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1、直流电机双闭环系统的最佳工程设计实用文档(实用文档，可以直接使用，可编辑 优秀版资料，欢迎下载）专业：电气工程及其自动化学生姓名：袁 同 浩 指导教师：江 可 万完成时间：2021年12月18日运动控制课程设计 -双闭环系统的最佳工程设计摘要 1 第一章 设计任务- 3 -1。1 系统性能指标 3 1。2设计内容 3 -1。3应完成的技术文件 3 第二章 设计说明- 5 2。1 综述 5 -2。1.1电机学- 5 2.1。2电力电子技术- 5 2.1.3微电子技术 5 -2。1。4控制理论- 6 2.2 整流主电路- 6 2。3 整流触发电路 8 -2。3。1脉冲形成于放大环节 8 2.3。2
2、锯齿波的形成和脉冲移相环节- 8 2.3。3同步环节- 9 -2.4 转速电流双闭环控制系统- 10 -2.4.1稳态工作原理- 10 -2。4。2 动态工作原理 11 第三章 各参数计算 13 3。1整流装置的计算- 13 3。1.1变压器二次侧相电压的计算 13 3.1。2变压器及晶闸管容量计算 13 3。1。3平波电抗器的电感量的计算- 14 3.1。4晶闸管保护电路的计算 14 -3。2 控制电路参数的计算 15 3.2。1电动机额定参数及晶闸管变流器参数- 15 3。2。2 调节器参数的计算- 15 3.3 系统设计 16 3.3.1 电流环的设计 16 -3.3.2转速环的设计-
3、18 -参考资料- 21 附录 22 -摘要转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态特性优良、应用范围最广的调速系统。电流环设计成典型I型系统，具有很好的跟随性;速度换设计成典型II型系统,具有良好的抗干扰性能。本课程设计旨在按照工程设计方法设计出符合一定动、静特性指标的调速系统。其中电机参数有指导老师给定，大部分参数由自己计算得出。正个课程设计包含电力电子技术、自动控制技术以及直流电机调速原理。最后使用仿真软件MATLAB进行仿真。关键字 双闭环 直流调速 仿真 MATLAB第一章 设计任务本课程设计旨在设计出一套直流电动机的双闭环控制系统。电动机铭牌参数如下:；;；;；具体任务包含以下各
4、方面。1.1 系统性能指标1） 调速范围。2） 静差率。3) 电流超调量。4） 空载起动到额定转速的超调量 ，调整时间 .5) 当负载变化20的额定值、电网电压波动10额定值时: 最大动态速降 。动态恢复时间 。1.2设计内容1） 设计系统原理图。2） 计算调节器参数及其它参数。3） 编写课程设计说明书。1.3应完成的技术文件1） 设计说明书。2) 设计计算书。3) 系统原理图.4) 电气元件明细表。第二章 设计说明2.1 综述运动控制系统（motion control system)也可称作电力拖动自动控制系统(control systens of electric drive).运动控制系
5、统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入量的控制，来改变电动机的转矩、速度、位移等机械量，使其拖动的机械按照人们期望的要求运行，以满足工业现场的要求。随着工业的发展，对于运动控制的要求也越来越高，在这种背景下，运动控制系统日趋复杂,逐渐成为一个跨多学科的综合性技术。运动控制系统主要用到 以下学科的知识。2.1。1电机学电动机是运动控制系统的执行机构,电机的结果和原理决定了运动控制系统的设计方法和运行特性。随着新型数字电机的出现，也相应的出现了很多数字电机的控制系统.2。1.2电力电子技术以电力电子器件为基础的电力电子技术是运动控制系统的电源部分，其输出电源质量直接决定了整个系统的性能。新型
6、电力电子器件的诞生也催生了新型的功率放大和变换装置，这对于控制系统质量提升的有很大的积极作用。2.1.3微电子技术随着微电子技术的快速发展,各种高性能的大规模甚至超大规模的集成电路层出不穷，极大地方便和简化了运动控制系统的硬件设计和调试工作，提高了系统可靠性.同时高速、大内存、多功能的处理器的应用也是各种复杂算法成为可能，提高了控制精度缩短了开发周期。2.1。4控制理论控制理论是运动控制的理论基础，是指导系统分析和设计的依据。早期的经典控制理论催生了经典的PID控制器。随着科技进步，新的控制理论的出现也带来了运动控制领域控制方法的技术变革。本次课程设计主要是用经典的PID控制器实现对电机的控制
7、。运动控制系统从大的方面可以分成两类:直流调速和交流调速。在发展的早期,由于上述学科尚处于起步阶段，交流调速显得十分困难。在需要调速的领域主要是直流调速系统.这依赖于直流调速本身所具有的很多优越性.由电机学知识可以了解到,直流电机数学模型简单，调速方便，而其中又以改变电枢电压的方法最为灵活。本课程设计采用的也是此种方法.其中主要包括三相晶闸管相控整流主电路、相控整流触发电路和双闭环控制电路.2。2 整流主电路整流电路(Rectifier)是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备.整流电路应用十分广泛，直流电机就是其中一种十分常见的负载。整流电路可从很多角
8、度进行分类,主要分类方法是：按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种;按电路结构可分为桥式电路和零式电路;按交流输入相数分可分为单相、双相、三相和多相电路；按控制方法又可分为相控整流和斩波控制整流电路。本系统采用的是三相全控桥式晶闸管相控整流电路。这是因为电机容量相对较大，并且要求直流脉动小、容易滤波。其交流侧由三相电网直接供电，直流侧输出脉动很小的直流电。在分析时把直流电机当成阻感性加反电势负载.因为电机电流连续所以分析方法与阻感性负载相同,各参量计算公式亦相同。主电路拓扑结构如图22-1所示。 现简述其工作原理：在图2-21中，习惯将其中阴极连在一起的三个晶闸管(VT1，VT3，VT5）称
9、为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组.此外习惯上希望晶闸管按从1到6的顺序 图21 三相桥式整流电路主电路依次导通。为此将晶闸管按图示的顺序编号。在后面的分析完毕之后，可以看出，按此编号的晶闸管的导通顺序是VT1VT2-VT3VT4-VT5VT6.晶闸管导通规则是阳极有正向电压同时基极有触发脉冲.依据此规则可以画出当控制角时的波形图。如图222所示。如图从相电压波形看，三相桥式全控可看成两个半波电路的串联，输出电压是共阳极组和共阴极组的叠加。当时,其实就相当于三相桥式不控整流电路。在电动机负载是，为了保持电流连续通常在电枢回路串入大电感.因此主回路电流可
10、认为是平直的.随着控制角的增大输出电压将会减小。其输出电压和控制角的关系如下式 图2-2 控制角时的波形图 2.3 整流触发电路上述的晶闸管可控整流电路是通过改变触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。为保证相控电路的可靠工作，很重要的一点是应保证在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效地触发信号。图23-1是同步信号为锯齿波的触发电路。此电路输出可为双窄脉冲，也可为单窄脉冲，适用于两个晶闸管同时导通的电路,比如本次课程设计中的三相全控桥式电路。它可分为三个环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。2.3。1脉冲形成于放大环节=0时，由后面分析可知，
11、V4基极电压为零，V4截止.电源E（+15V）通过、V5、V6向电容C3充电.由于电流很大，V5很快饱和，其集电极电势近似于15V，V7、V8截止,无脉冲输出.=0.7时,V4导通，电容C3通过V4放电，A点电势近似1。4V（两个PN结）。由于电容两端电势不能突变，V5基极电势近似为30V,V5截止。此时V5集电极电势迅速回到3。1V（VD6、V7、V8三个PN结）左右，V7、V8同时导通，将脉冲放大后由变压器TP二次侧输出。随着电容的放电，V5集电极电势上升，直到15V，V5又重新导通。此时脉冲输出结束。从以上分析可见，脉冲前沿由V4导通时刻决定，脉冲宽度与电容放电(或反向充电）时间常数决定
12、.2。3.2锯齿波的形成和脉冲移相环节本电路采用恒流源的方法产生锯齿波。其中，、组成一恒流源，它与、一起组成锯齿波发生电路.当截止时，对充电，两端电压为即，按线性增长，也按线性增长。可以改变恒流源电流，从而改变锯齿波斜率.当导通时，由于阻值很小，电容C2迅速放电,迅速到零左右。当V2周期性的导通关断。在上便形成了锯齿波。由于V3射极跟随器的作用,也形成以锯齿波。V4管的基极电压由锯齿波电压、直流控制电压、直流偏移电压叠加而成。的目的是确定直流控制电压=0时的脉冲初始相位。2。3。3同步环节在锯齿波的同步触发电路中，同步是指要求锯齿波的频率和主电路（即三相电源）的频率相同且相位关系确定不变。要做
13、到这一点，就要使V2的开关频率与主电路的频率相同即可。为此将同步变压器TS和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次侧电压控制V2的开关,这样便保证了触发脉冲与主电路的同步。 图2-3同步信号为锯齿波的触发电路2.4 转速电流双闭环控制系统对于经常正反转运行的调速系统，缩短起、制动的时间是提高生产效率的重要因素。为此我们希望电机有如下理想要求：在启动期间，电机电枢电流保持在最大值尽快的加速到额定转速；当速度到达额定值后又希望电流立即降下来使电磁转矩和负载转矩平衡，从而快速进入稳态运行。根据经典控制理论，引入某一量的反馈，便可以使该量保持不变.为此，可以设计出两个调节器分别引入转速和电流的负
14、反馈。其结构图如图2-41所示。 图 24 双闭系统环结构图2。4.1稳态工作原理双闭环控制系统稳态结构图如图2-42所示，两个调节器俊采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压决定了电力电子变换器的最大输出电压.当调节器饱和时，其输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出量，直到有反向的输入信号使其退出饱和。在正常情况下稳态时,转速调节器ASR和电流调节器ACR均不饱和,都工作在无静差的状态,于是有：=式中，、分别为转速和电流反馈系数.两个给定电压最大值和设计者选定，具体数值下文计算.当电机由于堵转等因素转速迅速降低，电枢电
15、流迅速增大并超过最大值时，转速调节器ASR饱和。只有电流调节器工作在无静差状态，并将电枢电流限制在. 图25 系统稳态结构图2。4。2 动态工作原理2.4。2。1 启动过程分析第I阶段 电流上升阶段：在突加给定电压后，经过两个调节器的跟随，、都上升，但在没达到负载电流以前，电机还是不能转动。当后,电机开始转动，但由于电机的惯性作用，电机转速增大的很慢，ASR的输入偏差依然很大，足以使其饱和。此时，ASR输出最大值，在ACR的作用在，电枢电流很快上升到最大值，同时ACR也限制了电流的继续增长,使电流保持在最大值（后面分析可知其小于）上，此阶段结束。第II阶段 恒流升速阶段:此阶段，转速调节器不起作用,整个系统相当于电流调节器的电流给定控制系统。ACR将电流稳定在最大值
