晶閘管維持導(dǎo)通的條件：繼續(xù)受正向陽極電壓，同時流過晶閘管的電流大于它的維持電流。晶閘管關(guān)斷條件：必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加一反電壓，或者設(shè)法使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 2.2晶閘管觸發(fā)電路原理 對三相橋式全控整流電路，六個晶閘管需要依次輪流觸發(fā)。為了確保實現(xiàn)每個晶閘管的準(zhǔn)確導(dǎo)通，可采用兩種方法實現(xiàn)：一是提供寬度大于60小于120的寬脈沖，二是提供間隔60的雙窄脈沖。前者需要觸發(fā)電路輸出較大的功率，進而使脈沖變

10、壓器功率也相應(yīng)增大，所以很少采用，一般都采用雙窄脈沖。 由分立元件組成的晶閘管電路的觸發(fā)電路種類很多，有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及同步信號為正弦波以及同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路等，這些電路都有自己的特點和適用范圍。相比較而言，同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路由于不受電網(wǎng)波動和波形畸變的影響，同時具有較寬的調(diào)節(jié)范圍和較強的抗干擾能力，因而得到了廣泛應(yīng)用。此電路的輸出為雙窄脈沖(也可為單窄脈沖)，適用于必須有兩相的晶閘管同時導(dǎo)通才能形成通路的電路，例如本例中的晶閘管三相橋式全控電路。 下圖所示為同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路。它由5 個基本環(huán)節(jié)組成：鋸齒波形成與脈沖移相控制環(huán)節(jié)；同步檢測環(huán)

11、節(jié)；脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)；雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)和強觸發(fā)環(huán)節(jié)。 VT5、VT6兩個晶體管構(gòu)成一個“或”門電路，當(dāng)兩個晶體管都導(dǎo)通時， VT7、VT8截止，不會輸出觸發(fā)脈沖。但不論哪個管子截止，都會使晶體管VT5集電極電壓u C5 變?yōu)檎妷?，使得VT7、VT8管導(dǎo)通，從而輸出觸發(fā)脈沖。所以只要用適當(dāng)?shù)男盘杹砜刂剖筕T5或VT6截止(前后間隔60 )，就可以產(chǎn)生符合要求的雙窄脈沖。對照下圖，同時參看上圖的X，Y 接線端，1 號觸發(fā)器內(nèi)由晶體管VT4向VT5的基極送出的負脈沖信號使VT5截止，VT7、VT8導(dǎo)通一次，對元件1 輸出第一個觸發(fā)窄脈沖。經(jīng)過60后，2 號觸發(fā)器同樣對元件2 送出第一個

12、窄脈沖，同時由該觸發(fā)器中VT4管的集電極經(jīng)的X 端送到與之相連的1號觸發(fā)器的Y端，使1號觸發(fā)器電路中電容C4微分，產(chǎn)生負脈沖送至VT6基極，使VT6截止，VT7、VT8又導(dǎo)通一次，從而由1 號觸發(fā)器輸出第二個窄脈沖，且第二個脈沖比第一個脈沖滯后60。以下重復(fù)這樣的過程，循環(huán)反復(fù)，就會使得六個晶閘管都得到相隔60的觸發(fā)脈沖。VD4、R17的作用是防止雙脈沖信號互相干擾。 圖4 圖4 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路 3調(diào)節(jié)器設(shè)計 3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計

13、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： -IdL Ud0 Un + - - + - Ui ACR 1/R Tl s+1 R Tms U*i Uc Ks Tss+1 Id 1 Ce + E b T0is+1 1 T0is+1 ASR 1 T0ns+1 a T0ns+1 U*n n 圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu) 忽略反電動勢的影響，并把Tc和Toi當(dāng)作小慣性群近似處理，電流內(nèi)環(huán)可化簡為下圖： + - ACR Uc (s) bKs /R (Tls+1)(TSis+1) Id (s)

14、 T∑i=Ts+Toi U*i(s)b 圖6電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu) 確定時間常數(shù) 1) 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。 主電路為三相橋式電路，平均失控時間Ts=0.0017s 2) 電流濾波時間常數(shù) Toi。 三相橋式電路每個波頭時間為3.3ms，應(yīng)有(1~2)Toi=3.33ms，取Toi=2ms=0.002s。 3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 T∑i。T∑i=Ts+Toi=0.0037s 4) 電樞回路電磁時間常數(shù) Tl。 Tl=L/R=0.03s 5) 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù) Tm。Tm=(GD2R)/(375CeCm )=0.18s 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望

15、電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由上圖可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。 從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 計算調(diào)節(jié)器參數(shù)及近似條件校驗 采用PI型調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)可寫成： 式中 Ki — 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ti — 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 =0.03 則電流環(huán)的動

16、態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為下圖所示的典型形式 Id (s) K I s(TSis+1) + - U*i(s)b 圖7 典型形式的電流環(huán) 其中 校正后電流環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性如圖8 0 L/dB wci -20dB/dec w /s-1 -40dB/dec ∑i T∑i 圖8 電流環(huán)對數(shù)幅頻特性 設(shè)計要求電流環(huán)超調(diào)量σi≤5%，可選可選 x =0.707，KI TSi =0.5，則 即 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖9所示 圖9 PI型電流調(diào)節(jié)器 根據(jù)運算放大器電路原理，導(dǎo)出：

17、 電流環(huán)截止頻率為 ωci=KI= 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 ， 滿足近似條件。 忽略反電動勢對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 ， 滿足近似條件。 3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 ， 滿足近似條件。 電流調(diào)節(jié)器實現(xiàn) 取R0=40KΩ，求得 Ri=KiR0=41.6kΩ 取40kΩ Ci=τi/Ri≈0.77μF 取0.75μF Coi=4Toi/R0=0.2μF取0.2μF 3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

18、 忽略高次項，上式可降階近似為 電流環(huán)等效時間常數(shù)為1/KI 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成 U*n(s)/a，再把時間常數(shù)為 1 / KI 和 Ton 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為T∑n的慣性環(huán)節(jié)，其中 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理 TSns+1 Ui*(s)/β n (s) + - ASR CeTms R U*n(s) + - IdL (s) Id (s) a /b TSns+1 圖10 單位負反饋系統(tǒng)的近似處理結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選

19、擇 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型 Ⅱ 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中 Kn — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； t n — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 其中 校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為 n (s) + - U*n(s) a 圖11校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

20、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 已知KIT∑i=0.5，則 1/KI＝2T∑i＝20.0037s＝0.0074s 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton，取Ton=0.01s 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) T∑n=1/KI+Ton=0.0174s 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn 和 tn。 按跟隨和抗擾性能都較好原則，取h=5 得 τn=0.087s 再由 得 校驗近似條件及轉(zhuǎn)速超調(diào)量 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 ， 滿足近似條件。 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 ， 滿足近似條

21、件。 滿足設(shè)計要求。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) 模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路原理圖 圖12模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路原理圖 取R0=40KΩ，求得 Rn=KnR0=239.6KΩ Cn=τn/Rn=0.36μF Con=4Ton/R0=1μF 4反饋及其他電路 4.1轉(zhuǎn)速及電流反饋環(huán)節(jié)設(shè)計 轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)主要作用是將測速發(fā)電機輸出的電壓進行濾波，濾除交流分量并變換為能滿足系統(tǒng)需要的與電動機轉(zhuǎn)速成正比的電壓作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋信號，另外還備有轉(zhuǎn)速的檢測信號。 圖1

22、3 轉(zhuǎn)速檢測電路 電流檢測環(huán)節(jié)為電流調(diào)節(jié)器提供電流反饋信號，可逆調(diào)速系統(tǒng)要求反饋電流能夠反映電流的極性，可采用霍爾傳感器。 4.2給定器設(shè)計 給定器可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。 +15V -15V 正 負 S1 S2 S1為正負作用切換開關(guān) S2為階躍作用開關(guān) 圖14 給定器電路 4.3穩(wěn)壓電源設(shè)計 穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定的15V直流電源向所有需要直流電源的各控制單元供電，它由整流、濾波、穩(wěn)壓三個部分組成。 原理圖如圖15 圖15 穩(wěn)壓電源電路 4.4保護及其他電路設(shè)計 晶閘管保護電路 晶閘管的保護電路，大致可

23、以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。 1） 晶閘管的過流保護 晶閘管本身流過電流超過其所能承受最大電流時，電流所產(chǎn)生熱量會將晶閘管燒毀擊穿，引起事故。常見的保護措施是在晶閘管回路中串入快速熔斷器。 2） 晶閘管的過壓保護 晶閘管設(shè)備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行中以及非正常運

24、行中也有過電壓出現(xiàn)。 過電壓保護的常見方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。 下面是常見簡單保護電路的原理圖。 圖16 保護電路1 圖17 保護電路2 設(shè)計心得 本設(shè)計為“配合控制直流雙閉環(huán)自然環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計”，經(jīng)過調(diào)試證明設(shè)計的雙閉環(huán)系統(tǒng)能滿足設(shè)計指標(biāo)的要求，完成了設(shè)計任務(wù)。該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，機械特性偏硬，快速起制動，突加負載動態(tài)速將小。并采用α=β配合控制消除了直流平均環(huán)流。 經(jīng)過兩周的課程設(shè)計，使我對晶閘管觸發(fā)電路有了更深一步的了解。在此次課題的設(shè)計中，讓我看到了

25、團隊合作，共同進步的重要性，并且通過對資料的查找搜集，歸納總結(jié)和獨立思考，使自己又有了一次較好的鍛煉機會。我逐漸意識到要想做好一件事情必須要動腦思考，有計劃，有目的的進行實踐，才會是辦事的效率更高，效果更好。做事首先要通過自己的努力后，如果發(fā)現(xiàn)存在不明白的地方在想別人請教，采納別人的意見，共同達到目標(biāo)。我還發(fā)現(xiàn)了許多自身的毛病，自己有很多東西都不會，有很多只是需要去學(xué)習(xí)，就晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計而言，發(fā)現(xiàn)許多以前學(xué)過的知識都記不太清了，學(xué)的不牢固，比如說制作電子版的課程設(shè)計需要用Word文檔，里面還有一些知識沒有掌握好，溫故而知新，才會不斷提高。以前學(xué)過的protel等畫圖軟件也通過本次課程設(shè)計

26、學(xué)到了許多。 在設(shè)計的過程中，我遇到了許多書本上沒有的知識，只能翻閱其它資料和借助網(wǎng)絡(luò)。得到了很多實踐的機會，對我以后走上工作崗位積累了寶貴的經(jīng)驗。 參考文獻 [1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.2007. [2] 王兆安.黃俊.電力電子技術(shù).機械工業(yè)出版社.2000. [3]李華得.電力拖動自動控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.2006. [4]李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.2002. [5]爾桂花.運動控制系統(tǒng).清華大學(xué)出版社.2004. 附錄: 21