直流双闭环调速转速微分负反馈设计
直流双闭环调速转速微分负反馈设计
上海大学 东方贱人
摘 要
直流调速系统的控制通常是转速、电流反馈来完成的,它的静态性能和动态性能可以说是非常不错的,它的这些特点让它很多运用在工程项目中。电源的大小可以让晶闸管可控整流电源来调整。为了满足课题的条件,在系统的设计中使用了两个调制器,它们分别是转速控制器(ASR )和电流控制器(ACR )。速度控制系统的电源电路的设计是使用三相全控桥整流电路实现的。在课题里面,开始对整个设计的方框有了一个确定。接着对主要的线路的结构和每个元器件进有了设计。在这个时候,对晶闸管、电抗器等主要元起见的数值进行了逻辑运算。本文最后一部分对直流调速系统的速度环和电流环设计进行了设计,并对其进行了设计。为了使速度和电流的负反馈能起到一定的作用,因此,应使其嵌套连接速度和电流负反馈。简单地从布局的话,外环是指相应的速度环,和相反的是,内环是在当前的循环速度环。设计后的速度控制系统,它是电流负反馈和速度负反馈的核心。对所有零件的设计完成后,对整个系统的仿真实验,使用MATLAB ,和系统数据进行了详细的分析,并得出结果。
关键词:直流双闭环调速转速系统 转速负反馈 电流负反馈
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
Abstract
The speed and current feedback control of dc speed control system has excellent static and dynamic performance and the most widely application scope. It through controlled rectifying power supply to adjust the size of the power supply mainly. According to the design requirements of the title, it uses ASR and ACR as the controller of speed control system in the control circuit. The power supply circuit of the speed control system of design uses the Sedan fully-controlled bridge rectifier circuit. Firstly, we need determine the overall plan and diagram of this design before the design. Secondly, we need identify and design the structure of main circuit and the various components. At the same time, including the parameters of thyristor, reactor, etc. Finally, focus on the design of the most important two parts which are speed loop and current loop dc speed control system in the design. In the system were introduced speed negative feedback and current feedback and the implementation of a nested connection can realize the speed and current two kind of negative feedback effect between the two respectively. On the layout of it simply, current loop is referred to as the inner ring, because it is in the inside. Speed ring is called the outer ring, because current loop is in the interior of the speed loop. Through this design, the core of the double closed loop speed regulation system: speed negative feedback and current feedback is formed. After all parts of the design is done, using MATLAB simulation to do the experiments to the whole system and analyze the data, we can safely draw the conclusion.
Keywords : DC motor; double closed loop; speed ring; current loop
目 录
摘 要 .............................................................................................. I Abstract . ............................................................................................ I I
1 概述 .............................................................................................. 1
1.1 直流调速系统的概述........................................................................... 1
1.2 钻研课题的意义................................................................................... 1
1.3 国内外研究现状................................................................................... 2
1.4 设计内容和要求................................................................................... 2
1.4.1 设计要求............................................................................................ 2
1.4.2 设计内容............................................................................................ 2
2 双闭环直流调速系统设计框图 .................................................. 3
3 双闭环直流调速系统的工作原理和数学模型 . ......................... 3
3.1 双闭环直流调速系统的工作原理....................................................... 3
3.1.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标............................................ 3
3.1.2 直流调速电路必须要处理的问题.................................................... 4
3.1.3 直流双闭环调速系统原理框图........................................................ 5
3.1.4 双闭环直流调速系统的动态过程分析............................................ 6
3.1.5 数学模型的参数的确定.................................................................... 8
4 系统主电路的结构 .................................................................... 10
4.1 主电路拓扑结构的确定..................................................................... 10
4.1.1 可控直流电源的选择...................................................................... 10
4.1.2 主电路原理图.................................................................................. 10
4.2 在额定励磁下直流电动机的数学模型............................................... 11
5 主电路各器件的选择和参数计算 ............................................ 13
5.1 主电路保护电路的设计的必要性..................................................... 13
5.1.1 过电压保护设计.............................................................................. 13
5.1.2 过电流保护设计.............................................................................. 14
5.2 整流变压器和晶闸管的选择与计算................................................. 15
5.2.1 整流变压器的计算.......................................................................... 15
5.2.2 晶闸管参数的计算.......................................................................... 16
5.2.3 平波电抗器参数的计算.................................................................. 16
6 利用工程设计的方法设计电流、转速反馈控制调节器 . ....... 17
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
6.1 主要设计内容..................................................... 错误!未定义书签。
6.2 工程设计的基本步骤......................................................................... 17
6.3 设计所需要的基本数据与设计指标................................................. 18
6.3.1 基本数据.......................................................................................... 18
6.3.2 设计所要求的指标.......................................................................... 19
6.4 用工程设计方法设计电流调节器..................................................... 19
6.4.1 电流调节器的设计及其动态结构框图的简化.............................. 19
6.4.2 电流环时间常数的确定.................................................................. 20
6.4.3 电流调节器的设计.......................................................................... 21
6.4.4 电流环参数计算.............................................................................. 22
6.4.5 校验近似条件.................................................................................. 23
6.4.6 电流环的跟随性能指标.................................................................. 24
6.5 用工程设计方法设计转速调节器..................................................... 24
6.5.1 电流环的等效传递函数.................................................................. 24
6.5.2 转速调节器动态结构框图的简化.................................................. 25
6.5.3 转速调节器的设计.......................................................................... 26
6.5.4 转速调节器参数的计算.................................................................. 27
6.5.5 转速环性能指标的检测.................................................................. 29
7 双闭环直流调速系统的数字仿真 ............................................ 30
7.1 基于工程设计的方法的数字仿真..................................................... 30
7.2 结果分析............................................................................................. 31
8 结 论 ........................................................................................ 33
致 谢 .............................................................................................. 34
参考文献 .......................................................................................... 35
1 概述
1.1 直流调速系统的概述
随着科学技术的越来越发达,直流电机在这些年发生了日新月异的变化,尤其在调速领域那一块,它的改变对人类的帮助是很有意义的。过去老式的整流技术慢慢的淡出了人们的视野,其性能方面也满足不了人类的需要,最具代表性的直流发电机组整流技术是先进的晶闸管整流,可以说的是,电驱动的变化打到了一个非常高的程度。接着科学技术的日新月异,调速控制电路已经逐步实现了高密集化、高可依赖性和低成本等许多优点,正好由于这些优点,直流调速的技能提升了许多许多,变相的它也能被人们运用到更多的地方中去。直流调速技术由于其成熟完美,系列化、标准化,使之很难在电驱动PWM 调速领域被取代。足够相合工作设备的需求,利用不用方式改变直流电机的速度被叫做直流调速。为了变更电动机许多地方的功能和它的稳定的速度工作状态,不得不在机械性能方面开始,尽最大能力变声外部电压或者结点参数。即使交流调速系统伴随调速技术和电力电子技术不断的更新和发达,直流调速系统的危机越来越大,使用的范围越来越小,然而在当下的总体形势来看,直流调速系统依旧还是在全部调速系统的主要,没有那没快被取而代之,在自动调速系统里面一直都有非常重要的身份。中国的诸多工业公司里面,就像在冶炼钢铁、林业物业、造船等仍然是离不开直流调速身影。直流调速系统不单单指的交流调速系统的根本,况且它的理论和实践两方面和交流调速对比的更有优势,更加完成熟,可以说直流调速系统在调速领域含金量是非常高的,人们频繁的使用在我们的日常生活中。
1.2 钻研课题的意义
研究课题的目的和意义
双闭环直流调速和单闭环直流调速对比,优秀的地方就是防干扰方面,在这里面,PI 调节器在设计电路里面起到了至关重要的作用,第一它可以减弱负载转矩对稳态速降的干扰,让系统更加稳定的运行,而且还能够使系统的转速稳态无静差,在这个时候,利用电流截止负反馈限制电枢电流对系统产生的冲击,可
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
是假设电枢电流是动态的而不是静态的,然后单闭环直流调速系统电流就不能任意的控制了。这个问题如果想处理好,就不得不在调速系统里面加进两个特别重要的负反馈:转速和电流负反馈。而且双闭环调速系统相比于直流单闭调速系统,在抗干扰性能,特别是抗电网电压扰动方面有了质的飞跃。矛盾的存在,在设计规范的过程中必须考虑到稳定、快速、抗干扰等方面,采用经典的动态校正方法,考虑到动态性能和整个系统的静态性能,是一个难以衡量的过程。在这个时候建立一个切实可行的设计方法是十分必要和迫切的。同时设计师的理论和实践能力是不可或缺的,刚进入驱动场的人可以很容易地掌握知识。
低阶系统能够被比喻成诸多系统,比如在电力驱动阶层,自动控制的地位是无可比拟的。所以当我们要开始设计时,我们首先可以分析和讨论下体系,将实际的系统利用低阶系统校正简化,设计过程也可以没有那么复杂,工程设计方法将会涌现出许多各种各样的。
1.3 国内外研究现状
电机控制方面在这些年来发生了日新月异的改变,源头不单单是电力电子技术,自动控制也起到了非常大的作用。在1970年,单片机的优秀功能被人们频繁的运用在调速领域这一方面。在这个时候,微机同样由于它非常良好的功能在控制系统中起到了至关重要的作用。
在接近90年代的时候,由于数控的出现,许多许多的公司都开始研究数字化控制。良好的精度加上稳定抗干扰的这些特点,让它在直流调速方面有着很重要的地位。
1.4 设计内容和要求
1.4.1 设计要求
(1) 设计性能非常好,反映出来的者静差率非常低。
(2) 系统可以进行非常稳定的调速,在它的工作范围中,电机能够正常持续的运行。
(3) 调速系统中设置有保护电路。
1.4.2 设计内容
(1) 根据设计里面的的一些条件,设计出双闭环直流调速系统的系统框图,清晰的解释了它的工作原理,绘画出在设计过程中需要的原理图。
(2) 确定系统各个部分的参数。
(3) 明确设计系统电路的任何一个部分
(4) 实现驱动电路的运行和确定他的构成
(5) 使用matlaab ,simlink 的系统进行仿真。
2 双闭环直流调速系统设计框图
可以说直流电机,必须让三相直流电机进行提供电能,让它能够正常运转的的一方面的电机,基本上用的是三相交流380伏电压,就必须把它整流成我们所需要的直流电。这个系统使用得是三相桥式整流电路,整成我们需要的直流,最终可以满足本次系统的的要求[1]。系统的总框架如图2-1:
图2-1 调速设计图 直流电机双闭环调速系统里面,电流,转速负反馈是本次设计系统中的重中之重,就是电流,转速负反馈,让本次的稳定性大大提高。他们之间采用的是串级连接。稳速精度是整个系统组成里面非常重要的一点,它是由外环,即转速负反馈来保障的。而电流负反馈环很明显的是内环,它的存在很好的改善了整个调速系统的动态性能,一般的调节器由于性能各方面问题,必须使用PI 调节器。
3 双闭环直流调速系统的工作原理和数学模型
3.1 双闭环直流调速系统的工作原理
3.1.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标
在本次设计里面,它的调速功效选择区间非常严格。总而言之,满足了三个条件,调速系统很好的按照你的想法来实现功能:
(1)调速:一定的调速区间,无级,有级调速挑选和利用什么样的最好;
(2)稳速:明确所需要的数值,让调速能够在我们应该有的速度下正常的运行。就算是外界的的一些因素扰动,转速波动在实际电路中造成不了太大的干扰;
(3)加、减速:调速电路设计可以根据需要作出判断。加,减速可以更加的平稳
稳态性能指标就是指的这两个指标是“调速”,“稳速”这两个指标。
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
Ⅰ 调速范围
电动机可以上升的最高速度n max 和最低速度n min 的比值,一般是使用D 体现,即
D =n max (3-1) n min
Ⅱ 静差率
静差率一般是让S 体现,即 S =
(3-2)
有一点是要重视的,静差率S 是体现调速电路设计如果负载出现波动时候的非常有用的数值。它和设计电路的机械韧性紧密的联系,假设机械特韧性比较高,S 体现出来的就会很低,也可以说是这个设计电路的稳定性能特别好。另外,D 和S 两者不能分开来分析,它们绑在一起的,密不可分的,两个分析一起的。一般的状况中,最高转速指的是在额定功率下的转速n N ,比如转速降低是△n N ,由此我们通过计算后可以得出一个结果: D =
(3-3)
Ⅲ 跟随性能指标
跟随性能标准通常是指以下这几种标准:
上升的时间t r ,超调量σ与峰值时间t p ,调节的时间t s 。
Ⅳ 抗扰动性能指标
调速电路在正常的运做的时候,调速电路遭受外界的一个干扰数值F ,接着电路出现了变化,变化的数值而非无穷大的,变化的数值快要接近不变的数值,抗干扰就结束了。抗干扰标准总体上由两个部分构成,△C max ,t v [1]。
3.1.2 直流调速电路必须要处理的问题
解释设计电路的几个通常数值之后,不得不处理具有和直流调速电路中的两个最一般的问题:
(1) 电路的稳定对电路放大率的条件;
(2)电枢电流和快速启动与电流的不行变化的条件。
△n nom ⨯100% n 0n N s △n (1-s )N
处理第一个问题可以说是很容易,应该在单闭环直流调速系统电路中加入转速负反馈环节,PI 调机器运用在系统中大大提高了稳定性
第二个问题相对来说就处理比较复杂,制,启动时间的降低,这样的话速率就会大大增加。对启动,制动的要求比较高,需要它在时刻中稳定在一个最大值,这样调速系统的加速度(减速度)就能稳定在一个最大值。当系统上升到一个稳定的转速后,电流立刻下降,电机将安定的运转。比如,图3-1中可以看出电流的一些变化:
图3-1 最佳过渡过程时间
时间上在启动制动上有一定的的减少,不可避免的出现了一个非常严重的问题:电流的飞速波动,这样的话对面电路是不稳定的,会赵成冲击。所以,电流负反馈使用在这个系统中,最终就能完美的处理这个问题。电感在实际的电路中是存在的,电流突变是不可能的在图中给我们展示的只是人们所期望的一个模型,不能完全与现实一样。
3.1.3 直流双闭环调速系统原理框图 如图3-2所示:
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图3-2 调速原理框图
图中W ASR (s ) 和W ACR (s ) 表示的是速度调节器和电流调节器的传递函数两者中的联系,两个PI 调节器串联,电流调节器的最大给定电压无缘无故不能出现的,它是由转速调节器的最大输出电压的大小取决的,与此同时它也取决了晶闸管整流器的最大输出电压的大小,这三者中的关系是紧密相关的,分析的时候都应该放在一起来讨论
3.1.4
双闭环直流调速系统开启历程是非常接近人们所期望的开启历程。开始的
历程的时候,速度调节器总体上由以下两种运行形态:饱和和非饱和,用三个时段可以来表示设计的开启进程:增加电流的时段,增加速度的稳定时段;调整速度频率的时段。在图示3-3里面,从它启动过程我们可以通过分析,画出了以下的波形图,启动的时候的状态从这个波形图简单扼要的体现出:
首先,增加电流的时段是最开始的时段:电压U n *被用在电路中后,由于U C 、U d0、I d 全都在不断的增加,I d
U i ≈U im *, I d 的上升就会由于电流调节器而受到制约,电流上升阶段终止。这个阶段的时候,ASR 很迅速达到饱和,而ACR 一般是不会进入饱和状态的。
I d ≈
I dm
图3-3 在起动时转速、电流负反馈调速系统的相应的波形
其实在电流增加的时段:因为这个时段的时候,可以说在这个时候是非常好的,为什么,因为ASR 达到了最完满,完整的电路设设计就好像是是一个开环,
I d 在这情况下让它没有变化,因此电机的速度方面可以说是非常稳固的,调整
速度频率的时段:电路的这个时候迅速的平率为n *,△U =0可以说出去的数据
ASR 的有点出入为0,接着是一个U im *,不同时候电路平率的速度,正价速度
慢慢的变低了很多,,接着输进去的ASR 的偏离时的U 为0,调整速度的时候慢慢的越来越圆满了,U i *和由于不同的时候调整不一样。可以说我们保证I d >
I dL 速度什么就会持续的升高。当I d =I dL 时,转速上升到最大值,在t 3时。此后
在t 3—t 4时间内,由于I d <I dL ,电机就会由于负载的缘故降低转速,到达一个
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稳态值。从此我们可以知道一些东西,有些特点有点很明显的就告诉了我们,我们自己可以看出:
(1) 达到一个完满值的限制, (2) 不同时刻的速度的调节, (3) 时刻上的各方面准则
3.1.5 数学模型的参数的确定 (1) 电枢设计的电路的电磁时间常数 电枢回路的那些总电阻
R =R 1+R 2+R 3=3. 1Ω
其中:R 1被视为晶闸管的电阻;R 2视为平波电抗器的电阻;R 3视为电机的电枢回路电阻。
电枢回路的总电感
L =L 1+L 2+L 3=74. 5mH
从里面我可以知道:L 1为平波电抗器的电阻;L 2为电动机的电枢电感;L 3为变压器的漏感。
总的来说,电磁时间常数可以这样来定义:
L 74. 5T L ===24(ms )
R 3. 1
(2) 电气传动系统机械时间常数 在一个需要的数值我们需要的数,
C e =
E U d 0-RI d
= n n
代入计算后,取平均值
C e =0. 13V /rpm 电动机的飞轮力矩
GD 2≈375M 0/(△n /△t ) =5. 8N . m 2
所以有
RGD 2
T m ==329. 3(ms )
375C e C m
(3) 一些系数在不同情况下的表示:
在进行分析和设计时,放大系数K s 通常都是被看作是系统中一个常数,但是事实的情况是在触发和整流电路中,由于各种因素的影响,放大系数并非是线
性的,只有在工作范围内,近似线性。因此,必须利用实验的方法,根据输入和输出的关系来确定放大系数K s 的大小。虽然不能十分的确定调速范围的工作点都在其特性的线上,但是能大致的将这些点落在其附近,根据式
K s =
△U d
(3-4) △U ct
结合图3-4:
图3-4 K s 的测定线形图
在工作范围内,放大倍数K s =
△U d
=40 △U ct
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4 系统主电路的结构
4.1 主电路拓扑结构的确定 4.1.1 可控直流电源的选择
我们可以根据人们需要的速度和一些数值非常好的运用在我们的日常生活中的直流里面。因此,能够被选用应用与本设计的两个电机系统分别为晶闸管整流器—电机调速系统和直流脉宽PWM —电机调速系统[12]。
12Ⅰ 直流控制时后的图纸
1
图4-1 电源的直流图
在V —M 系统中,触发装置的控制电压U c 用来调节触发脉冲的相位,这样一来,整流器的电压电流输出U d 就因此而改变了, 直流电机也就能进行平滑无级的调速了。
Ⅱ PWM直流调速电机系统
与直流PWM 变频电机系统相比,V —M 系统,在许多领域具有很大的优势:例如,电路结构简单,低损耗和高转速电机。要想得到电压就必须通过电路里面的数值,然而。根据设计的要求,应当选择V —M 调速系统来进行设计。
4.1.2 主电路原理图
根据这个系统的条件,在确定的一个界限里,可以达成非常平稳的速度,,
最佳的手段是整理电压。三相全控整流因其出众的性能而被广泛的选用作为很多系统的整流电路,所以本设计也选用其来进行设计。用此电路设计的调速系统不仅调速范围广,而且还能实现多方面的技术要求,是十分理想的调速整流电路。其主电路原理图如图4-2:
图4-2 主电路原理图
在图示中我们可以看出里面总体上有多少晶闸管,我们标注出的,其中有VT1、VT3和VT5特变可以看出的VT2、VT4和VT6形成的我们需要的组合电路。在一个周期的六个晶闸管电路必须由关断转为通路,两者之间的触发脉冲是有等额的差值的,相位差为60度[1]。为了避免电压和冲击电流的电路造成的刹那断路,一定要增添过电压和过电流保护电路。
4.2 在额定励磁下直流电动机的数学模型
R
L
Id
E
Ud0
图4-3
图4-3为我们需要的他励电路,特别要注意的是其中的R 和L 。在一般的情况下,假设主电路的电流是连续的,则根据图4-3可列出主电路的动态电压方程:
U d 0=RI d +L
dI d
+E (4-1) d t
为了保证设计的可行性,理论上忽略了粘性摩擦,当然弹性转矩在这个时候也是不可取的,由此就可以写出电机轴上的动力学方程了:
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GD 2dn
T e -T L = (4-2)
375dt
在上式中 T L —电动机的负载转矩 GD 2—电机的飞轮惯量 而
E =C e n T e =C m I d
T l =
L R
GD 2R
T m =
375C e C m
归纳上面的若干公式,经由拉普拉斯改动可以得要我们所需要的数据比例:
1
I d (s )
= (4-3)
U d 0(s ) -E (s ) T l s +1
电流和电动势之间的传递函数为:
E (s ) R
= (4-4)
I d (s ) -I dL (s ) T m s
在额定的励磁下,上面的传递函数进行必要的整理,然后给出理性的分析,我们就能得到直流电机的动态结构框图了:
图4-4 直流电机的状态结构图
由图4-4,能够很明显的看到直流电机的两个输入。那里面的一点,人们非常希望得到U d 0(s ) ,其他的也是人们想得到的I dL (s ) 。前者的大小是由输入控制的,而后者 则是一个扰动量[1]。我们可以关于扰动的点移动到前面,然后等效变换,即可以得到等效结构图在图4-5。
图4-5 直流电机动态结构图的等效变换
5 主电路各器件的选择和参数计算
性 5.1 主电路保护电路的必要
在众多的电力半导体元器件中,虽然每种元器件都有其各自突出的优点,但
是,当它们在电路中,受到超过其额定电压和额定电流的冲击时,相比于一般的电器元件,它们的性能就显得弱小的多,一旦出现一个突然间的跟高的一个电压很大机会会造成电器元件难以估计的破坏,从而就导致整个整流装置的故障。从这里面可以看出,保护电路在我们实际中是必须存在的,有着很重要的地位,保护装置的进一步改善也是不可或缺的。
5.1.1 过电压保护设计
太高的电压在系统中出现防护必须要有以下几点:第一点就是检测测电压的数值大小,第二点检测的就是保证直流侧的电压大小。
Ⅰ 交流测过电压保护
人们要想保证在过高的电压在交流侧,一些非常实用的电器元件我们不得不使用。压敏电阻的非线性特性是众所周知的,而使之具备这种特点的原因就在于它们是由金属氧化物制成的。之所以采用这种压敏电阻,其主要原因是在正常的
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工作情况下,压敏电阻的通过电流是十分微弱的,几乎可以忽略不计,但是一旦电压超过了电路的最大承受电压的时候,压敏电阻可以允许放电电流达到几千安的大小,这样,电压可以被抑制在能够承受的范围内。同时,压敏电阻还具有低损耗,小体积,高灵敏度等特点。本设计是基于三相全控整流电路的,在变压器的绕组端,是用的△—Y 型联结,如图5-1所示的是放置在变压器交流测的,压敏电阻保护电路
:
图5-1 交流测压敏电阻保护电路
(1) 压敏电阻的标称电压U 1MA 的计算公式为:
U 1MA ≥1. 2U B =1. 33⨯1. 414⨯234=440. 1(V ) 在上式中:U 1MA 代表了压敏电阻的额定电压 U B 为变压器二次侧的线电压有效值 (2) 压敏电阻的通流容量:
I PM ≥110K F U 2L /U 1MA ⨯I 20
0. 95
=110⨯0. 5⨯234⨯0. 2540. 95÷440. 1=7. 95(A )
根据上两式计算,压敏电阻的参数应当选择额定电压是440V 的,而额定
电流是500A 的。
Ⅱ 直流侧过电压保护
在直流侧电压保护可以通过相同的方法测量电压保护,即压敏电阻器的使用。
U 1MA =(1. 8~2. 2) U D C =(1. 8~220) ⨯220=396~440V 因此,额定电压为450V 的压敏电阻是我们的选择。 5.1.2 过电流保护设计
如果我们使用的一些元件不是标准的,在电路中会出现许多的状况。状况的出现有许许多多的保护方法,可以说,我们最为常见的方法有下面几种:
(1) 直流快速熔断器可以作用于有大中容量的设备或者电路会逆变的需
要保护的电路中。
(2) 一旦电路出现了不稳定的情况,可能烧毁电路的元器件,首先我们要做的就是切断主要的电源
(3) 我们可以串联一些可以控制电路闭合好关断的元器件,这样电路就可以很好的保护起来。
在我们的系统电路里面,我们可以在主要的电路里面串联一些熔断器,计算出来的电流数值可以得出:
I rn ≥πK IT I d max /2K I n p =0. 367⨯1. 5⨯15. 6π/2⨯1. 1=13. 4A 所以,应当取I rn =20A
电器元件电压的数值大小:U rn ≥K VT U U b /1. 414=233. 9 所以,应当取U rn =400V
综上所述:选用 20A/400V的快速熔断器6只。 5.2 整流变压器和晶闸管的选择与计算 5.2.1 整流变压器的计算
我们所必须计算的电压有效的数值:
U D [1+(r D +r P ) U 2=
I d max
-r D ]+n ⨯U T
I d
=135(V ) (5-1)
u %I
A ⨯ε[B -C k ⨯d max ]
100I d
次级线电压:
U 线=3U 2=234(V ) (5-2) 次级相电流:
I 2=0. 816I d =12. 7(A ) (5-3) 初级线电压:
(5-4) U 1线=U 1相=380(V )
初级相电流:
I 1相=
U 2相U 1相
(5-5) ⨯I 2=4. (5A )
变压器的初级容量:
S 1=3U 1φI 1φ(1+5%)=5. 39(KVA ) (5-6)
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变压器的次级容量:
S 2=3U 2φI 2=5. 14(KVA ) (5-7) 变压器的容量:
S =
S 1+S 2
=5. 23(KVA ) (5-8) 2
5.2.2 晶闸管参数的计算 SCR 的额定电流计算:
I =2K F I d /1. 57K B =17. 2(A ) (5-9) SCR 的额定电压计算:
U =3U LMAX =990(V ) (5-10)
下面U LMAX 是最高电压的数值
(5-11) U LMAX =2U 线=2⨯234=330(V )
考虑到安全裕量的关系,应用电压裕量为2倍的额定裕量,电流裕量为1.5
倍的额定裕量,由此可得晶闸管的参数如下:
U VTN =2⨯990=1980(V ) I VTN =1. 5⨯17. 2=25. 8(A ) 5.2.3 平波电抗器参数的计算
平波电抗器是一种铁心电抗器,在整流后的直流电路中经常使用,它的主要作用是使直流负载顺利的得到平滑的直流电源。在系统的电路中,一些原器件L 的数值需要特别注意:
(1) 限制输出电流脉动的临界电感量L 1
在系统电路正常的运行时,我们必须加入以下数值可以方便计算。但是很不巧的是晶闸管的电流输出波形由于其输出电压波形为脉动的,因此其也呈脉动。而脉动电流的实质是直流分量和交流分量的合成,交流分量的存在对电动机的工作造成十分不良的影响。而平波电抗器的串入,就很好的解决了这一问题。其临界电感量可利用下式计算:
L 1=(U dm /U L ) ⨯103⨯U 2/2πf b S i I d
=0. 46⨯103⨯135/2π⨯300⨯(5~10)%⨯15. 6 (5-12) =42. 3mH ~21. 1mH
(2) 能够保证电流连续的临界电感量L 2:
L 2=K L U L /I d max =0. 693⨯135/1. 25=74. 8mH (5-13) (3) 电动机的电枢电感量L D 和变压器的电感L B : 电动机的电感量L D 的计算公式如下:
L D =K d
U D
⨯103 (5—14) 2pnI D
在上面的式子中,K d 是计算系数;U D 代表直流电动机的电压;p 是电动机的磁极对数;n 是电动机的转速;I D 是电动机的电流。在此设计中,取
V 、p =2、n =1500r /min 、I D =15. 6A K d =8~12、U D =220
所以:
L D =K d
U D 220⨯103=(8~12) ⨯=18. 8~28. 2mH 2pnI D 2⨯2⨯1500⨯15. 6
变压器的电感量L B 可以用下式计算:
L B =K B
U sh U 2
(5—15) 100I D
其中,K B 为计算系数,U sh 为变压器的短路比。经计算,
L B =1. 3mH
综上所述,选用的平波电抗器的参数为50mH/20A。
计电流,转速反馈控制调节器 6 利用工程的计算方法设
此章节里面,我们总体上使用的这这种方面对我们余姚的电流(ACR )和
(ASR )。在前面的章节中,已经很明确的指出电流环为整个系统的内环,转速环为系统的外环。因此,在进行设计时,要从ACR 开始着手,变换其不要的部分以及对其大致的处理,将它校正成符合设计的典型系统,ACR 的类型则要根据被控制的对象来进行确认,最后根据系统动态性能指标进行参数计算其中有些元器件的方法是一样的,有些东西的设计是不一样的。
6.2 工程设计的基本步骤
在利用工程设计的方法设计调节器,必须解决很多方面的问题,比如控制系统的响应速度、稳定程度和抗干扰性能等。为了简化问题的解决,使系统中的主
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
要矛盾变得明显,是工程设计中的最为重要的目标。为了简化设计调节器,可以分为两个步骤完成:
(1) 为了能够使系统符合设计要求的稳定性,调节器的结构应该首先进行选择,这个时候,稳态精度也是不可忽略的。
(2) 明确我们需要的数值,在系统电路中需要的一些条件。 经过上面两步的工作,就把设计中看似乱成一团的各种所要解决的问题有序的分成了两步来逐个击破,开始我们处理些不稳定的因数和元器件的数值,接着接下里的步骤满足了前面的许多基层,这样一来,设计工作在无形中简化了很多,而且设计出来的系统也可以更加的接近于设计的要求。
在应用参数时,可以根据现成的公式等直接计算,因为参数与性能之间的关系在上面的章节已经阐明,这样也能够大大减小设计的工作量。
6.3 设计所需要的基本数据与设计指标 6.3.1 基本数据 (1) 直流电动机数据
P nom =2. 8kw U nom =220V I nom =15. 6A N nom =1500r p m R D =1. 41Ω C e =0. 12V 9/r p m
λ=1. 5 C m =0. 125kg . m /A (2) 电枢回路总电阻 R =3. 11Ω
(3) 电枢回路总电感 L =L B +L p +L D =74. 58mH (4)三相全控整流电路参数
R n =1. 6Ω K s =40 T s =1. 7ms
(5) 电动机总飞轮惯量 GD 2=0. 5932kg ∙m 2
(6) 给定在调节器两端的最大电压
**U nm =U im =8V
(7) 调节器回路中的输入电阻 R 0=40k Ω
(8) 系统时间常数
T 1=0. 02398s
T m =0. 30460s
(9) 反馈滤波时间常数
T oi =0. 005s T on =0. 01s
6.3.2 设计所要求的指标
(1) 系统的调速范围: D =10
(2) 调速系统所允许的静差率: S ≤4%
(3) 电流超调量:
σi ≤5%
(4) 转速超调量:
σn ≤10%
(5) 速度的下降: △C m a x ≤3%
(6) 系统的恢复时间:
t f ≤1. 5s
流调节器 6.4 用工程设计方法设计电
6.4.1 电流调节器的设计及其动态结构框图的简化
在我们实际的电路中,有一些问题使我们不得不解决的,事实的情况是,反
电动势的大小与转速环的输出是成正比的,也就是说电流环会受到转速环的影响而产生作用。在实际的设计中,机电时间常数T m 与电磁常数T l 相比的话,前者是大得多的,这也造成了电流的变化程度远高于转速的变化程度。换一种说法也就是说,反电动势E 的变化是很慢的,在电流突变的时候,可以近似地把反电动势看成是不变量,即△E ≈0。换句说法说,忽略一些电器元件的一些反电动势,从根本上说它也造成不了太大的干扰,如图6-1:
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
*a )
b )
*c )
的 简图6-1 电流环结构动态图化
a ) 忽略反电动势b )等价的单位负反馈
c )小惯性环节近似处理
T ∑i =T s +T oi 的原因是,相比T l ,T s 和T oi 小得多,它们可以被看作是一个惯性元件。
6.4.2 电流环时间常数的确定
在进行设计之前,必须先确定ACR 的各个时间常数。根据选用的器件
和设计的要求,时间常数的大小如下:
(1) 三相桥式电路的平均失控时间:T s =1. 7ms (2) 滤波时间常数:T oi =5ms
6.4.3 电流调节器的设计
设计之前的第一个问题,电流环是一种什么样的典型系统。在系统中,电枢电流不可能永远处在稳定值,它难免会在某段时间超过电路的允许值,这时候电流环的主要作用就体现出来了,超调量在突加负载或者说系统有突然的外作用时,能够越小越好。在这一目标的基础上,Ⅰ型系统是电流环校正的首要选择。可以说一些电压的干扰,我们还是用它的主要性能数值。
从前面的一些东西我们可以知道,我们可以得到如下的函数:
W ASR (s ) =
K s (τi s +1)
τi
(6-1)
在上式中:K s 代表的是电流调节器的比例系数; τi 表示的是电流在不同时候的数值。 从下面的图中6-1,我们可以很快的得要以下数值:
W opi (s ) =
K i (τi s +1) βK s /R
(6-2)
τi s (T l s +1)(T ∑i s +1)
在上面, T l >>T ∑i ,所以,可以选取τi =T l 。相对于系统中的一些非常大的时间属猪,我们可以使用许多的方法,就可以得到下式:
W opi (s ) =
K i βK s /R K I
(6-3) =
τi s (T ∑i s +1) s (T ∑i s +1)
K i K s βK i K s β
,绘画出下面所需要的=
τi R T l R
前面的一些数据里面,特别是K I =图,如图6-2:
*
1形图的设计环 图6-2 设计成典型
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
6.4.4 电流环参数计算
(1) 系统的时间常数和比例系数 电流的开环增益:σ≤5%,也就是
K I T ∑i =0. 5
ACR 的积分时间常数:τI =T l =0. 02398s =23. 98ms
综上:
K I =
0. 50. 5
==74. 6(1/s ) T ∑i 0. 0067
而电流调速器的反馈系数β为
*
U i U im U im 8β=====0. 342(V /A )
I d I dm λI nom 1. 5⨯15. 6
通过上面的计算,我们可以求得ACR 的比例系数为:
K i =K I
τi R 74. 6⨯0. 02398⨯3. 11
==0. 407 βK s 0. 342⨯40
在控制电路中加入一些滤波器,我们从下图中可以看出:
C i
(2) 电流调节器电阻、电容的计算
U i*
U e
图6-3 滤波器加入PI 调节器
U i *表示电子器件两端的电压,-βI d 表示电流负反馈电压,还有这种电压
U e 。
根据放大器的电路原理,可以得出:
K i =
R i
(6-4) R 0
τi =R i C i (6-5)
T oi =
R 0C oi
(6-6) 4
所用的运算放大器取R 0=40k Ω,那么可以得到
R i =K i R 0=16. 4k Ω C i =
τi
R i
=
0. 02398
=1. 5μF
16. 4k
C oi =
4T oi 4⨯0. 005
==0. 5μF 3R 040⨯10
在实际的工程运用中,应当选择R i =16k Ω。 6.4.5 校验近似条件
由上面的参数,经过计算,可得电流环的截止频率为w ci =K I =74. 6 (1) 检验晶闸管处理的一些需要的数值:
w ci ≤
1 3T s
代入上面的参数可得:
11==196. 1>w ci 满足近似的条件 3T s 3⨯0. 0017s
(2) 检验电动势的对电路影响的数值:
w ci ≥1
T m T l
代入上面的参数可得:
3
11
=3⨯=35. 10≤w ci 满足近似的条件 T m T l 0. 3046⨯0. 02398
(3) 检验在不同时刻的电流的数值:
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
w ci ≤
11
3T s T oi
代入上面的参数可得:
1111
=⨯=180. 78>w ci 满足近似的条件
3T s T oi 30. 0017⨯0. 002
根据性能指标的关系,可以得出如下的数值: σ%=4. 3%
6.4.6 电流环的跟随性能指标
上升时间:t r =4. 72T ∑i =4. 72⨯0. 0067=31. 62ms 超调时间:t m =6. 5T ∑i =6. 5⨯0. 0067=43. 55ms 调节时间:t s =6T ∑i =6⨯0. 0067=40. 2ms
转速调节器 6.5 用工程的设计方法设计
6.5.1 电流环的等效传递函数
从前面的电路系统中我们可以得到,电流环是一个非常重要关节,我们可以
得到如下数值:
K I
s (T ∑i s +1) I (s ) 1
(6-7) W cli (s ) =*d ==
K T 1U i (s ) /βI ∑i
1+s 2+s +1s (T ∑i s +1) K I K I 采用高阶降次的方法,上式可被化简为:
W cli (s ) ≈
11
s +1K I
(6-8)
又因为
W cli (s ) =
I d (s ) I
K = I *
2T U i (s ) ∑i
β
所以
I d (s ) W cli (s ) 1/β
(6-9) ==*
β2T ∑i s +1U i (s )
6.5.2 转速调节器动态结构框图的简化
电流环被相等的步骤代替时,可以得出图中的时间函数:
b )
*U n (s )
c )
图6-4 ASR 的动态结构图的简化
a )
被相同步骤代替b )大概解决
c )校正成典型Ⅱ型系统
跟电流环一样处理,最后可得到图6-4c 。
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
6.5.3 转速调节器的设计
负载在积分环节前面,转速环节ASR 在积分环节后面,可以说我们总体上由几个
环节,我们可以ASR 弄成不一样结构,系统的动态抗干扰性能也能够因为此而得到满足。
对控制对象的时间常数T ,相对于典型的Ⅰ型系统,也是一样都必要的。但不同的是,参数需要有两个,K 和τ,为了计算的方便,引入一个新的参数:
h =
τ
T
=
w 2
(6-10) w 1
T 是一个恒值,要想改变h ,只需要改变参数τ。在决定了τ值之后,如果要改变截止频率w c ,则需要使K 的值发生改变,也就是让特性上下平移。通过这样的参数引入,τ和K 的确定就相当于选择了参数h 和w c 。
我们可以挑选我们需要的h 值,运用“振荡指标法”中的
闭环幅频特性峰值M r 使用一个特变小的标准,我们可以最终知道h 值下面只有
一个独一无二的w c 或者K 和所需要的M r min ,此时,w c 与w 1、w 2中的联系我们可以表示出:
w 22h
(6-11) =
w c h +1
w c h +1
(6-12) =
w 12
上面的两个式子就是M r min 准则的“最佳频比”,由此可以得出:
w 1+w 2=
2w c 2hw c
+=2w c (6-13) h +1h +1
所以
1111
(w 1+w 2) =(+) (6-14) 22τT
相应的闭环幅频特性的峰值最小:
h +1
M r min = (6-15)
h -1w c =
τ和K 的值在确定了h 和w c 的值之后就能很简单的计算出来, 由定义可得:
τ=hT
12
) (h +1)
h +1h +1
K =w 1w c =w 12==22 (6-16)
222h T ∑n
(
下表为不同的h 值所对应的M r min 和最佳频比: 表6-1 不同h 值所对应的M r min 和最佳频比
6.5.4 转速调节器参数的计算
因为ASR 见检验成我需要的Ⅱ型线路,PI 调节器不得不用这个东西来安排
了,由此我们可以得到的函数为:
W ASR (s ) =K n
τn s +1
(6-17) τn s
在式中K n 代表的是ASR 的比例系数; τn 代表的是ASR 的超前时间常数。 因此,该系统的开环传递函数为:
W n (s )
K n (τn s +1) K n αR (τn s +1)
(6-18) =2
τn s C e T m s (T ∑n s +1) τn βC e T m s (T ∑n s +1)
K n αR
(6-19)
τn βC e T m
αR β
其中,转速环开环增益
K N =
则
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
W n (s ) =取
K N (τn s +1)
(6-20) 2
s (T ∑n s +1)
转速滤波时间常数:T on =. 0. 01s
转速环小时间常数:T ∑n =2T ∑I +T on =0. 0234s
因为系统不仅要求有较高的抗干扰性能,还要求有较好的跟随性能,所以取h =5,ASR 的超前时间常数则为:
τn =hT ∑n =5⨯0. 0234=0. 117s
转速环的开环增益为
K N =
h +162
==219. 15(1/s ) 222
2h T ∑n 1⨯25⨯0. 0234
ASR 的比例系数为
K n =
(h +1) βC e T m 6⨯0. 342⨯0. 129⨯0. 30460
==20. 9
2h αRT ∑n 2⨯5⨯0. 0053⨯3. 11⨯0. 0234
检验近似条件
转速环截止频率为
w cn =
K N
=K N τn =219. 15⨯0. 117=25. 64 w 1
(1) 电流环的等效传递函数,简化的条件如下:
1K I 174. 6
=≈36. 3s -1>w cn 满足简化条件
3T ∑i 30. 0062
(2) 速度环时间常数近似条件:
1K I 174. 6
=≈28. 8>w cn 满足简化条件
3T on 30. 01取R 0=40k Ω 则
R n =K n R 0=836k Ω C n =
τn
R 0
=
0. 117
=0. 14μF 40k
C on =
4T on 4⨯0. 01
==1μF R 040k
在实际的工程中,R n 应取840k Ω。
6.5.5 转速环性能指标的检测 (1) 转速环的跟随性能指标
当h =5的时候,由“典型性能指标”可得σn =37. 6%,显然不满足设计的要求。我们可以知道的真正事实是,上面情况下出现的数值我们转速情况下需要的数值,可以说满足超调量的一些条件。因此,应该重新计算超调量。
在本设计的要求条件下,直流电机的起动是由空载开始的,一直增加到额定转速I d 0=0. 05I nom ,所以
△n b ==
2RT ∑n (I dm -I d 0)
CeT m
2⨯3. 11Ω⨯0. 0234s (1. 5⨯15. 6A -0. 05⨯15. 6A )
V
60⨯0. 129⨯0. 3046s
rps
=1. 396rps
里面△n b 使我们标准情况下的一些数值。
n *=N nom =1500rpm =
1500
rps =25rps 60
查询“典型Ⅱ型抗扰性能指标表”可得当h =5时,根据上式,可得
△C max
%=81. 2%。 C b
σn %=(
△C max △n
%)⨯*b
C b n
1. 396rps 25rps
=4. 53%
因此σn %的值是符合设计的要求的。 (2) 在负载突然加上时,系统的动态速降指标 根据要求,在设计前,有I dl =0. 8I nom ,所以
△n b =
2RT (I dl -I d 0)
CeT m
=0. 722rpm
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
由此可得
σ%=(
△C max △C
%)⨯*b
C b n
=2. 35%
因此,动态指标的设计是符合设计要求的。
(3) 恢复时间的指标
按照“抗干扰数值的联系”表,可得当h =5,
t f T
=8. 80,在同一个时间T =T ∑n =0. 0234,所以
t f =8. 80⨯0. 0234=0. 206s
7 双闭环直流调速系统的数字仿真
7.1 基于工程设计的方法的数字仿真
在第6章中,运用以下的参数,设计出了双闭环直流调速系统,并且验证了理论上的符合设计要求以及可实施性
直流电机:
U nom =220V I nom =15. 6A n nom =1500r /min C e =0. 12V 9/r p m 电动机的总飞轮惯量:
GD 2=0. 5932Kg ⋅m 2 主回路的总电阻:
R =3. 11Ω k s =40
s 8T s =0. 0017s T oi =0. 005s T 1=0. 0239
T on =0. 01s T m =0. 3046s 0反馈系数:
α=0. 0053V /rpm β=0. 342V /A
首先使用matlable 软件,使用里面的simulink 软件进行模拟,利用软件的一些使用方法, 我们可以非常简单的绘画出我们所需要的模拟图纸。
第一,图7-1所表示的是我们模拟出来所需要的数学模型:
图7-1 双闭环直流调速系统的仿真结构图
该仿真结果是在人为的控制之下完成的,在进行仿真的时候,忽略了很多次要的因素。在很多的非线性环节,为了仿真的顺利进行,都将它们视为线性环节。而且在各个器件的参数上,也进行了适当的调整。
7.2 结果分析
在SIMULINK 中点击“start simulation”,然后电机仿真结构图中的scope ,可以看我我们要的波形。
(1) 闭环系统中PI 调节器的输出动态过程仿真图
过程的仿真框图:
图7-2是调节输出器输出的动态
图7-2 PI调节器输出动态过程仿真曲线
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
PI 调节器的输出△U c 一般是由这个几个要点组成的,第一个要点是比例部分的输出曲线与△U n 成正比,第二个要点是△U n 的积分曲线。由上面的曲线可以看出U c 不仅具有良好的快速响应性,而且还具有不凡的消除静差的能力。比例积分调节器中,还设置了额外的校正装置,因此在系统的稳定性方面,相比于其他调节器,大大的提高了,因此其应用范围也有了很广泛的扩大。
(2) 电流调节器的输出电流与额定输出电流仿真图
仿真电流值比 图7-2 电流调节器输出电流和
上图反映了额定电流与现行电流的差值,控制器需先有输入电流才能开
始比较,故差值会在起动时短时间内上升到某一最大值。当到达最大值之后,由于转速开始增加,△I n 逐渐减小,当转速到达额定转速,△I n 稳定为0,此时电机起动结束。
形图 (3) 双闭环直流电机启动波
图7-4 双闭环直流点击的起动波形
上图是双闭环直流电机的起动曲线图,从图中可以看出电机的起动过程与前
面章节分析的起动过程是基本一致的,可以说本次设计快要成功了,我们所设计的东西也都满足了我们设计的所有条件。
8 结 论
本设计是“直流双闭环调速转速微分负反馈设计”,在设计之前首先测定了各个元器件的电器参数和时间常数,在电流环和速度环的设计方面,则是应用了经典控制的设计理论,在设计的最后使用学过的软件matlab 和simulink 软件进行了模拟,完成的设计的条件。
对速度控制系统,不仅具有跟踪性能和抗干扰性能等方面表现突出,但也可以使用饱和度的方法,实现“准时间最优控制”。在双闭环直流调速系统中,ASR 最重要的作用是免疫调节速度扰动,使稳态无静差;ACR 的作用是自动保护过电流并且抑制过大的电压波动。
虽然在经典控制部分,已经深入的学习过,但是在工程设计方面还是只是了解到了皮毛,通过本次毕业设计,我扩展了自己的知识面,收益颇丰,让我对直流调速有了更为稳固的认识。但是由于学术水平的限制,让我仍有许多不足的地方待去弥补。
姓名:江志伟 题目:直流双闭环调速转速微分负反馈设计
致 谢
正是在钟老师的悉心指导下,我的毕业设计论文才能够顺利的完成,也是我大学学习成果的体现。钟老师本着严谨的治学态度,凭借其渊博的学识不断地为我的毕业论文提出新的问题,解决我所不能解决的问题,让我的课题能不断的深入。虽然严格,但是这是对我的负责,对于甘老师的教育,既是鞭策,更多的是鼓励。
我还要感谢很多在做设计时,给了我很多帮助的同学,如果不是和他们的共同探讨,我是不能够发现自己的不足之处,并且使自己的思维得到扩展。同学们热情的帮助让我感受到了友谊,这是我的毕业设计不可或缺的力量。
给我帮助使我顺利完成毕业设计的还有很多很多,名字不能一一列举了,但是你们给我的帮助我将永远铭记于心,希望借此机会表示最衷心的感谢!
参考文献
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