綜合訓練名稱：運動控制系統綜合訓練

題目：軋鋼機流水線傳送帶調速系統設計

學    期：2017學年春季學期

專    業：電氣工程及其自動化

班    級：電氣14-6班

姓    名：望家相

學    號：1416*423

指導教師：馨

遼寧工程技術大學

• 設計題目
  

• 設計任務
  

1.熟練掌握各種調速系統的結構組成，針對現場情況要求合理的選擇系統結構。

2.依據調節器的工程設計方法，設計調節器的結構及參數計算。

3.通過系統仿真，對各模塊性能、電路連接情況進一步加強理解。并通過對仿真參數進行調整，了解參數變化對系統性能的影響。

• 畫出帶負載的整體系統結構框圖。
• 采用工程設計方法設計調節器
• 系統仿真
  

關鍵詞：原理圖；調節器；工程設計方法；參數整定；起動過程；仿真

目錄

目的：

（1）熟練掌握各種調速系統的結構組成，針對現場情況要求合理的選擇系統結構。

（2）依據調節器的工程設計方法，設計調節器的結構及參數計算。

（3）通過系統仿真，對各模塊性能、電路連接情況進一步加強理解。并通過對仿真參數進行調整，了解參數變化對系統性能的影響。

要求：

（1）畫出帶負載的整體系統結構框圖。

（2）采用工程設計方法設計調節器

（3）系統仿真

如題1所示，為了實現在允許條件下的最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達到的控制：啟動過程只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；達到穩態轉速后只有轉速負反饋，不讓電流負反饋發揮作用。故而采用轉速和電流兩個調節器來組成系統。

1.1.2系統的電路原理圖

為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電路兩個調節器一般都采用PI調節器，這樣組成的直流雙閉環調速系統電路原理圖如圖3所示。圖中ASR為轉速調節器，ACR為電流調節器，TG表示測速發電機，TA表示電流互感器，GT是觸發電路，UPE是電力電子變換器。圖中標出了兩個調節器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還標出了兩個調節器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給的電壓的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。

根據圖3直流雙閉環調速系統電路原理圖可以方便的繪出系統的穩態結構框圖，如圖4所示。其中為轉速反饋系數，為電流反饋系數。

在考慮雙閉環控制的結構（見圖4直流雙閉環調速系統的穩態結構框圖）的基礎上，即可繪出直流雙閉環調速系統的動態結構框圖，如圖5所示。圖中和分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在電動機的動態結構框圖中必須把電樞電流顯示出來。

在實際設計過程中，由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環節傳遞函數可以用一階慣性環節來表示，其濾波時間常數按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環節也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數的慣性環節，稱作給定濾波環節。其意義是，讓給定信號和反饋信號經過相同的延時，使二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便。

由測速發電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數用表示。根據和電流環一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數為的給定濾波環節。

所以直流雙閉環調速系統的實際動態結構框圖應該與圖5有所不同，應當增加濾波環節，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環節。如圖6所示。

在圖6點畫線框內的電流內環中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流環的影響。在一般情況下，系統的電磁時間常數遠小于機電時間常數，因此，轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環來說，反電動勢是一個變化慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變，即。這樣，在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態影響，也就算說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環的近似結構框圖，如圖7所示�？梢宰C明，忽略反電動勢對電流環作用的近似條件是：

式中  ——電流環開環頻率特性的截止頻率。

如果把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效的移到環內，同時把給定信號改成，則電流環便等效成單位負反饋系統，如圖8所示。

最后，由于和一般都比小的多，可以當作小慣性群而近似的看作是一個慣性環節，其時間常數為：

式中  ——電流調節器的比例系數；

      ——電流調節器的超前時間常數。

1）整流裝置滯后時間常數。通過表1可得出，三相橋式電路的平均失控時間。

2）電流濾波時間常數。根據初始條件有。

3）電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取。

表1各種整流電路的失控時間（）

整流電路形式	最大失控時間	平均失控時間
單相半波 單相橋式（全波） 三相半波 三相橋式、六相半波	20 10 6.67 3.33	10 5 3.33 1.67

4）電磁時間常數。已知電樞回路電感，則：

根據設計要求，并保證穩態電壓無差，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型電流調節器，其傳遞函數：

檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照表2的典型Ⅰ型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的。

表2典型Ⅰ型系統動態抗擾性能指標與參數的關系

電流反饋系數。

電流調節器超前時間常數：。

電流開環增益：要求時，按表3，取，因此

參數關系	0.25	0.39	0.50	0.69	1.0
阻尼比	1.0	0.8	0.707	0.6	0.5
超調量	0%	1.5%	4.3%	9.5%	16.3%
上升時間		6.6	4.7	3.3	2.4
峰值時間		8.3	6.2	4.7	3.6
相角穩定裕度	76.3°	69.9°	65.5°	59.2°	51.8°
截止頻率	0.243	0.367	0.455	0.569	0.786

電流環截止頻率：

• 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件
  

               

• 忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件
  

• 電流環小時間常數近似處理條件
  

由圖11，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。

含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調節器原理圖如圖11所示。圖中為電流給的電壓，為電流負反饋電壓，調節器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。

電流環經簡化后可視作轉速環的一個環節，由圖10可知，電流環的閉環傳遞函數為

忽略高次項，可降階近似為

式中  ——轉速開環頻率特性的截止頻率。

接入轉速環內，電流環等效環節的輸入量應為，因此電流環在轉速環中應等效成

這樣，原來是雙慣性環節的電流環控制對象，經閉環控制后，可以近似的等效成只有較小時間常數的一階慣性環節。

用電流環的等效代替圖6中的電流環后，整個轉速控制系統的動態結構框圖如圖12所示。

把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改為，再把時間常數為和的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為的慣性環節，其中

式中  ——轉速調節器的比例系數；

      ——轉速調節器的超前時間常數。

令轉速環開環增益為

1）電流環等效時間常數。根據上文中，則

2）轉速濾波時間常數。根據初始條件。

3）轉速環小時間常數。按小時間常數近似處理，取

轉速反饋系數。

按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數為

• 電流環傳遞函數簡化條件為
  

                               ，滿足簡化條件。

• 轉速環小時間常數近似處理條件為
  

                             ，滿足近似條件。

根據圖15，取，則

，取；

                                       ，取；

                                ，取。

當時，查表4可得，，不能滿足設計要求。實際上，由于表4是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR退飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況計算超調量。

	3	4	5	6	7	8	9	10
	52.6%	43.6%	37.6%	33.2%	29.8%	27.2%	25.0%	23.3%
	2.40	2.65	2.85	3.0	3.1	3.2	3.3	3.35
	12.15	11.65	9.55	10.45	11.30	12.25	13.25	14.20
	3	2	2	1	1	1	1	1

由表5查得，則

	3	4	5	6	7	8	9	10
	72.2%	77.5%	81.2%	84.0%	86.3%	88.1%	89.6%	90.8%
	2.45	2.70	2.85	3.00	3.15	3.25	3.30	3.40
	13.60	10.45	8.80	12.95	16.85	19.80	22.80	25.85

含給定濾波和反饋濾波的PI型轉速調節器原理圖如圖15所示，圖中為轉速給定電壓，為轉速負反饋電壓，調節器的輸出是電流調節器的給定電壓。

3 觸發器設計

集成觸發電路具有可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便等優點。晶閘管觸發電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。正組晶閘管VF，由GTF控制觸發，

——正轉時，VF整流；

——反轉時，VF逆變。

反組晶閘管VR，由GTR控制觸發，

——反轉時，VR整流；

——正轉時，VR逆變。

觸發電路采用集成移相觸發芯片TC787，與TCA785及KJ（或KC）系列移相觸發集成電路相比，具有功耗小、功能強、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優點。只需要一塊這樣的集成電路，就可以完成三塊TCA785與一塊KJ041、一塊KJ042器件組合才能具有的三相移相功能。

正組晶閘管觸發電路原理圖如圖所示，反組的與正組相同。

單結晶體管觸發電路結構簡單，調節方便，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強，對于控制精度要求不高的小功率系統，可采用單結晶體管觸發電路來控制；對于大容量晶閘管一般采用晶體管或集成電路組成的觸發電路。計算機數字觸發電路常用于控制精度要求較高的復雜系統中。各類觸發電路有其共同特點，一般由同步環節、移相環節、脈沖形成環節和功率放大輸出環節組成。

4 反饋環節、保護電路及其它電路設計

4.1反饋環節

反饋環節即轉速檢測電路。控制電路最終的控制的目標就是電機的轉速。因此，任何電機調速系統中，必定存在轉速檢測電路。檢測電機的轉速有多種方式，數字電路中有碼盤電路，或者編碼器，在模擬電路中一般使用測速電機。測速電機的返回的電壓信號會隨著電機轉速的增加而增加。

圖17轉速檢測電路

4.2保護電路

4.2.1交流側的過壓過流保護

在變壓器副邊并聯電阻和電容，可以把變壓器鐵芯釋放的磁場的能量轉換為電場能量并儲存再電容中，因為電容不可以使兩端電壓突變，所以可以達到抑制過電壓的目的，而串入電阻的目的是為了在能量轉換的過程中消耗一部分能量，從而防止因變壓器漏感和并聯電容構成的震蕩回路再閉合時產生的過電壓，抑制了LC回路出現震蕩，電路圖如下所示：

圖18交流側過壓過流保護電路圖

其中，C和R的計算公式為

C≥6I%S/U22；R≥2.3U22

在公式中：

S——變壓器每相平均電壓計算容量，單位VA         

U2—— 變壓器二次側相電壓有效值，單位 V         

I%——變壓器激磁電流百分數         

Uk%——變壓器的短路比

4.2.2直流側的過壓過流保護

PWM變換器的直流電源由交流電網經不控的二極管整流器產生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。由于電容容量較大，突加電源時相當于短路，勢必產生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間傳入電阻Rz，合上電源后，用延時開關將Rz短路，以免在運行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮流電阻Rx消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VT5。

4.2.3快速熔斷器短路保護

熔斷器的作用：當電路發生故障或異常時，伴隨著電流不斷升高，可能損壞電路中的某些重要器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災。若安裝熔斷器，則熔斷器就會在電流異常升高到一定高度的時候，自身熔斷，切斷電流，從而起到保護電路的作用。

為了防止由于電流過大而燒毀電力二極管，在二極管回路上加快速熔斷器，在主回路中應加入熔斷器。

參考文獻

運動控制系統綜合訓練.docx (879.33 KB, 下載次數: 16)

2017-7-9 15:36 上傳

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