【正文】 運動控制系統(tǒng)課程設計 I 運動控制系統(tǒng) 課程設計 專 業(yè) ： 自動化 設計題目 ： 雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)設計 班級 ： 自動化 0843 學生姓名 ： 楊磊 學號 ： 10 指導教師 ： 方健 分院 院長 ： 許建平 教研室主任 ： 方健 電氣 工程學院 運動控制系統(tǒng)課程設計 II 一、 課程設計任務書 直流他勵電動機：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=，機電時間常數(shù) Tm=，濾波時間常數(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)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構形式和閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。 2） 調速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算。 3）驅動控制電路的選型設計。 4）動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調節(jié)器與 ACR調節(jié)器的結構形式及進行參數(shù)計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。 5） 繪制 V— M 雙閉環(huán)直流不可逆調速系統(tǒng)電器原理圖，并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。 要求： 1）該調速系統(tǒng)能進行平滑地速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉速調速范圍（ 10D? ），系統(tǒng)在工作范圍內能穩(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：轉速超調量 8%n? ? ，電流超調量 5%i?? ，動態(tài)最大轉速降 8 10%n? ? ? ，調速系統(tǒng)的過渡過程時間（調節(jié)時間） 1sts? 。 運動控制系統(tǒng)課程設計 III 4)系統(tǒng)在 5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù)。 5)調速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流保護，并且有制動措施。 6)主電路采用三項全控橋。 4. 課程設計報告 要求 1）、要求在課程設計答辯時提交課程設計報告。 2）、報告應包括以下內容： A、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型 主回路方案確定。 控制回路選擇 主要電氣設備的計算和選擇 系統(tǒng)參數(shù)計算 B、系統(tǒng)調試過程介紹，在調試過程中出現(xiàn)的問題，解決辦法等； C、課程設計總結。包括本次課程設計過程中的收獲、體會，以及對該課程設計的意見、建議等； D、設計中參考文獻列表； E、報告使用 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)設計手冊 [M].北京 ： 機械工業(yè)出版社， 1994. [2] 王兆安，黃俊 .電力電子技術 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 2021. [3] 陳伯時 . 電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng) [M],第三版 . 北京 :機械工業(yè)出版社 , 2021年 6月． [4] 孔凡才．晶閘管直流調速系統(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)及其工程設計［ M］ .四川：重慶大學出版社 ,. [6] 運動控制系統(tǒng)課程設計指導書 . 運動控制系統(tǒng)課程設計 IV 6. 設計進度 （ 2021 年 11 月 29 日至 12 月 10 日） 時 間 設計內容 11 月 29日 布置設計任務、查閱資料 11 月 30日 12月 2日 方案論證及 總體設計 12月 3日 12月 9日 系統(tǒng)調試及 整理 課程設計報告 12月 10日 課程設計 答辯 二 、評語及成績 評分項目 評分標準 量化 分數(shù) 與解決問題的能力 很強 較強 一般 不具有 10 2. 課程設計的答辯情況 有見解 回答準確 回答正確 基本正確 有錯誤 25 3. 課程設計論文及插圖的規(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 需要學習 10 積極 認真 應付 消極 10 積極 認真 應付 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直流調速系統(tǒng)的概述 .......................................... 1 1． 2研究課題的目的和意義 ........................................ 1 1． 3設計內容和要求 .............................................. 3 設計要求 ................................................ 3 設計內容 ................................................ 3 第二章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計框圖 ........................................ 2 第三章 系統(tǒng)電路的結構形式和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 .........................6 3． 1主電路的選擇與確定 ................................................6 3． 2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 .............................................8 第四章 主電路各器件的選擇和計算 ........................................ 11 4． 1變流變壓器容量的計算和選擇 ..................................... 11 4． 2 整流元件晶閘管的選型 ........................................... 14 4． 3 電抗器設計 ...................................................... 15 4． 4 主電路保護電路設計 ............................................. 16 過電壓保護設計 ............................................. 16 過電流保護設計 ............................................. 20 第五章 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調節(jié)器的動態(tài)設計 .................................. 24 5． 1 電流調節(jié)器的設計 ................................................ 24 5． 2 轉速調節(jié)器的設計 ................................................ 26 小結 ...................................................................... 33 參考文獻 .................................................................. 34 前言 1 前 言 直流電機調速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產中已經得到廣泛應用。直流電動機具有良好的起、制動性能和調速性能，易于在大范圍內平滑調速，且調速后的效率很高 。針對直流電機調速的方法也很多 ，目前國內外也研究了一些調速的控制器。例如已經用于實際生產的直流電機無級電子調速控制器采用國際先進的 IGBT 大功率模塊器件和獨特自行設計的 PWM 微電子控制技術，以及節(jié)能反饋電路和 豐富的保護功能控制電路。適用于無軌機車、礦山井下窄軌機車、磨床、木工機械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場所。 該控制器具有調速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產效率；直流電機正反轉控制簡便；可以與計算機連接控制 等特點。 直流電動機有三種調速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻來調速。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞電壓方式為最好，調壓調速是調速系統(tǒng)的主要調速方式。直流調壓調速需要有專門的可控直流電源給直流電動機，隨著電力電子的迅速發(fā)展，直流調速系統(tǒng)中的可控變流裝置廣泛采用晶閘管，將晶 閘管的單向導電性與相位控制原理相結合 ,構成可控直流電源 ,以實現(xiàn)電樞端電壓的平滑調節(jié)。 本設計的題目是雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的設計。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管 — 電動機調速系統(tǒng)作為調節(jié)電樞供電電壓需要的可控直流電源。由于開環(huán)調速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內的無級調速，但是許多需要調速的生產機械常常對靜差率有要求則采用反饋控制的閉環(huán)調速系統(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 轉速、電流雙閉環(huán)直流調節(jié)系統(tǒng)采用 PI 調節(jié)器可以獲得無靜差；構成的滯后校正，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)直流調速是性能很好、應用最廣的直流調速系統(tǒng)。本設計選用了轉速、電流雙閉環(huán)調速控制電路 ，本課題內容重點包括調速控制器的原理，并且根據(jù)原理對控制器的兩個調節(jié)進行了詳細地設計。概括的整個電路的動靜態(tài)性能，并各個部分的保護和晶閘管的觸發(fā)電路設計，最后將整個控制器的電路圖設計完成 ,并且進行仿真。 第一章 緒論 2 第一章 緒 論 1． 1 直流調速系統(tǒng)的概述 三十多年來，直流電機調速控制經歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電 動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。 直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速 ,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看 ,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性 ,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點 ,使電動機的穩(wěn)定運轉速度 發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調速系統(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，所以直流調速系統(tǒng)在生產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)調速系統(tǒng)中，電網電壓擾動的作用點離被調量較遠，調節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調速系統(tǒng)抵抗 電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉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，由電網電壓波動引起的轉速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 用經典的動態(tài)校正方法設計調節(jié)器須同時解決 穩(wěn)、準、快、抗干擾 等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設計者有扎實的 理論基礎 和豐富的 實踐經驗 ，而初學者則 不易掌握 ，于是有必要建立 實用 的設計方法。 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，設計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設計方法的可能性。 1． 3 設計內容和要求 設計要求 1. 該調速系統(tǒng)能進行平滑地速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉速調速范圍 （ 10D? ）， 系統(tǒng)在工作范圍內能穩(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：轉速超調量 8