轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)——轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)電氣與控制工程學(xué)院自動(dòng)化0903韓倩0906050302

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的背景及原理對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等，縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在起動(dòng)（或制動(dòng)）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。問題是，應(yīng)該在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后又只希望只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不能再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。此時(shí)，只用一個(gè)調(diào)節(jié)器顯然是不夠的，應(yīng)該采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器。為了是兩種負(fù)反饋分別作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套或串級(jí)連接，如圖3-27所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)要求采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電基本數(shù)據(jù)：電動(dòng)機(jī)參數(shù)：Ｕnom=220V,Ｉnom=136A,ｎnom=1460r/min,Ｒa=0.2Ω，允許過載倍數(shù)λ=1.5；晶閘管裝置：放大系數(shù)Ｋs=40;電樞回路總電阻：Ｒ=0.5Ω；電樞回路總電感：Ｌ=15mH;電動(dòng)機(jī)軸上的總飛輪力矩：ＧＤ2=22.5N.m2;電流反饋系數(shù)：β=0.05V/A；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α=0.007V*min/r;濾波時(shí)間常數(shù)：電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)為Ｔoi=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ｔon=0.01s;設(shè)計(jì)指標(biāo)：電流超調(diào)量σi≤5%,轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%。電流環(huán)設(shè)計(jì)為典1系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)為典2系統(tǒng)相關(guān)部分計(jì)算及設(shè)計(jì)1.電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)●整流裝置滯后時(shí)間Ｔs。按表3-1，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ｔs=0.0017s。表3-1晶閘管整流器的失控時(shí)間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時(shí)間Ｔsmax/ms平均失控時(shí)間Ｔs/ms單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式3.331.67●電流濾波時(shí)間常數(shù)Ｔoi。由上述給出參數(shù)知Ｔoi=0.002s.●電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ｔ∑i。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T∑i=Ts(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求σi≤5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典1系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為W檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：TlT∑i≈0.030.0037表3-2典型1型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系M=T1T2=1111△CmaxCb27.8%16.6%9.3%6.5%t2.83.43.84.0t14.721.728.730.4（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：τi=Ti=0.03s電流環(huán)開環(huán)增益：要求σi≤5%時(shí)，按表3-3，應(yīng)取KITKI=0.5T∑i=于是，ACR的比例系數(shù)為Ki=KIτi表3-3典型1型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比ξ1.00.80.7070.60.5超調(diào)量σ0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間t6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間t8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度γ76.369.965.559.251.8截止頻率w0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T（4）校正近似條件電流環(huán)截止頻率：wci=KI●校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts=1●校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件31TmTl=3×10.18×0.03s●校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件131TsToi=13×1(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖6所示，按所用運(yùn)算放大器取R0=40KΩRi=KIR0=1.013×40KΩ=40.52KΩCi=τiRi=0.0340×103Coi=4ToiR0=4×0.00240×按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為σi=4.3%<5%(見表3-3)2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)●電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1Ki.在上面已取K1KI=2T∑i●轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton.根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton=0.01s●轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T∑nT∑n=1(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)WASR(s)=(3)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為τn=hT∑n可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN=h+12h2于是，ASR的比例系數(shù)為Kn=(h+1)βCe(4)檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速換截止頻率為ωcn=KNω1=KNτ●電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件13KIT∑i=13●轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件13KITon==（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖7所示，取R0=40KΩRn=KnR0Cn=τnRnCon=4TonR0=4×0.01(6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由表3-4查得，σn=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表3-4是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退保和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。退保和超調(diào)量計(jì)算σ則σ故能滿足設(shè)計(jì)要求表3-4典型二型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h345678910σ52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr2.402.652.853.03.13.23.33.35t12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111四．單元模塊設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)主要包含轉(zhuǎn)速給定電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、控制電路、觸發(fā)脈沖輸出電路、整流及晶閘管保護(hù)電路、電源等幾個(gè)部分。1.轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理圖如圖所示。轉(zhuǎn)速給定電路原理圖2.轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖所示。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖3．電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖所示。電流檢測(cè)電路原理圖4．整流及晶閘管保護(hù)電路設(shè)計(jì)整流電路如圖所示，在整流電路中主要是晶閘管的保護(hù)問題。晶閘管具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它屬于半導(dǎo)體器件，因此具有半導(dǎo)體器件共有的弱點(diǎn)，承受過電壓和過電流的能力差，很短時(shí)間的過電壓和過電流就會(huì)造成元件的損壞。為了使晶閘管裝置能長期可靠運(yùn)行，除了合理選擇元件外，還須針對(duì)元件工作的條件設(shè)置恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。晶閘管主要需要四種保護(hù)：過電壓保護(hù)和du/dt限制，過電流保護(hù)和di/dt限制。整流電路及晶閘管保護(hù)電路5.電源設(shè)計(jì)該模塊的主要功能是為轉(zhuǎn)速給定電路提供電源，眾所周知，電源是一切電路的心臟，其性能在很大程度上影響著整個(gè)電路的性能。為使系統(tǒng)很好的工作，本文特設(shè)計(jì)一款±15V的直流穩(wěn)壓電源供電，其電路圖如圖所示。直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔茫虼硕O管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1KW）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用橋式整流電