1、目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc13294 第1章 主電路系統設計 PAGEREF _Toc13294 2 HYPERLINK l _Toc7242 1.1 主電路設計原理 PAGEREF _Toc7242 2 HYPERLINK l _Toc5674 第2章 控制電路設計 PAGEREF _Toc5674 4 HYPERLINK l _Toc10461 2.1 轉速控制的要求和調速指標 PAGEREF _Toc10461 4 HYPERLINK l _Toc25661 2.2 電流環的設計 PAGEREF _Toc25661 5 HYPERLINK l _T

2、oc14945 2.2.1確定時間常數 PAGEREF _Toc14945 5 HYPERLINK l _Toc14102 2.2.2 選擇電流調節器結構 PAGEREF _Toc14102 6 HYPERLINK l _Toc15303 2.2.4 校驗近似條件 PAGEREF _Toc15303 6 HYPERLINK l _Toc5303 2.2.5 計算調節器電阻和電容 PAGEREF _Toc5303 7 HYPERLINK l _Toc3725 2.3 轉速環的設計 PAGEREF _Toc3725 8 HYPERLINK l _Toc9732 2.3.1 確定時間常數 PAGER

3、EF _Toc9732 8 HYPERLINK l _Toc22505 2.3.2 選擇轉速調節器結構 PAGEREF _Toc22505 8 HYPERLINK l _Toc978 2.3.3 計算轉速調節器參數 PAGEREF _Toc978 8 HYPERLINK l _Toc31739 2.3.4 校驗近似條件 PAGEREF _Toc31739 9 HYPERLINK l _Toc7613 2.3.5 計算調節器電阻和電容 PAGEREF _Toc7613 9 HYPERLINK l _Toc24566 2.3.6 校核轉速超調量 PAGEREF _Toc24566 10 HYPER

4、LINK l _Toc4164 2.4結果分析 PAGEREF _Toc4164 11 HYPERLINK l _Toc4634 第3章 設計總結 PAGEREF _Toc4634 12 HYPERLINK l _Toc11587 附錄 PAGEREF _Toc11587 13第1章 主電路系統設計1.1 主電路設計原理 對于經常正、反轉運行的調速系統，縮短起、制動過程的時間是提高生產效率的重要因素。為此，在起、制動過渡過程中，希望始終保持電流為允許的最大值，使調速系統以以最大的加（減）速度運行。 在電機最大電流受限的條件下，希望充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許

5、的最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩態后，又讓電流立即降低下來，使轉速馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。在單閉環調速系統中，只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動時的電流和轉速波形如圖1-1a所示。 當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于經常正反轉運行的調速系統，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產率的重要因素。為此，在電機最大電流(轉矩)受限的條件下,希望充分地利用電機的過載能力,最好是在過渡過程中

6、始終保持電流(轉矩)為允許的最大值,使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動,到達穩定轉速后,又讓電流立即降低下來,使轉矩馬上與負載平衡,從而轉入穩態運行.這樣的理想起動過程波形如圖1-1b所示,起動電流呈方形波,而轉速是線性增長的。這是在最大電流(轉矩)受限的條件下，調速系統所能得到的最快的啟動過程。nIdnIdlt0Idl（a) （b)圖1-1 調速系統啟動過程的電流和轉速波形（a) 帶電流截止負反饋的單閉環調速系統的啟動過程 （b) 理想快速啟動過程 但是，實際上由于主電路電感作用，電流不可能突變，為了實現在允許條件下的最快起動，可以在電路中同時使用轉速和電流兩種負反饋，在系統同中設置兩個

7、調節器，分別接入轉速負反饋和電流負反饋，用來調節轉速和電流，為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流調節器一般都采用PI調節器。原理圖如圖1-2所示。圖1-2 轉速、電流雙閉環不可逆直流調速系統原理圖第2章 控制電路設計 2.1 轉速控制的要求和調速指標 生產工藝對控制系統性能的要求經量化和折算后可以表達為穩態和動態性能指標。設計任務書中給出了本系統調速指標的要求。深刻理解這些指標的含義是必要的，也有助于我們構想后面的設計思路。在以下四項中，前兩項屬于穩態性能指標，后兩項屬于動態性能指標。（1） 調速范圍D：生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，即（1-1）（2） 靜差率s

8、：當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率，即（1-2）靜差率是用來衡量調速系統在負載變化下轉速的穩定度的。（3） 跟隨性能指標：在給定信號R（t）的作用下，系統輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標來描述。具體的跟隨性能指標有下列各項：上升時間，超調量，調節時間。（4） 抗擾性能指標：此項指標表明控制系統抵抗擾動的能力，它由以下兩項組成：動態降落，恢復時間。 已知本設計為雙閉環直流不可逆調速系統，已知如下基本數據：直流電動機：電機型號額定功率額定電壓額定電流額定轉速過載倍數()Z4-180-11160KW440V339A1500r

9、/min1.5電樞回路總電阻：轉動慣量：時間常數：電流反饋: 轉速反饋：設計要求： 1.靜態指標：轉速和電流穩態無靜差，D=10，S=5%； 2.動態指標：電流超調小于5%，轉速超調小于5%。2.2 電流環的設計 電流環的等效靜態結構圖2.2.1確定時間常數（1）整流裝置滯后時間常數Ts。三相橋式電路的平均失控時間：Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數Toi。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取。（4）電磁時間常數的確定： 則電磁時間常數： 2

10、.2.2 選擇電流調節器結構 根據設計要求，并保證穩態電流無靜差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調節器，其傳遞函數為 式中 電流調節器的比例系數； 電流調節器的超前時間常數。 檢查對電源電壓的抗擾性能：,各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調節器按典型I型系統設計。2.2.3 選擇電流調節器的參數（1）電流調節器超前時間常數：。（2）電流開環增益：要求時，取，因此 于是，ACR的比例系數為 式中 電流反饋系數； 晶閘管專制放大系數 2.2.4 校驗近似條件 電流環截止頻率:（1）晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： ，滿足近似條件。（2）忽略反電動

11、勢變化對電流環動態影響的條件：，滿足近似條件。（3）電流環小時間常數近似處理條件：，滿足近似條件。 計算調節器電阻和電容 由圖2-1，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為:, 取，取，取 按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為，滿足設計要求。圖2-1 含濾波環節的PI型電流調節器2.3 轉速環的設計轉速環的等效動態結構圖如下2.3.1 確定時間常數（1）電流環等效時間常數1/KI。由前述已知，則（2）轉速濾波時間常數，根據所用測速發電機紋波情況，取.（3）轉速環小時間常數。按小時間常數近似處理，取2.3.2 選擇轉速調節器結構 轉速環動態結構圖如圖，同樣進行單位反饋系統的處理及小慣性

12、環節的處理，如圖所示。由于設計要求無靜差，轉速調節器必須含有積分環節；又根據動態要求，應按典型型系統設計轉速環，故ASR選用PI調節器，其傳遞函數為: 2.3.3 計算轉速調節器參數 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數為:則轉速環開環增益K可得ASR的比例系數為式中 電動勢常數， 轉速反饋系數。2.3.4 校驗近似條件 轉速截止頻率為: （1）電流環傳遞函數簡化條件為,滿足簡化條件。（2）轉速環小時間常數近似處理條件為,滿足近似條件。 2.3.5 計算調節器電阻和電容 根據圖2-2 所示，取，則,取，取,取圖2-2 含濾波環節的PI型轉速調節器 2.3.6 校核轉

13、速超調量 按抗擾性能都較好的原則，取h=5，則：ASR的超前時間常數為， 設理想空載起動時，負載系數，已知， ， ，。當時，而調速系統開環機械特性的額定穩態速降： 式中 電機中總電阻 ； 為基準值，對應為額定轉速。計算得： ，能滿足設計要求。2.4結果分析 為了分析雙閉環調速系統的特性，在轉速調節器和速度調節器的輸出端設置一個限幅值，限幅值的大小可以根據所選的運算放大器的輸入電壓的大小來選定，本設計選取的限幅值為15V。得到這樣結論： 1. 工程設計方法在推導過程中為了簡化計算做了許多近似的處理，而這些簡化處理必須在一定的條件下才能成立。例如：將可控硅觸發和整流環節近似地看作一階慣性環節, 設

14、計電流環時不考慮反電勢變化的影響；將小時間常數當作小參數近似地合并處理；設計轉速環時將電流閉環從二階振蕩環節近似地等效為一階慣性環節等。 2. 雖然可以通過仿真來驗證設計結果，但是仿真實驗得到的結果也并不是和系統實際的調試結果完全相同，因為仿真實驗在辨識過程中難免會產生模型參數的測量誤差，而且在建立模型過程中為了簡化計算，忽略了許多環節的非線性因素和次要因素。例如：可控硅觸發和整流環節的放大倍數和失控時間，這些都是非線性參數，但在仿真中被近似看作常數；再如，設計電流調節器時只考慮電流連續時的情況，而忽略了電流斷續時的情況。 3. 添了微分負反饋使得快速的達到穩態值，超調量也減少。但是微分容易引

15、起振蕩所以要加死區環節。 以上一些原因，在應用工程設計方法時應該注意的，以減小理論設計與實際之間的差距。第3章 設計總結 經過兩周的“轉速、電流雙閉環不可逆直流調速系統”的課程設計，使我們更加靈活的將課本中的理論知識與實際相結合，從這次設計中我學到了很多，尤其是懂得了靈活的掌握理論知識的必要性以及理論與實際相結合的重要性。 課程設計頭一天老師下達任務書時，我感覺毫無頭緒更不知道該從何做起，于是借助圖書館和網絡查找相關資料，認真了解和構思了主電路和控制電路設計，然后根據老師給定的基本參數確定了整流電路的形式以及開始進行對電動機的基本參數的計算，經過復雜而且多次細心的運算終于得以確定，在這個過程中

16、需要有極大的耐心與仔細。 通過再三的檢查，我發現了很多不足之處，在同學的詢問和解答得到了改進，還有對于電壓反饋，電流反饋以及對壓敏電阻的基本工作原理及作用不太熟悉，通過這次實踐，有了一定的了解和掌握。 這次課程設計將這一學科進一步得以補充和完善，以及上課的過程中有些疑難問題也得到了解決，使我對直流調速系統有了更進一步的認識和了解，而且作為我這個專業的專業課，我深刻認識到了學習并掌握好的必要性，而且鞏固和夯實專業知識的重要性。還有，此次課程設計使我的獨立思考、分析、解決問題各方面能力的提升，而且，學會了靈活應用和變通以及理論和實際相結合的重要性。 總之，此次課設使我更進一步的了解了直流拖動這門課，同時增強了自己在這門課理論知識的理解能力。在此我