双闭环直流调速系统设计说明书_硕士学位论文(编辑修改稿)

双闭环直流调速系统设计说明书_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。 3）采用总线技术 现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。 4）内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域 当今是网络时代，信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。 这种控制系统采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制 系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。 目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件 Linux 操作系统的数字式伺服系统。 本文主要开展的研究工作 根据本课题的实际情况，宜从以下几个方面入手分析： 第 10 页 共 43 页 10 1） 直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型 ； 2） 双闭环直流调速的工程设计 ； 3） 应用 MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正 ； 本设计要求基于 VM 的双闭环直流运动控制系统的设计和校正，从要求出发，本文先介绍各种调速方案中选择电流、转速双闭环调速系统 的原因，再重点阐述该系统的动态、静态性能和结构特点。 运用所给定的参数对系统的各环节进行设计计算并校验，最后通过建立调速系统的模型应用仿真软件进行仿真测试。 第 2章 方案 设计 直流调速 方法 直流电动机的转速调节 方法 主要有以下几种 ： 1） 改变电枢回路电阻调速法 保持直流电动机外加电枢电压与励磁磁通为额定值，改变电枢回路电阻而实现调速，调速过程中，直流电动机的理想空载转速不变，但在相同的转矩下，直流电动机转速降落将随外加电阻的增大而增大，机械特性的斜率就越大。 2） 减弱磁通调速法 保持电 枢电压为额定值，电枢回路不加入附加电阻，而减小直流电动机的励磁电流以减弱磁通。 弱磁调速只能在额定转速以上的范围内调节转速。 3） 调节电枢电压调速法 保持直流电动机的磁通为额定值，电枢回路不串入外加电阻，仅改变电动机电枢外加电压，实现直流电机的调速。 以上 3 种调速方法，改变电枢回路电阻调速只能对电动机的转速作有极的调节，转速的稳定性差，调速系统效率低。 弱磁调速能够实现平滑调速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。 调压调速所得到的认为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基 速（额定转速）以下实现平滑调速。 所以直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。 根据负载性质来选定。 对起动、制动及调速有较高要求的 产机械，宜选用直流他励时电动机；而需要较大起动转矩和恒功率调速的机械 (如电车，蓄电池车，牵引机械等 )常用直流串励电动机或直流复励电动机。 由于该设计对起动、制动及调速精度要求较高，故选用直流他励电动机。 [5] 直流调速系统可用的可控直流电源 1） 旋转变流机组。 用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 这种调速系统叫做发电 机 电动机系统，简称 GM 系统。 2） 静止可控整流器。 用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生 第 11 页 共 43 页 11 可调的直流电压。 3） 直流斩波器或脉宽调制变换器。 用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。 [5] 一般说来，在整流器功率很小时（ 4kW 以下 ） ，用单相整流；功率较大时，用三相整流电路，故选用三相整流电路 [6]。 在三相整流电路中，三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少、触发器少，对需要 220V 电压的 用电设备直接用 380V 电网供电，而不需要另设整流变压器 [2]。 但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输也电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变电器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。 因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大，往往需要从车间变压器单独敷设零线。 而三相桥式整流电路，在输出整流电压相同时，电源相电压可较三相零整流电路小一半，困此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求，变压器二次绕组电流中没有直流分量、利用率高。 输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可小一些。 三相桥式整流电路的缺点是整流器件用得多，全控 桥需要六个触发电路，需要 220V 电压的设备也不能用 380V 电网直接供电，而要用整流变压器。 三相半控桥式整流电路，虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合，故在要求较高的场合应选择三项全控桥式整流电路。 由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。 电动机额定电压为 220V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器 ,将电源电压降低，为避三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器 采用 Δ/Y接法。 触发电路的选择 门极电压又叫触发电压。 晶闸管 [7]的触发电路种类很多，为使线路简单、工作可靠、装置体积小宜选用 KJ004 组成的六脉冲集成触发电路。 其优点是体积小、功耗低、调试方便、性能稳定；缺点是移相范围小于 180176。 ，为保证触发脉冲对称度，要求高流电网波形畸变率小于 5%，广泛应用于各种晶闸管装置中。 调速系统的类型 开环调速系统 该 系统中，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，都属于开环控制的调速系统。 在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出的转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。 已知系统当电流连续时，在额定负载下的转速降落为 第 12 页 共 43 页 12 5 5 1 2 8 6 .4 6 r / m in0 .1 9 2NdN IRn Ce    开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 2 8 6 .4 6 1 0 0 % 2 2 .2 7 %2 8 6 .4 6 1 0 0 0NNNNnS nn      已远远超过了 5%的要求，更何况满足调速范围最低转速的情况以及考虑电流断续时的情况。 如果要满足 D=10， S=5%的要求，额定负载下的转速降落 Nn 可以根据公式求得 1 0 0 0 0 . 0 5 5 . 2 6 r / m in( 1 ) 1 0 ( 1 0 . 0 5 )NN nSn DS      显然，简单的开环调速系统不能满足生产机械工艺要求，这就应采用负反馈控制，构成闭环调速系统。 从电动机运行特性的立场分析，闭环系统能大大提高稳速性能的原因是系统在负载变化时可通过闭环调节使电枢电压自动跟踪负载变化，补偿电枢电流在回路电阻上的压降损失，从而维持转速基本不变。 稳速原理可从图 11所示的闭环与开环转速特性间的关系得到理解。 图 11 闭环与开环转速特性间的关系 第 13 页 共 43 页 13 闭环 调速 系统 1） 转速单闭环直流调速 ： 图 12 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理图 如图是带有比例放大器的转速反馈闭环调速系统， 是一种基本的反馈控制系统，它具有以下基本特征，也就是反馈控制的基本规律。 （ 1）只有比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。 从静特性中可以看到闭环控制系统的调速性能比开环系统有了很大的提高，而提高的程度与闭环系统的开环放大系数 K有关。 （ 2）闭环系统具有较强的抗干扰能力。 对于一切被负反馈环 包围的前向通道上的扰动作用，都能被反馈控制系统有效地加以抑制。 （ 3）系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。 高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源 和高精度的检测原件。 应用电流截止负反馈，能够解决转速负反馈闭环系统启动和堵转时电流过大的问题，引入了限制电枢电流的环节，关键时候维持电流基本不 变。 引入 PI 调节器，在系统静特性指标和稳定性发生矛盾的情况下，能改变系统的结构使它能同时满足稳定性与稳态误差两方面的要求。 [5] 第 14 页 共 43 页 14 2） 转速、电流双闭环直流调速系统 ： 图 13 转速、电流双闭环直流调速系统 ASR— 转速调节器 ACR— 电流调节器 TG— 转速测量装置 TA— 电流互感器 UPE— 电力电子变换器 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接。 这就是说，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晶闸管整流器的触发装置。 从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。 这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 对于转速调节器： （ 1）使被调量转速 跟 随给定转速变化，保证稳态无静差。 （ 2）其稳态输出值正比于电动机稳态工作电流值（由负载大小而决定），输出限幅值取决于电动机允许最大电流值（或负载允许最大转矩）。 （ 3）对负载扰动起 抗扰作用。 对于电流调节器： （ 1）启动过程保证电动机能获得最大允许的动态电流。 （ 2）在启动过程，使电流跟随电流给定值而变化。 （ 3）对交流电网电压的波动有较强的抗扰能力。 （ 4）有自动过载保护作用，且在过载故障消失后能自动恢复正常工作。 方案选择 方案一采用直流开环调速系统。 由以上的计算得知，不能满足要 求。 方案 二 采用 转速单闭环直流调速系统。 应用了 PI 调节器后可实现转速无静差控制，应用了电流截至负反馈环节来限制电流的冲击，避免出现过电流现象。 作为转速负反馈控制系统，系统的被调量是转速，所检测的误差是转速，它要消除的也是扰动对转速的影响。 所以转速单闭环系统不能控制电流（或转矩）的动态过程。 但是在调速系统忠有两类情况对电流的控制提出了要求：一是启、制动的时间控制问题，二是负载扰动的电 第 15 页 共 43 页 15 流控制问题。 方案 三 采用 转速、电流双闭环控制系统 ，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既 保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。 在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 1） 速度闭环中，速度反馈回路如开路，转速将升至该系统设计的最高转速，俗称飞车。 2） 在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。 3） 系统中采用电流截止负反馈环节来限制 启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。 为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。 所以本文选择方案 三 作为设计的最终方案。 而由于电机上网容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。 第 16 页 共 43 页 16 第 3章 调速系统性能指标 系统对转速控制的要求 1）调速：在一定的最高转速和最低转速 范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速； 2）稳速：以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； 3）加、减速：频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。 调速性能指标（稳态指标） 直流调速系统主要性能指标是衡量调速性能好坏的标准，也是直流调速系统设计和实际运行中考核的主要指标。 直流调速系统主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标两部分。 （ 1） 调速范围 D。 调速范围 D 是指 电动汽车电机 在额定负载下，电动机的最高转速 maxn与最低转速 minn 之比，即： maxminnD n 其中 maxn 和 minn 一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载时的转速。 在设计调速系统时，通常视 maxn 为电动机的额定转速 Nn。 (2)静差率 S。 静差率 S是指电动机在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载时所产生的转速降 Nn 与理想空载转速 0n 之比，常用百分数表示。 0 100%Nns n 显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。 [5] 第 17 页 共 43 页 17 第 4章 转速、电流双闭环调速。