【正文】 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) I 運(yùn)動控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì) 專 業(yè) ： 自動化 設(shè)計(jì)題目 ： 雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班級 ： 自動化 0843 學(xué)生姓名 ： 楊磊 學(xué)號 ： 10 指導(dǎo)教師 ： 方健 分院 院長 ： 許建平 教研室主任 ： 方健 電氣 工程學(xué)院 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) II 一、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 直流他勵電動機(jī)：功率 Pe＝ ，額定電流 Ie=，磁極對數(shù) P=1， ne=1500r/min,勵磁電壓 220V,電樞繞組電阻 Ra= ,主電路總電阻 R＝ 7Ω， L∑＝ (電樞電感、平波電感和變壓器電感之和 )， Ks=，機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=，濾波時(shí)間常數(shù)Ton=Toi=，過載倍數(shù)λ＝ ，電流給定最大值 10VUim ?? ，速度給定最大值 10VUn ?? 1）根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。 2） 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算。 3）驅(qū)動控制電路的選型設(shè)計(jì)。 4）動態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與 ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。 5） 繪制 V— M 雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖，并研究參數(shù)變化時(shí)對直流電動機(jī)動態(tài)性能的影響。 要求： 1）該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（ 10D? ），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。 2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率 2S? ）。 3）動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量 8%n? ? ，電流超調(diào)量 5%i?? ，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降 8 10%n? ? ? ，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間） 1sts? 。 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) III 4)系統(tǒng)在 5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。 5)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護(hù)，并且有制動措施。 6)主電路采用三項(xiàng)全控橋。 4. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 要求 1）、要求在課程設(shè)計(jì)答辯時(shí)提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 2）、報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容： A、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型 主回路方案確定。 控制回路選擇 主要電氣設(shè)備的計(jì)算和選擇 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算 B、系統(tǒng)調(diào)試過程介紹，在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，解決辦法等； C、課程設(shè)計(jì)總結(jié)。包括本次課程設(shè)計(jì)過程中的收獲、體會，以及對該課程設(shè)計(jì)的意見、建議等； D、設(shè)計(jì)中參考文獻(xiàn)列表； E、報(bào)告使用 B5 紙打印，全文不少于 2021字。 5. 參考資料 [1] 朱仁初，萬伯任 .電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊 [M].北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1994. [2] 王兆安，黃俊 .電力電子技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021. [3] 陳伯時(shí) . 電力拖動自動控制系統(tǒng) 運(yùn)動控制系統(tǒng) [M],第三版 . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 2021年 6月． [4] 孔凡才．晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)［ M］．北京 :北京科技出版社，1985． [5] 段文澤，童明倜 .電氣傳動控制系統(tǒng)及其工程設(shè)計(jì)［ M］ .四川：重慶大學(xué)出版社 ,. [6] 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 . 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) IV 6. 設(shè)計(jì)進(jìn)度 （ 2021 年 11 月 29 日至 12 月 10 日） 時(shí) 間 設(shè)計(jì)內(nèi)容 11 月 29日 布置設(shè)計(jì)任務(wù)、查閱資料 11 月 30日 12月 2日 方案論證及 總體設(shè)計(jì) 12月 3日 12月 9日 系統(tǒng)調(diào)試及 整理 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 12月 10日 課程設(shè)計(jì) 答辯 二 、評語及成績 評分項(xiàng)目 評分標(biāo)準(zhǔn) 量化 分?jǐn)?shù) 與解決問題的能力 很強(qiáng) 較強(qiáng) 一般 不具有 10 2. 課程設(shè)計(jì)的答辯情況 有見解 回答準(zhǔn)確 回答正確 基本正確 有錯誤 25 3. 課程設(shè)計(jì)論文及插圖的規(guī)范 程度 規(guī)范 整潔 正確 雜亂 有錯誤 25 的使用 熟練使用 會使用 需要學(xué)習(xí) 10 積極 認(rèn)真 應(yīng)付 消極 10 積極 認(rèn)真 應(yīng)付 消極 10 全勤 缺勤次數(shù) 10 附加評語 量化總分 目錄 V 目 錄 前言 ................................................................ 1 第一章 緒 論 ........................................................ 1 1． 1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述 .......................................... 1 1． 2研究課題的目的和意義 ........................................ 1 1． 3設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 .............................................. 3 設(shè)計(jì)要求 ................................................ 3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 ................................................ 3 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 ........................................ 2 第三章 系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)形式和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 .........................6 3． 1主電路的選擇與確定 ................................................6 3． 2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 .............................................8 第四章 主電路各器件的選擇和計(jì)算 ........................................ 11 4． 1變流變壓器容量的計(jì)算和選擇 ..................................... 11 4． 2 整流元件晶閘管的選型 ........................................... 14 4． 3 電抗器設(shè)計(jì) ...................................................... 15 4． 4 主電路保護(hù)電路設(shè)計(jì) ............................................. 16 過電壓保護(hù)設(shè)計(jì) ............................................. 16 過電流保護(hù)設(shè)計(jì) ............................................. 20 第五章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計(jì) .................................. 24 5． 1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ................................................ 24 5． 2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ................................................ 26 小結(jié) ...................................................................... 33 參考文獻(xiàn) .................................................................. 34 前言 1 前 言 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高 。針對直流電機(jī)調(diào)速的方法也很多 ，目前國內(nèi)外也研究了一些調(diào)速的控制器。例如已經(jīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的直流電機(jī)無級電子調(diào)速控制器采用國際先進(jìn)的 IGBT 大功率模塊器件和獨(dú)特自行設(shè)計(jì)的 PWM 微電子控制技術(shù)，以及節(jié)能反饋電路和 豐富的保護(hù)功能控制電路。適用于無軌機(jī)車、礦山井下窄軌機(jī)車、磨床、木工機(jī)械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場所。 該控制器具有調(diào)速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產(chǎn)效率；直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制簡便；可以與計(jì)算機(jī)連接控制 等特點(diǎn)。 直流電動機(jī)有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻來調(diào)速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。直流調(diào)壓調(diào)速需要有專門的可控直流電源給直流電動機(jī)，隨著電力電子的迅速發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)中的可控變流裝置廣泛采用晶閘管，將晶 閘管的單向?qū)щ娦耘c相位控制原理相結(jié)合 ,構(gòu)成可控直流電源 ,以實(shí)現(xiàn)電樞端電壓的平滑調(diào)節(jié)。 本設(shè)計(jì)的題目是雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管 — 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有要求則采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。而 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用 PI 調(diào)節(jié)器可以獲得無靜差；構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖快 速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡單。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路 ，本課題內(nèi)容重點(diǎn)包括調(diào)速控制器的原理，并且根據(jù)原理對控制器的兩個調(diào)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)地設(shè)計(jì)。概括的整個電路的動靜態(tài)性能，并各個部分的保護(hù)和晶閘管的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)，最后將整個控制器的電路圖設(shè)計(jì)完成 ,并且進(jìn)行仿真。 第一章 緒論 2 第一章 緒 論 1． 1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述 三十多年來，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電 動機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。 直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看 ,就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性 ,從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn) ,使電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度 發(fā)生變化。直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用 。 1． 2 研究課題的目的和意義 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗 電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決 穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾 等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的 理論基礎(chǔ) 和豐富的 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ，而初學(xué)者則 不易掌握 ，于是有必要建立 實(shí)用 的設(shè)計(jì)方法。 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由 低階系統(tǒng)近似 。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖 表，那么將實(shí)際系統(tǒng)第一章 緒論 3 校正或簡化成 典型系統(tǒng) 的形式再與圖表對照，設(shè)計(jì)過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 1． 3 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 設(shè)計(jì)要求 1. 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍 （ 10D? ）， 系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作 。 2. 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率 2S? ）。 3. 動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量 8