转速电流双闭环直流调速系统课程设计

课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 课程名称电力拖动自动控制系统 设计题目 转速电流双闭环直流调速系统 院系电子信息与电气工程学院 学生姓名 学号 专业班级 指导教师 摘要摘要本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统 的工作原理，利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速 系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构 成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件 的反馈作用保持转速稳定， 最终消除转速偏差， 从而使系统达到调节电流和转速的目的。 关键词关键词双闭环控制系统；晶闸管；电流调节器；转速调节器； 目录目录 1.引言 1 2.设计内容 1 2.1 设计思路. 1 2.2 双闭环调速系统的组成. 2 2.3 双闭环调速系统优点. 3 3. 方案实施 4 3.1 转速给定电路设计. 4 3.2 转速检测电路设计. 4 3.3 电流检测电路设计. 5 4 主电路保护电路设计. 6 4．1 过电压保护设计 6 4．2 过电流保护设计 7 5 驱动电路的设计 8 6 控制电路设计. 10 7 电流环与转速环的设计 11 7．1 电流调节器的设计. 11 7．2 转速调节器的设计. 13 8 结论体会 14 9 参考文献 14 1. 1.引言引言 调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。 目前对调速性能 要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在 20 世纪 40 年代采 用的是发电机－电动机系统，又称放大机控制的发电机－电动机组系统。这种系统在 40 年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等， 特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50 年代开 始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境， 危害 人体健康。50 年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完 善。 晶闸管－电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统， 广泛应用于世界各国。 近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是 经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器， 具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流 电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。 单 闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。 而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。 2. 2.设计内容设计内容 2.12.1 设计思路设计思路 带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压， 以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。 当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的， 因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速， 实现无静差调速。 对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负反馈作 1 限流保护，但这并不能控制电流的动态波形。按反馈的控制规律， 采用某个物理量的负 反馈就可以保持该基本量基本不变，采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程。 另外，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 于进行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中， 同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节， 调节器的动态参数无法 保证两种调节过程均具有良好的动态品质。 按照电机理想运行特性，应该在启动过程中只有电流负反馈， 达到稳态转速后，又 希望只有转速反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时，转速 负反馈起主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用， 得到电流的自动保 护。 2.22.2 双闭环调速系统的组成双闭环调速系统的组成 a. 系统电路原理图 图 2-1 为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器 ASR 和 ACR 分别为 转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输 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。 电流环在内， 称之为内环； 转速环在外，称之为外环。 两个调节器输出都带有限幅，ASR 的输出限幅什 Uim决定了电流调节器 ACR 的给定 电压最大值 Uim，对就电机的最大电流；电流调节器 ACR 输出限幅电压 Ucm限制了整流 器输出最大电压值，限最小触发角 α 。 Ufi Rn Cn Un R0 Ufn _ R0 ASR _ Ui R0 LMR0 _ Ri ACR Ci Uc GTV Ud _ Id M LM _ _ _ RP2 TG 图2－1 双闭环调速系统电路原理图 b. 系统动态结构图 2 图 2-2 为双闭环调速系统的动态结构框图，由于电流检测信号中常含有交流分量， 须加低通滤波，其滤波时间常数 Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流 分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加 入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是让给定信号和反馈信 号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。 由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时 间常数用 Ton表示。 根据和电流环一样的道理， 在转速给定通道中也配上时间常数为 Ton 的给定滤波环节。 Uis ASR Uns 1 Tons 1 _ Ufn 1 Tois 1 Ucs ACR _ Ufi ks Tss 1 Ud0s Es _ 1/R Tls 1 Id _ Idls R Tms 1ns Ce  电流环 Tois 1  Tons 1 Toi电流反馈滤波时间常数 Ton转速反馈滤波时间常数 图2－2双闭环调速系统的动态结构图 2.32.3 双闭环调速系统优点双闭环调速系统优点 一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能 力， 使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动， 达到稳态转速后， 电流应快速下降， 保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图 2.3 所 示。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根 据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制 过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定 运行过程中， 要求转矩保持平衡， 需使转速保持恒定， 应以转速负反馈为主。 采用转速、 电流双闭环控制系统。即为双闭环调速系统优点。 3 n i dm n i dl 0 t 图 2.3 理想启动过程 3.