运动控制专业课程设计郑兵自动化.doc

武汉理工大学华夏学院
课程设计汇报书

题 目
直流双闭环有环流可逆调速系统设计
院 系
信 息 工 程 系
专 业
自 动 化
班 级
1081 班
姓 名
郑 兵
学 号

指导老师
李 向 明

年
6
月
14
日

课程设计任务书
学生姓名： 郑 兵 专业班级： 自动化1081
指导老师： 李 向 明 工作单位： 信息工程系
题 目: 直流双闭环有环流可逆调速系统设计
初始条件：
1.直流电动机额定参数为： UN＝220V，IN＝136A，Ce＝0.132 v.min/r，Ra＝0.5Ω
2.电机过载倍数λ＝1.5，Ks＝40，Tl＝0.03 s，Tm＝0.18 s，
调整α＝0.07 v.min/r,β=0.05 v/A
3.测速发电机参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式
4.主电路采取三相全控桥，反并联连接，进线交流电源：三相380V
要求完成关键任务: （包含课程设计工作量及其技术要求，说明书撰写等具体要求）
1.转速调整器ASR及电流调整器ACR设计
2.转速反馈和电流反馈电路设计
3.集成触发电路设计
4. 主电路及其保护电路设计
课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，果断杜绝剽窃，雷同现象。满足以下要求：
1．采取α＝β配合控制，能够实现可逆运行，转速和电流稳态无差，电流超调量小于5％，转速超调量小于10％。
2. 对系统设计方案优异性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。
3. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。
4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。
时间安排：
.6.13－.6.15 搜集课程设计相关资料
.6.16－.6.23 系统设计
.6.24－.6.26 撰写课程设计及答辩
指导老师署名：
年 月 日
系主任（或责任老师）署名：
年 月 日
摘要
直流调速[1]是指人为地或自动地改变直流电动机转速,以满足工作机械要求。从机械特征上看,就是经过改变电动机参数或外加工电压等方法来改变电动机机械特征,从而改变电动机机械特征和工作特征机械特征交点,使电动机稳定运转速度发生改变。直流调速系统含有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中取得了广泛应用。本文从直流电动机工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统数学模型，并具体分析了系统原理及其静态和动态性能。然后根据自动控制原理，对双闭环调速系统设计参数进行分析和计算，在理论分析和仿真研究基础上，本文设计了一套试验用双闭环直流调速系统，具体介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路具体实现。对系统性能指标进行了试验测试，表明所设计双闭环调速系统运行稳定可靠，含有很好静态和动态性能，达成了设计要求。

关键词 直流电机 直流调速系统 速度调整器 电流调整器 双闭环系统 仿真

目录
第一章 直流调速系统设计 1
1.1 直流调速系统调速原理 1
1.2 电流、转速双闭环直流调速系统理论分析 2
1.2.1 双闭环调速工作过程和原理 2
1.2.2 双闭环直流调速系统组成及其静特征 2
1.3 双闭环直流调速系统数学模型 5
1.4 调整器工程设计方法 5
1.5 电流环、速度环设计 6
第二章 触发电路设计 9
2.1 TC787介绍 9
2.2 触发电路设计 9
第三章 晶闸管保护电路设计 11
3.1 晶闸管过电压保护电路设计 11
3.2 晶闸管过电流保护电路设计 13
设计总结和体会 14
参考文件 15
附录 16

第一章 直流调速系统设计
1.1 直流调速系统调速原理
直流电动机含有良好起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机(V—M)组成直流调速系统是现在应用较普遍一个电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上全部比较成熟，而且从闭环控制角度看，它又是交流调速系统基础[1，6]。
从生产机械要求控制物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同时控制系统等多个类型，多种系统往往全部是经过控制转速来实现，所以，调速系统是最基础电力拖动控制系统。直流电动机转速和其它参量关系和用式（2—1）表示
（2—1）
式中 n——电动机转速；
U——电枢供电电压；
I——电枢电流；
R——电枢回路总电阻，单位为
——由电机机构决定电势系数。
在上式中， 是常数，电流I是由负载决定，所以，调整电动机转速能够有三种方法：
（1）调整电枢供电电压U；
（2） 减弱励磁磁通；
（3） 改变电枢回路电阻R。
对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调整电枢供电电压方法最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通即使能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围弱磁升速。所以，自动控制直流调速系统往往以改变电压调速为主。
1.2 电流、转速双闭环直流调速系统理论分析
1.2.1 双闭环调速工作过程和原理
双闭环调速系统工作过程和原理: 电动机在开启阶段,电动机实际转速(电压)低于给定值,速度调整器输入端存在一个偏差信号,经放大后输出电压保持为限幅值,速度调整器工作在开环状态,速度调整器输出电压作为电流给定值送入电流调整器, 此时则以最大电流给定值使电流调整器输出移相信号,直流电压快速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速开启。电动机最大电流(堵转电流)能够经过整定速度调整器输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调整器输入端偏差信号减小到近于零,速度调整器和电流调整器退出饱和状态,闭环调整开始起作用。对负载引发转速波动,速度调整器输入端产生偏差信号将随时经过速度调整器、电流调整器来修正触发器移相电压,使整流桥输出直流电压对应改变,从而校正和赔偿电动机转速偏差。另外电流调整器小时间常数, 还能够对因电网波动引发电动机电枢电流改变进行快速调整,能够在电动机转速还未来得及发生改变时,快速使电流恢复到原来值,从而使速度愈加好地稳定于某一转速下运行[1，5，，6，8]。

1.2.2 双闭环直流调速系统组成及其静特征
一、双闭环直流调速系统组成
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整器，分别调整转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实施嵌套连接，图2—4所表示。把转速调整器输出看成电流调整器输入，再用电流调整器输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图2—4 转速、电流双闭环直流调速系统
其中：ASR-转速调整器 ACR-电流调整器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 -转速给定电压 Un-转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反馈电压
二、 双闭环直流调速系统静特征分析

图2—5 双闭环直流调速系统稳态结构框图
分析静特征关键是掌握PI调整器稳态特征，通常使存在两种情况：饱和—输出达成限幅值，不饱和—输出未达成限幅值。当调整器饱和时，输出为恒值，输入量改变不再影响输出，除非有反向输入信号使调整器退出饱和，换句话说，饱和 调整器临时隔断了输入和输出联络，相当于使该调整环开环。当调整器不饱和时，PI作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总为零。
实际上，在正常运行时，电流调整器是不会达成饱和状态。所以，对于静特征来说，只有转速调整器饱和和不饱和两种情况[1，5，，6，8]。
1．转速调整器不饱和
这时，两个调整器全部不饱和，稳态时，它们输入偏差电压全部是零，所以，
= ==
= =
由第一个关系式可得：n==
从而得到图2-5所表示静特征曲线CA段。和此同时，因为ASR不饱和，<可知<，这就是说，CA段特征从理想空载状态Id=0一直延续到=。而，通常全部是大于额定电流。这就是静特征运行段，它是一条水平特征。
2．转速调整器饱和
这时，ASR输出达成限幅值，转速外环呈开环状态，转速改变对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差单电流闭环调整系统。稳态时：
==
其中，最大电流取决于电动机许可过载能力和拖动系统许可最大加速度，由上式可得静特征AB段，它是一条垂直特征。这么是下垂特征只适合于情况，因为假如,则,ASR将退出饱和状态.
双闭环调速系统静特征在负载电流小于时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起关键调整作用,但负载电流达成时,对应于转速调整器饱和输出,这时,电流调整器起关键调整作用,系统表现为电流无静差,得到过电流自动保护.这就是采取了两个PI调整器分别形成内、外两个闭环效果。然而，实际上运算放大器开环放大系数并不是无穷大，所以，静特征两段实际上全部略有很小静差。
三、　各变量稳态工作点和稳态参数计算
由双闭环直流调速系统稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调整器全部不饱和时，各变量之间有以下关系：
===
===
===
上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定，ASR输出量是由负载电流决定，而控制电压大小则同时取决 于n和，或说，同时取决于 和。PI调整器输出量在动态过程中决定于输入量积分，抵达稳态时，输入为零，输出稳态值和输入无关，而是由它后面步骤需要决定。后面需要PI调整器提供多么大输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统稳态参数计算和单闭环有静差系统完全不一样，而是和无静差系统稳态计算相同，即依据各调整器给定和反馈值计算相关反馈系数。
转速反馈系数：α= /;
电流反馈系数：β= /;
两个给定电压最大值、由设计者给定，受运算放大器许可输入电压和稳压电源限制。
1.3 双闭环直流调速系统数学模型
双闭环直流调速系统数学模型建立包含到可控硅触发器和整流器相关内容，这里仅作简单介绍，具体内容将在第三章内加以说明。全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct和整流输出电压Ua0关系为：

其中：A---整流器系数； ---整流器输入交流电压； ---整流器触发角；
---触发器移项控制电压；K---触发器移项控制斜率；
整流和触发关系为余弦，工程中近似用线性步骤替换触发和放大步骤，放大系数为：K=。
绘制双闭环直流调速系统动态结构框图以下：

图2—7 双闭环直流调速系统动态结构框图
1.4 调整器工程设计方法
PI调整器结构以下图所式[1，2，3]：

由图可得：
：PI调整器百分比部分放大系数
：PI调整器积分时间常数
PI调整器传输函数为：

1.5 电流环、速度环设计
本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采取三相桥式全控整流电路基础数据以下：
1) 晶闸管装置放大系数：=40
2) 电枢回路总电阻：R=0.5Ω
3) 时间常数：电磁时间常数=0.03s
机电时间常数=0.18s
4) 调整器输入电阻=20
设计指标：
静态指标：无静差；
动态指标：电流超调量%≤5%；空载起动到额定转速时转速超调量%≤15%。
计算反馈关键参数：α＝0.07 v.min/r,β=0.05 v/A
一.　电流环设计
（1）确定时间常数
a) 整流装置滞后时间常数；（见附录表一）
电流滤波时间常数=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基础滤平波头，应有（1～2）=3.33ms，所以取=2ms=0.002s）
电流环小时间常数之和
按小时间常数近似处理。(和通常全部比小得多,能够看成小惯性群近似地看作是一个惯性步骤)
（2）选择电流调整器结构
依据设计要求：%≤5%，且，可按经典Ⅰ型设计电流调整器。电流环控制对象是双惯性型,所以把电流调整器设计成PI型.
检验对电源电压抗扰性能:
由附录表二,各项指标可接收.
（3）选择电流调整器参数
ACR超前时间常数=0.012s；电流环开环时间增益，ACR百分比系数。
（4）校验近似条件
电流环截止频率，
a)晶闸管装置传输函数近似条件：，现为，满足近似条件；
b)忽略反电动势对电流环影响条件：现为，满足近似条件；
c)小时间常数近似处理条件：，现为=，满足近似条件。
电流环能够达成动态指标为：，也满足设计要求。
二. 速度环设计
（1）确定时间常数
①电流环等效时间常数：=
②转速滤波时间常数：
③转速环小时间常数近似处理：。
（2）选择转速调整器结构
按跟随和抗扰性能全部能很好标准,在负载扰动点后已经有了一个积分步骤,为了实现转速无静差,还必需在扰动作用点以前设置一个积分步骤,所以需要Ⅱ由设计要求，转速调整器必需含有积分步骤，故按经典Ⅱ型系统—选择设计PI调整器。经典Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。
（3）选择调整器参数

转速开环增益：
ASR百分比系数：

（4）近似校验
转速截止频率为：
①电流环传输函数简化条件：，满足条件；
②转速环小时间常数近似处理条件：
（5）检验转速超调量
当h=5时，,不能满足要求.按ASR退饱和情况计算超调量:，满足设计要求。

第二章 触发电路设计
2.1 TC787介绍
一、管脚介绍
用独有优异IC工艺技术，并参考最新集成移相触发集成电路而设计单片集成电路，它可单电源工作，亦可双电源工作，关键适适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以组成多个交流调速和交流装置，她们是现在中国市场上广泛流行TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路换代产品，和TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比，含有功耗小、功效强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这么集成电路，就可完成3只TCA785和1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004，1只KJ041，1个KJ042)(或KC)系列器件组合才能含有三相移相功效，所以，TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品移相触发系统，为提升整机寿命，缩小体积，降低成本提供了一个新、愈加有效路径。其管脚图图2所表示。
图2 TC787管脚图
2.2 触发电路设计
(1) TC787适适用于主功率器件是晶闸管三相全控桥或其它拓扑结构电路系统中作为晶闸管移相触发电路。而TC788适适用于以功率晶体管(GTR)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)为功率单元三相全桥或其它拓扑结构电路系统中作为脉宽调制波产生电路，且任一个芯片均可同时产生六路相序互差输出脉冲。
(2) TC787/TC788在单、双电源下均可工作，使其适用电源范围较广泛，它们输出三相触发脉冲触发控制角可在0~180°范围内连续同时改变。它们对零点识别很可靠，使它们可方便地用作过零开关，同时器件内部设计有移相控制电压和同时锯齿波电压交点(交相)锁定电路，抗干扰能力极强。电路本身含有输出严禁端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，确保系统安全。
(3) TC787/TC788可方便地经过改变引脚6电平高低，来设置其输出为双脉冲列还是单。
二、具体设计电路图

图3 由TC787组成三相六脉冲触发电路

第三章 晶闸管保护电路设计
3.1 晶闸管过电压保护电路设计
正常工作时，晶闸管承受最大峰值电压为，超出此峰值电压就算过电压。在整流装置中，任何偶然出现过电压均不应超出元件不反复峰值电压，而任何周期性出现过电压则应小于元件反复峰值电压。这两种过电压全部是常常发生和不可避免。抑制暂态过电压方法通常有三种：①用电阻消耗过电压能量；②用非线性元件限制过电压幅值；③用储能元件吸收过电压能量。若以过电压保护装设部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保护和元器件保护3种。
一、交流侧过电压保护
交流侧过电压通常全部是外因过电压，在抑制外因过电压方法中，采取RC过电压抑制电路是最为常见。通常是在变压器次级(元件侧)并联RC电路，以吸收变压器铁心磁场释放能量，并把它转化为电容器电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中能够消耗一部分能量而且抑制LC回路可能产生振荡。当整流器容量较大时，RC电路也能够接在变压器电源侧。
图4 阻容过电压保护电路
RC参数计算
变压器每相平均计算容量为

(1) 电容器计算
由得： 取=20。
电容器耐压值为
依据得：
取500。故选择参数为20，500电容。
(2) 电阻值计算
由得：
考虑到所取电容已大于计算值，故电阻可合适取小些。取=2。
正常工作时，RC支路一直有交流电流过，过电压总是短暂，所以可按长久发烧来确定电阻功率。RC支路电流可由式(2.13)确定，即
由得：
电阻功率为
由得：
故选择2，50电阻。
式中 ―变压器每相平均计算容量。
―变压器二次相电压有效值。
―励磁电流百分数
当几百伏安时=10，当1000伏安时=3~5。
―变压器短路比，当变压器容量为10~1000时，=5~10。
，―当正常工作时电流电压有效值。
三、晶闸管换相过电压保护
因为晶闸管在实际应用中通常只承受换相过电压，没相关断过电压问题，关断时也没有较大，所以晶闸管缓冲电路就简化为了晶闸管换相过电压保护，即采取RC吸收电路即可。其电路图图5所表示。
图5 晶闸管换相过电压保护电路图
电容C选择为

取C=0.2，电阻通常取40。
3.2 晶闸管过电流保护电路设计
变流装置发生过电流原因归纳起来有以下多个方面：
(1) 外部短路：如直流输出端发生短路。
(2) 内部短路：如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生短路。
(3) 可逆系统中产生换流失败和环流过大。
(4) 生产机械发生过载或堵转等。
晶闸管元件承受过电流能力也很低，若过电流数值较大而切断电路时间又稍长，则晶闸管元件因热容量小就会产生热击穿而损坏。晶闸管变流装置可能采取过流保护方法有：①交流断路器；②进线电抗器；③灵敏过电流继电器；④断路器；⑤电流反馈控制电路；⑥直流快速开关；⑦快速熔断器。
本设计采取晶闸管过电流保护方法是快速熔断器保护方法，其参数选择为：
①因工作时电压为380，取。
②流过快速熔断器电流有效值为

快速熔断器额定电流为

选择。

设计总结和体会
刚拿道题目时，认为还比较简单，想想无非是书本上知识，算一算就好了，可真正开始进行设计时便遇见了困难。书本上知识全部是在理想情况下求出，且因为教材将电力电子技术侧关键不一样，部分参数并未给出明确算法，经过很长时间翻阅资料也为能找出明确方案，感觉有些沮丧，回来经过问询老师，知道了部分参数计算只有在版本比较旧教材上才有，我就继续根据这个线索查找资料。以后找到了资料，真有种豁然开朗感觉。最终依据自己新找到资料再结合老师平时教授知识，最终再回归到教材上进行总结。看似一个很简单设计，假如自己没有亲自动手做，便永远不知道它是不是真很简单。在做课程设计期间，我几乎天天跑图书馆，基础全部相关电力电子方面教材我全部翻阅了一下，最终确定了设计方案。
经过这次课程设计，我充足锻炼了自己能力，包含查阅资料能力，设计能力，和同学相互探讨能力。也从课程设计中体会到了书本知识真很局限，它只是老师将我们带进去一门工具，真要达成了学以致用必需要不停充实自己，学习各方面知识，不要局限在一本书上，从而真正达成理论联络实际目标。

参考文件
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术.机械工业出版社，5月
[2]杨荫福，朝泽云等.电力电子装置及系统.清华大学出版社，
[3]张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社，8月
[4]翁瑞琪.袖珍电子工程师手册.机械工业出版社，3月
[5]王维平.现代电力电子技术及应用[M].南京：东南大学出版社，
[6]陈坚.电力电子学(第二版).北京：高等教育出版社，
[7]阮毅，陈伯时．电力拖动自动控制系统——运动控制系统．机械工业出版社，8月
[8]叶斌.电力电子应用技术[M].北京：清华大学出版，

附录

触发电路图

控制电路及主电路图

课程设计成绩评定表
姓 名
郑兵
学 号

专业、班级
自动化 1081班
课程设计题目：直流双闭环有环流可逆调速系统设计
课程设计质疑统计：

成绩评定依据：
态度认真，组织纪律性好（20分）

设计说明书文理通顺，工整（10分）

设计方案合理，论证充足（20分）

设计资料齐全，格式规范（10分）

独立完成任务，无原理性错误（20分）

答辩（20分）

总 分：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导老师签字：

年 月 日