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1、自动控制系统课程设计报告课程名称：自动控制系统课程设计 设计题目：配合控制的有环流可逆调速系统设计院 系：电气工程系 班 级： 设 计 者： 学 号： 同 组 人： 指导教师： 设计时间： 2015.11.9 课程设计（论文）任务书专 业电气工程及其自动化班 级学 生指导教师题 目配合控制的有环流可逆调速系统设计子 题设计时间2014年11 月 3 日 至 2014年11 月14 日 共 2 周设计要求设计目的：1. 通过课程设计掌握双闭环控制系统分析与设计方法。2. 掌握典型双闭环调速系统的组成，动态和静态性能指标与对数频率型的关系。3. 根据实际情况，掌握设计转速调节器，电流调节器的一般方
2、法。4. 培养自己科学严谨的治学态度。设计内容：1. 转速调节器，电流调节器（ASR，ACR）具有抗干扰滤波能力，典型型系统设计。2. 电流调节器ACR具有很强的调节能力，按典型型系统设计。3. 稳态指标：无静差。4. 动态指标：电流超调量i15%；空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。基本参数如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.127Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：Ks=35。电枢回路总电阻：R=0.2。时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s。电流反馈系数：=0.05V/A。转速反馈系数：=0.007Vmin/r。绪论转速、电
3、流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计包括触发电路和励磁回路的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着控制电路的设计包括电流环、转速环的设计以及反馈回路（电流反馈、转速反馈）的设计。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套联接
4、。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算,最后画出了调速控制电路电气原理图。第一章 配合控制的有环流可逆调速系统总体设计1.1总体设计原理采用两组晶闸管整流装置反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，两组装置的整流电压同时出现时，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称为环流。一般来说，这样的环流对系统无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制或消除
5、。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。于是由得 其中和分别为VF和VR的触发延迟角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压Ud0max是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有或如果反组的触发延迟角用逆变角r表示，则称作=配合控制。为更可靠地消除直流平均环流，可采用为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即当控制电压Uc=0时，使，此时，电机处于停滞状态。增大控制电压Uc移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。这样的触发控制电路如图1所示。
6、图1.触发控制电路1.2整体设计框图图2. 转速电流双闭环控制系统整体设计框图主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中：正组晶闸管VF，由GTF控制触发，正转时，VF整流；反转时，VF逆变。反组晶闸管VR，由GTR控制触发，反转时，VR整流；正转时，VR逆变。转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小触发角与最小逆变角。1.3 晶闸管触发电路设计本设计用到两组三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次
7、相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路。（1）三相全控桥整流电路的集成触发电路如图3所示图3.三相全控桥整流电路的集成触发电路（2）隔离电路由于晶闸管在主回路中，与触发电路直接相连时易导通，所以要设计一个变压器隔离两部分电路。VD1、VD2用来消除负半周波。图4. 隔离电路（3）电源触发电路需要+15V、15V的稳压电源（直流）和、同步信号，利用变压器将电网电压降压后接入。 图5. 同步信号变压器第二章 调节器的设计2.1 电流调节器设计双闭环直流调速系统动态结构图如图5所示图6
8、. 双闭环直流调速系统动态结构图忽略反电动势的影响，并把Ts和Toi当作小惯性群近似环节处理，电流内环可化简为图7. 电流环化简后的结构图2.1.1 确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts。主电路为三相桥式电路，平均失控时间Ts=0.0017s电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头时间为3.3ms，应有（12）Toi=3.33ms，取Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和。=0.0037s电枢回路电磁时间常数。=0.03s电力拖动系统机电时间常数Tm=0.18s。2.1.2 选择电流调节器结构从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由上图可以看出，采用I型系统就够
9、了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素，为此，电流环应以跟随性为主，应选用典型I型系统。2.1.3 计算调节器参数及近似条件校验（1）调节器参数计算采用PI型调节器，其传递函数可以写成式中 Ki-电流调节器的比例系数； -电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构图便成为图8. 校正成典型I型的电流环动态结构图其中设计要求电流环超调量i15%，可选择，则 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器的原理图如图9所示图9. PI型电流调
10、节器的原理图根据运算放大器的原理导出（2）近似条件校验：电流环截止频率为1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件，满足近似条件2）忽略反电动势对电流环动态影响的条件，满足近似条件3） 电流环小时间常数近似处理条件，满足近似条件3.1.4 电流调节器的实现取R0=40k，求得，。2.2 转速调节器设计2.2.1 电流环经简化后可视为转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数。忽略高次项，上式可降阶近似为电流环等效时间常数为用电流环的等效环节代替电流环，并等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理后的转速环动态结构图如图10所示图10. 转速环等效后的动态结构图其中2.2.1 转速调节器结构的选择AS
11、R也采用PI调节器，其传递函数为式中 Kn-转速调节器的比例系数； -转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为其中2.2.3 转速调节器参数的选择已知，则转速滤波时间常数Ton。Ton=0.01s转速环小时间常数转速调节器的参数包括Kn和。按跟随性和抗扰性都较好的原则，取h=5,得由得2.2.4 校验近似条件及转速超调量转速环截止频率为（1）校验近似条件1）电流环传递函数简化条件为，满足近似条件2）转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件（2）转速超调量满足设计要求2.2.5 转速调节器的实现模拟式转速调节器电路原理如图11所示图11. PI型转速调节器的原理图 取R0=4
12、0k，求得 第三章 其他辅助回路的设计3.1 励磁回路图12. 励磁回路设计原理图本设计要求励磁额定电压220V，则可通过三相半波进行整流，通过RP进行 电压调节，使励磁线圈两侧电压为220V。欠电流继电器可以进行失磁保护，当电流小于某一数值时将电路断开，防止因失磁而引起飞车现象。3.2 限幅电路在运算放大器的输出端需要加入限幅环节，对输出信号的幅值进行限制。约束了下一环节输入信号的最大值，同时保护运放。本设计中的电流调节器、转速调节器都设置了双向输出限幅，以限制最大制动电流和最小控制角与最小逆变角。图13. 限幅电路原理图3.3反相器反相器AR由运算放大器i及有关电阻组成，如图14所示。用于
13、调速系统中信号需要倒相的场合。反相器的输入信号U1=Uc由信号放大器的反向输入，故输出电压为，调节RP的可动触点，可改变RP的数值，使RP1+R3=R1,则U2=-U1=-Uc，输入与输出形成倒相关系。图14. 反相器原理图3.4直流稳压电源图15. 直流稳压电源由单相桥式整流器和三端稳压器构成的稳压电源，作为给定电源。电路的组成：电路经变压器变压后的42V电压经单相桥式整流后向给定电路提供电源。将变压器线圈分为两部分，中间接地，以得到正、负电压同时输出。在电桥的两端分别串入一对容量较大的电容、和一对容量较小的电容、，两对电容的中间接地。在正电压输出端串入三端稳压器LM117，在负电压输出端串
14、入LM137.分别稳定+15V、-15V电压的输出。为了保证电压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻，同时电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线电阻上产生误差电压。电路的工作原理：给定电路的电源由单向不可控整流后的电源提供。电源电压经变压器变压后的输出电压是42V，变压器线圈绕组的中间接地，经变压器分为两个同时输出21V的副边电压。电流经不可控整流后，直接向稳压器提供稳压电源。21V的电流经整流桥后，输入稳压器的电压大约为 这样稳压器LM117可输出电压为+15V，LM137可输出电压-15V。整流后输出电压的电流为正弦波形电流，在整流桥的两端并入电容、后，可将正弦波电流变为输出电流大小基本恒定的电流源，有利于稳压器的稳压与给定电路的稳定输出。稳压器的输入端并入电容、用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，接线不
