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1、运动控制系统课程设计题 目: 带转速微分负反馈直流双闭环调试系统设计 院系名称: 专业班级: 学生姓名: 学 号: 指导教师: 评语：成绩摘要电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。单闭环系统用 PI 调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩干扰对转速稳态的影响。但单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动
2、态过程。因此常采用双闭环系统，因为电流调节器是内环，因此首先设计电流调节器，对其进行必要的变化和近似处理，电流环设计完后，把电流环等效成转速环的一个环节进行处理，从而设计转速调节器。再根据设计要求设计转速微分负反馈，使系统的转速无超调。同时双闭环直流调速系统的设计进行了分析及其原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，并介绍电流调节器和转速调节器的设计和一些参数选择、计算，使其设计参数要求的指标。关键词：双闭环系统 电流调节器 转速环 转速微分负反馈目录1 概述 .12 设计要求与方案 .12.1 设计要求 .12.2 设计方案 .13 系统电路的设计 .33.1 转速给定电路的设计
3、 .33.2 系统主电路的设计 .43.3 转速检测电路的设计 .43.4 电流检测电路的设计 .43.5 触发电路的设计 .43.6 电流调节器电路的设计 .43.7 转速调节器电路的设计 .43.8 转速微分负反馈电路的设计 .44 系统参数的整定 .44.1 电流调节器参数的整定 .44.1.1 电流调节器的简化与选型 .44.1.2 电流调节器参数的计算 .44.2 转速调节器参数的整定 .44.2.1 转速调节器的简化与选型 .44.2.2 转速调节器参数的计算 .44.2.2 转速微分负反馈的计算 .45 设计心得 .46 参考文献 .401 概述闭环调速比开环调速具有更好的调速性
4、能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。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；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。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，但由于当转速调节器采用 PI 调节器时，转速必然有超调，该控制系统中要求转速超调为 0，所以需引入转速微分负反馈来抑制消除超调。
5、2 设计要求与方案2.1 设计要求1. 稳态指标无静差，且动态指标的电流超调量 i 5%；采用转速微分负反馈使转速超调量等于 0。2. 确定设计方案。3. 按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。2.2 设计方案根据设计要求确定该系统的设计方案。串级控制系统与单回路控制系统相比具有单回路控制系统的全部优点，同时有单回路控制系统没有的优点，如提高了被控对象的等效时间常数；提高了系统的工作频率；对负载的变化具有一定的自适应能力等。而且该系统有两个控制参数即被控制量，一个是电流，一个是转速。由于系统希望最终能获得很好的转速，所以主变量
6、应为转速，即将1转速环设置为外环；同时电流环就成为了内环。通过转速调节器和电流调节器控制系统的转速的变换，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。同时转速调节器和电流调节器使用 PI 调节器，从而获得更好地静态和动态性能。但由于当转速调节器采用 PI调节器时，转速必然有超调，该控制系统中要求转速超调为 0，所以需引入其他控制方式来抑制消除超调，可以采用转速微分负反馈。从而形成带转速微分负反馈直流双闭环调速系统设计。该系统的设计仍然采用直流双闭环调速系统设计，只是在最后单独设计转速微分负反馈。系统组成有电流调节器，转速调节器，电流变换器（检测电流
7、值） ，整流电路，转速测量等。系统整流装置采用三相桥式整流，同时注意系统的过电保护。直流双闭环调速系统原理图如图2.2.1。直流双闭环调速系统动态结构图如图 2.2.2 所示。ACR UPE MTGASR+- +-TA+-+-nnI图 2.2.1 双闭环直流调速系统原理图ASR转速 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器 转速给定电压*nU转速反馈电压 电流给定电压 电流反馈电压nU*iUi2ASR ACR+-+- +-+-图 2.2.2 双闭环调速系统的动态结构图3 系统电路的设计3.1 转速给定电路的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
8、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。转速给定电路设计图如图 3.1 所示。3S1 S2R1R2RP1RP2+15V-15VGNDGNDUn*图 3.1 转速给定电路图3.2 系统主电路的设计主电路采用晶闸管三相全控整流，整流变压器将公共电网的交流电压变换成整流桥可用的电源电压，而整流晶闸管组构成三相全控桥，将交流电变换成直流电，从而作为直流电动机的电源电压。直接整流得到的电流和电压往往有较大的脉动，若直接作为直流
9、电动机的电源电压，将会引起电机振动及噪声。为此，需要在主电路的直流侧加入平波电抗器和 RC 滤波电路，从而减小整流器输出电流脉动以及输出电压脉动。系统主电路图如图 3.2 所示。4A-+ MQ3Q4Q1Q2Q5L1TA11 TA12TA21 TA22TA31 TA32- -Q?SCR图 3.2 系统主电路图主电路中包含了系统的过电保护电路的设计。晶闸管的过电流保护，如图3.2，通过快速熔断器进行保护。晶闸管的过电压保护是通过并联 RC 电路。因直流侧的电压也会出现过电压，所以也需要通过 RC 电路来保护过电压对电路的影响。3.3 转速检测电路的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
10、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 3.3 所示。5A-+ TGA-+ MRP3Ud U+-+-Un图 3.3 转速检测电路图3.4 电流检测电路的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 3.4 所示
11、。6D1 D2 D3D4 D5 D6R1R2R3RP4 UiTA11TA12TA21TA22TA31TA32图 3.4 电流检测电路图3.5 触发电路的设计由于设计中采用三相全控桥式整流电路，所以需要设计移向触发电路。采用 K04 可控硅移向触发器，K04 输出两路相位差 180 度的移相脉冲，可方便地构成全控桥式触发电路。该电路具有输出负载能力大，移相性能好，正负半周相位值均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求小。K04 电路内部原理图如图3.5 所示。7R7T1T4T5T6T7T8T9T10T1116 +15VT2T3T12T13T14T15R5Rw1R6R3R1R2C11314-15V信信
12、信信信信C2+24V53491112UyUp115图 3.5 K04 电路内部原理图8C1 接在 T5 的基极，组成密勒积分器，形成线性增大的锯齿波，锯齿波的斜率由“3”端外接的电阻和积分电容 C1 的数值所决定。T6 是比较放大级，锯齿波、外部的移相电压及偏移电压在 T6 的基极进行综合比较放大，当输入 T6基极的电流大于零时，T6 导通，外接的 R 和 C 将 T6 集电极的脉冲进行微分，输入 T7 基极，在 T7 集电极得到一定宽度的移相脉冲。在 T7 集电极上得到的脉冲是正负半周都有的相隔 180 度的脉冲。经过 T8 和 T12 分别截去副半周和正半周的脉冲，得到正向和负向的触发脉冲。T9 T15 是功放极，分别对正、负半周的脉冲作功率放大，使两个输出端都有 100mA 的输出能力。 13、14 端提供脉冲列调制和脉冲封锁的控制端。其中脉冲列调制和脉冲封锁是由 KC41和 KC42 两种器件组成，经过它们的作用后，1 和 15 端输出的脉冲触发序列可直接接与整流电路，使整流电路移相
