1、运动控制系统课程设计 I 运动控制系统 课程设计 专 业 ： 自动化 设计题目 ： 双闭环直流电机调速系统设计 班级 ： 自动化 0843 学生姓名 ： 杨磊 学号 ： 10 指导教师 ： 方健 分院 院长 ： 许建平 教研室主任 ： 方健 电气 工程学院 运动控制系统课程设计 II 一、 课程设计任务书 1.设计参数 直流他励电动机：功率 Pe 1.1KW，额定电流 Ie=6.7A，磁极对数 P=1， ne=1500r/min,励磁电压 220V,电枢绕组电阻 Ra=2.34 ,主电路总电阻 R 7， L 246.25Mh(电枢电感、平波电感和变压器电感之和 )， Ks=58.4，机电时间常
2、数 Tm=116.2ms，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数 1.5，电流给定最大值 10VUim ，速度给定最大值 10VUn 2.设计内容 1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。 2） 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 3）驱动控制电路的选型设计。 4）动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与 ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。 5） 绘制 V M 双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响
3、。 3.设计 要求： 1）该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（ 10D ），系统在工作范围内能稳定工作。 2）系统静特性良好，无静差（静差率 2S ）。 3）动态性能指标：转速超调量 8%n ，电流超调量 5%i ，动态最大转速降 8 10%n ，调速系统的过渡过程时间（调节时间） 1sts 。 运动控制系统课程设计 III 4)系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续。 5)调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。 6)主电路采用三项全控桥。 4. 课程设计报告 要求 1）、要求在课程设计答辩时提交课程设计报告。 2）、报告应包括以下内
4、容： A、系统各环节选型 主回路方案确定。 控制回路选择 主要电气设备的计算和选择 系统参数计算 B、系统调试过程介绍，在调试过程中出现的问题，解决办法等； C、课程设计总结。包括本次课程设计过程中的收获、体会，以及对该课程设计的意见、建议等； D、设计中参考文献列表； E、报告使用 B5 纸打印，全文不少于 2000字。 5. 参考资料 1 朱仁初，万伯任 .电力拖动控制系统设计手册 M.北京 ： 机械工业出版社， 1994. 2 王兆安，黄俊 .电力电子技术 M.北京：机械工业出版社， 2006. 3 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 -运动控制系统 M,第三版 . 北京 :机械工业出版社
5、 , 2007年 6月 4 孔凡才晶闸管直流调速系统 M北京 :北京科技出版社，1985 5 段文泽，童明倜 .电气传动控制系统及其工程设计 M .四川：重庆大学出版社 ,1989.10. 6 运动控制系统课程设计指导书 . 运动控制系统课程设计 IV 6. 设计进度 （ 2011 年 11 月 29 日至 12 月 10 日） 时 间 设计内容 11 月 29日 布置设计任务、查阅资料 11 月 30日 -12月 2日 方案论证及 总体设计 12月 3日 -12月 9日 系统调试及 整理 课程设计报告 12月 10日 课程设计 答辩 二 、评语及成绩 评分项目 评分标准 量化 分数 1.独立
6、分析与解决问题的能力 很强 较强 一般 不具有 10 2. 课程设计的答辩情况 有见解 回答准确 回答正确 基本正确 有错误 25 3. 课程设计论文及插图的规范 程度 规范 整洁 正确 杂乱 有错误 25 4.工具软件的使用 熟练使用 会使用 需要学习 10 5.辅导答疑 积极 认真 应付 消极 10 6.设计态度 积极 认真 应付 消极 10 7.出勤 全勤 缺勤次数 10 附加评语 量化总分 目录 V 目 录 前言 . 1 第一章 绪 论 . 1 1 1 直流调速系统的概述 . 1 1 2 研究课题的目的和意义 . 1 1 3 设计内容和要求 . 3 1.3.1 设计要求 . 3 1.3
7、.2 设计内容 . 3 第二章 双闭环直流调速系统设计框图 . 2 第三章 系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成 . 6 3 1 主电路的选择与确定 . 6 3 2 双闭环调速系统的组成 . 8 第四章 主电路各器件的选择和计算 . 11 4 1 变流变压器容量的计算和选择 . 11 4 2 整流元件晶闸管的选型 . 14 4 3 电抗器设计 . 15 4 4 主电路保护电路设计 . 16 4.4.1 过电压保护设计 . 16 4.4.2 过电流保护设计 . 20 第五章 双闭环调速系统调节器的动态设计 . 24 5 1 电流调节器的设计 . 24 5 2 转速调节器的设计 . 26 小结
8、 . 33 参考文献 . 34 前言 1 前 言 直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高 。针对直流电机调速的方法也很多 ，目前国内外也研究了一些调速的控制器。例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国际先进的 IGBT 大功率模块器件和独特自行设计的 PWM 微电子控制技术，以及节能反馈电路和 丰富的保护功能控制电路。适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。 该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机
9、连接控制 等特点。 直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶 闸管的单向导电性与相位控制原理相结合 ,构成可控直流电源 ,以实现电枢端电压的平滑调节。 本设计的题目是双闭环直流电机调速系统的设计。采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管 电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。由于开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，
10、但是许多需要调速的生产机械常常对静差率有要求则采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而 转速、电流双闭环直流调节系统采用 PI 调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快 速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路 ，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了详细地设计。概括的整个电路的动静态性能，并各个部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完成 ,并且进行仿真。 第
11、一章 绪论 2 第一章 绪 论 1 1 直流调速系统的概述 三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电 动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。 直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速 ,以满足工作机械的要求。从机械特性上看 ,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等
12、方法来改变电动机的机械特性 ,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点 ,使电动机的稳定运转速度 发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用 。 1 2 研究课题的目的和意义 在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此
13、单闭环调速系统抵抗 电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。 用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决 稳、准、快、抗干扰 等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的 理论基础 和丰富的 实践经验 ，而初学者则 不易掌握 ，于是有必要建立 实用 的设计方法。 大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由 低阶系统近似 。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图 表，那么将实际系统第一章 绪论 3 校
14、正或简化成 典型系统 的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。 1 3 设计内容和要求 1.3.1 设计要求 1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围 （ 10D ）， 系统在工作范围内能稳定工作 。 2. 系统静特性良好，无静差（静差率 2S ）。 3. 动态性能指标：转速超调量 8%n ，电流超调量 5%i ，动态最大转速降 8 10%n ，调速系统的过渡过程时间（调节时间） 1sts 。 4. 系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续。 5. 调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。 6. 主电
15、路采用三项全控桥。 1.3.2 设计内容 1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。 2. 调速系统 主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。 3. 驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可）。 4动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定 ASR 调节器与 ACR 调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。 5 绘制 V M 双闭环直流不可逆调速系统电器原理图（要求用计算机绘图），并用 Orcad 或 Matlab
16、 软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电动 机动态性能的影响。 。第二章 双闭环直流调速系统设计框图 4 第二章 双闭环直流调速系统设计框图 直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流 380V 电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2.1 设计的总框架。 图 2.1 双闭环直流调速系统设计总框架 三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同 要求采用不同的方法。根
17、据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。 驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需 要提供开通控制信号。对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统，三相交流电源 三相桥式整流电路 直流电动机 整流 供电 双闭环直流调速机 驱动电路 保护电路 第三章 系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成 5 采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。 最后是用 MATLAB/SIMULINK 对整个调 速系统进行了仿真分析。
