配合控制的有环流可逆调速系统的工作原理设计报告.doc

自动控制系统课程自动控制系统课程 设计报告设计报告 课程名称：自动控制系统课程设计 设计题目：配合控制的有环流可逆调速系统设计 院 系：电气工程系 班 级：1102304 设 计 者：莫胜元 学 号：110230419 同 组 人：关占奇 于海洋 赵茜梦 指导教师：蔡春伟 设计时间：2014 年 11 月 课程设计（论文）任务书 专专 业业 电气工程及其自动化 班班 级级 1102304 学学 生生 莫胜元 指导教师指导教师 蔡春伟 题题 目目 配合控制的有环流可逆调速系统设计 子子 题题 设计时间设计时间 2014 年 11 月 3 日 至 2014 年 11 月 14 日 共 1 周 设计要求设计要求 直流电动机基本参数如下：直流电动机：220V，36A，1460r/min，Ce=0.127Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：Ks=33。电枢回路总电阻：R=0.3。时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s。电流反馈系数：=0.185V/A（10V/1.5Inom）。转速反馈系数：=0.007Vmin/r（10V/Nnom）。设计目的：1.通过课程设计掌握配合控制有环流可逆调速系统分析与设计方法。2.掌握有环流可逆调速系统的制动和反向过程，了解配合控制有环流可逆调速系统的应用场合，优缺点和工作原理。3.掌握设计的一般方法。设计内容：1.配合控制有环流可逆调速系统的工作原理。2.各环节的特点和参数选择。3.按设计思想，叙述设计过程。4.分析反向制动过程的各点极性变化和两组整流装置的工作状态。5.详细分析配合控制有环流可逆调速系统的设计过程。6.转速调节器，电流调节器（ASR，ACR）具有抗干扰滤波能力，稳态运行无静差。8.稳态指标：无静差。9.动态指标：电流超调量 i15%，空载起动到额定转速时的转速超调量 n10%。10.用 A1 号图纸（8 个 A4）绘制所设计的原理图；原理图要求清楚、工整，含器件参数。主要参考文献：电力拖动控制系统设计手册_朱仁初 一、配合控制的有环流可逆调速系统概述及工作原理.4 1)系统概述.4 2)双闭环直流调速系统概述.4 3)V-M 调速系统工作原理分析：.6 二、主回路的设计.8 1)主回路元器件参数计算及型号选择.8 2)主电路保护元件的参数计算及选型。.11 3)抑制环流电抗器参数的计算.14 4)晶闸管脉冲触发电路设计：.16 5)电机励磁回路设计：.18 6)转速检测及反馈环节.18 三、控制回路的设计.19 1)电流调节器 ACR 的设计.19 2)转速调节器的设计.22 3)控制器输出限幅环节.26 4)反相器设计.26 5)电流反馈环节.26 四、直流稳压供电电源的设计.27 6)工作原理.27 五、操作及系统故障保护回路的设计.28 六、参考文献.29 一、一、配合控制的有环流可逆调速系统配合控制的有环流可逆调速系统概述及工作原理概述及工作原理 1)系统概述系统概述 有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。采用两组晶闸管反并联的可逆 V-M 系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。配合控制消除平均直流环流的原则是正组整流装置处于整流状态，即为正时，强迫使反组工作在逆变状态，即为负，且幅值与相等，使逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。图 1-1 V-M 可逆调查速系统 2)双闭环直流调速系统概述双闭环直流调速系统概述 1.单闭环调速系单闭环调速系统存在的问题统存在的问题 *nUnU0dU+-RdI+-eC1 nESKCU 图 1-2 单闭环直流调速系统稳态结构框图(dcrdII)1)用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，2)环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。3)电流截止负反馈环节限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，起动时间较长。-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4IdmIdl-Idm 图 1-3 时间最优的理想过渡过程 2.双闭环调速系统双闭环调速系统 对于经常正、反转运行的调查系统，如门刨床、可逆轧钢机等级，缩短起，制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳定态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。这类理想的起动（制动）过程如下图。为了在启动或者制动过程中保持电流最大值，需要再加入一个电流调节器。ASRACRUPEMTG*nUnU*iUcU+-+-+-iU 图 1-4 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASRACR*nUnU0dU+-+-R*iUiUdI+-eC1 nE 图 1-5 双闭环直流调速系统的稳态结构图 11sToiASR+-ACR11onsT-+1sTKss+-1/1sTRl+-1sTRmCe1*nU)(SIdL)(sE)(0sUd)(sUc)(sUi图 1-6 双闭环直流调速系统的动态结构图 3.双闭环调速系统优点双闭环调速系统优点 1)具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”)。2)具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)3)系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。4)由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。3)V-M 调速系统工作原理分析：调速系统工作原理分析：图1-7 V-M调速系统原理图 系统的起动和运行过程与不可逆双闭环调速系统相同，在突加给定信号nU*为正时，正组桥工作于整流状态，反组桥工作于逆变状态，由正组桥向电动机提供正向电流，电动机经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后，进入正转稳定运行阶段，反组桥仅有少量脉动环流通过。在突加给定信号nU*为负时，正组桥工作于逆变状态，反组桥工作于整流状态，由反组桥向电动机提供反向电流，电动机同样经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后，进入反转稳定运行阶段，而正组桥仅有少量脉动环流。可逆系统的特点在于反转制动过程，电动机反转需要改变转矩的方向，由NeICeT改变转矩方向即需要改变电枢电流的方向，由于电枢回路存在着电感，电枢电流的流向改变则要经历电流的下降和反向电流上升和建立的过程。由于电感是储能元件，电感储能与电流有关，因此电流下降就意味着电感储能的释放，电流上升就意味着电感的储能增加的过程。因此，电动机的反转制动过程可以分为本桥逆变、它组反接制动和它组回馈制动三个主要阶段，现以正转到反转的过程给予说明。(1)本组逆变阶段。当转速给定由正变负时，转速调节器的输出即电流调节器的输入iU*改变极性，从而电流调节器的输出cU改变符号，使正组桥从整流改变为逆变状态，反组桥从逆变改变为待整流状态，正转回路的电感能量释放，由电感反电动势维持电枢正转回路电流的流通，电动机的正向迅速电流下降，电感储能经正组桥(逆变状态)流向交流电源，而反组整流器由于不能通过反向电流，除少量脉动环流外，没有负载电流通过，处于待整流状态。因时间很短，电动机转速基本不变。(2)它组反接制动阶段。当电动机的正向电流下降到零后，电感反电动势作用消失，处于整流状态的反组整流器开始输出电流，电枢电流开始反向，由于整流器输出电压与电动机反电动势的方向相间，电动机处于反接制动状态，电流上升很快。在这阶段中，电动机的转速开始下降，正组整流器同样由于不能通过反向电流，除少量脉动环流外，没有负载电流通过，处于待逆变状态。(3)它组回馈制动阶段。在反接制动阶段中由于电流上升很快，当电流反馈大于电流给定值时，电流调节器的输出Uc 又改变极性，使正组整流器处于待整流状态，反组整流器处于逆变状态，这时由于电枢反电动势与整流器输出电压反向相反，且电枢反电动势大于整流器输出电压，这时回路的电流由电枢电动势产生，且经反组整流器(逆变状态)流向交流电源，电动机进入发电回馈制动阶段。这阶段的特点是电动机转速不断下降，电动机的惯性储能经反组整流器回输电网。随着转速的下降，电枢电动势也不断下降，但由于转速调节器的输出在电动机转速没有反向超调时，始终保持着最大限幅状态，这时电流调节器发挥作用，维持电动机以最大电流回馈制动，即电流调节器的输出随转速的下降而减小，力图保持最大的制动电流，取得最快的制动效果。如果紧接着反转，ddmII 的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。正转制动和反转启动完全衔接起来，没有间断或死区。控制的有环流可逆调速方式，在实际应用中由于难以准确保持的状态，一旦出现时，就有可能产生直流环流，使整流器过载或损坏，故实际上并不采用，但研究控制的有环流可逆系统，对理解直流电动机的可逆过程有很大帮助。二、二、主回路的设计主回路的设计 1)主回路元器件参数计算及型号选择主回路元器件参数计算及型号选择 1.整流变压器的参数计算整流变压器的参数计算 一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，需要通过变压器与电网我连接。另外，合适的输入电压可以使得晶闸管在较大的功率因数下运行；变压器的隔离作用还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小对电网的污染。主电路选用的变压器一次侧绕组采用联接，二次侧采用 Y 联接。电网一次侧线电压为380V。整流变压器二次相电压的整流变压器二次相电压的2U选择：选择：注意 U2 过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大，使得功率因数小，如果 U2 选择过小又会导致在触发角min的情况下仍然得不到要求的直流电压。可以根据以下公式来计算整流变压器二次相电压的2U 3U2NkU，NU为电动机额定电压。在实际运行中整流器输出的平均电压还受其它因素的影响，诸如电网电压的波动，晶闸管的正向导通压降以及回路杂散电阻的影响等。所以系数1.105.1k 代入数据得：VVU72.14037.1333/220)1.105.1(2，取VU1382 因此变压器的变比近似为 79.2136/38021UUK 整流变压器一、二次侧相电流的计算。二次侧相电流 dNIIKI2 IK为二次侧相电流的计算系数,在三相桥式整流中32IK。dNI为整流器额定直流电流。代入参数数得：AI376.2936816.02 则一次侧电流为：05.121KII,式中K为变压器变比 代入数据计算得 AI055.111 变压器一次容量1S 1111IUmS 二次侧容量为2S,2222IUmS 1m，2m为相数，变量器容量)(2121SSS 代入参数计算得KVAS382.12 考虑一定的裕量，选取容量为 30KVA 的变压器。2.晶闸管的参数计算及选型晶闸管的参数计算及选型 选择晶闸管主要是选择它的额定峰值电压(重复峰值电压)TU、额定电流(通态平均电流)(AVTU、门极触发电压和门极触发电流即可，尤其是额定峰值电压与额定电流这两个指标。在本设计我们采用的是三相桥式全控整流电路，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压 VUUm338138623 考虑电网电压的波动和操作过电压等因素，需乘上一个 23 的安全系数，这样可以得到:VVUUmTM1014676)32(晶闸管额定电流的计算：晶闸管在使用是应按实际电流有效值VTI与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管额定电流)(AVTI，即：)(57.1AVTVTrelIIK，relK为裕量系数 实际使用时还就留一定的裕量，relK一般取25.1。流过晶闸管的电流的有效值为：max31dVTII maxdI为直流侧最大电流，代入数据计算得：AIId316.6225.12max AAIKIVTrelAVT832.45374.3457.1)(在普通电机调速中用普通晶闸管即可，查 ZP 系列整流管参数表：正向平均电流 正向峰值电压 反向得复峰值电压VRRM（V）反向重复峰电流 工作结温 推荐用 安装力 型号 IF（AV）（A）VFM（V）IRM（mA)散热器 ZP5A 5 1.6 502000 2 TJ-40+150 SZ13 ZP 螺旋式 ZP10A 10 1.6 502000 5 SZ14 ZP20A 20 1.8 502000 5 SZ15 ZP30A 30 2.0 502400 7 SZ16 ZP50A 50 2.0 502400 8 SZ16 ZP100A 100 2.0 503000 10 SL17 ZP200A 200 2.0 503000 12 SL18 8 ZP300A 300 2.0 503000 15 SL19 11 ZP500A 500 2.0 503000 20 SF15 SS12 15 陶瓷型螺旋式 ZP800A 800 2.0 503000 25 SF15 SS13 19 ZP1000A 1000 2.0 503000 25 SF16 SS 13 24 ZP1500A 1500 2.0 503000 30 SS14 30 ZP2000A 2000 2.0 503000 30 SS14 36 ZP3000A 3000 2.0 503000 35 SS14 40 图 2-1 ZP 系列整流管参数表 选取 ZP50 型号的晶闸管即可满足要求，其额定电流AIAVT50)(。3.平波电抗器参数的计算平波电抗器参数的计算 在 V-M 系数中，脉动电流会增加电动机的发热，同时也会产生脉动转矩，对生产机械不利。此外，电流波形的断续给予平均值描述的系统带来一种非线性的因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。为了减轻电流脉动的影响，这里采用设置平波电抗器的方式来抑制电流脉动。对于三相桥式整流电路，总电感量的计算公式为：min2693.0dIUL 一般情况下mindI为电动机额定电流的10%5%。代入数据计算得mHIULdN4275.46.0693.02 其中电动机电枢的电感量为：mHRTLala93.0*03.0 因此无需电抗器即可满足要求。2)主电路保护元件的参数计算及选型。主电路保护元件的参数计算及选型。1.变压器二次侧过电压保护变压器二次侧过电压保护 整流设备晶闸管能够承受的最大峰值电压是重要参数之一，该参数表征晶闸管承受过电压的能力。过电压主要是指电气系统内部合闸、分闸和电力电子器件的关断等原因造成的操作过电压。例如，降压变压器初次合闸时，初级施加的高压会通过初、次级绕组间的分布电容耦合到次级，使之出现感应过电压；交、直流侧的分闸操作切断电感回路电流时，会因电感释放磁场储能而形成数倍额定电压的过电压；在晶闸管管断过程中，因反向电流迅速减小。回路电感中会产生很高的换相过电压。除了操作过电压外，还有由于雷击等外部因素侵入电网的偶然性的浪涌过电压，过电压倍数会很高。采取过电压保护措施后，会使经常发生的操作过电压限制在器件额定电压以下，偶然性的浪涌电压限制在其间的断态和反向不重复峰值电压数值以下。过电压保护措施有基于吸收原理的阻容保护和基于泄放原理的非线性元件保护两种，其目的都是为将过电压限制在允许范围之内。阻容保护阻容保护 图 2-1 过电压阻容吸收保护电路原理图 在本设计中采用阻容吸收保护的方式来抑制过电压，阻容吸收装置中)(FC的计算公式为：lsgUfIKC221 R的阻值（）计算公式为：222IUKRlg R的功率（W）计算公式为：RIKPgR223)(以上各式中，lU2为变压器次级空载线电压，V，2I为变压器次级线电流，A，sf为电源频率，Hz，1gK、2gK、3gK为计算系数，见下表，为变压器励磁电流对额定电流的标 么值，一般取05.002.0。电路形式 单相桥式 三相桥式 三相半波 三相双反星形 1gK 29000 17320 13860 12120 2gK 3.0 17.0 21.0 24.0 3gK 25.0 25.0 25.0 2.0 表 2-2 变压器的容量 30KVA，将数据代入公式计算得：FC2772.1,取 E24 系列标准电容值F3.1。电容的耐压值：VUUVm2075.15.12 计算电阻阻值：108.46R 计算电阻功率：WPR28.2 因此电阻可以取标准值47的水泥电阻。金属氧化物压敏电阻的过电压保护金属氧化物压敏电阻的过电压保护 压敏电阻是由氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作时漏电流小、损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，应用广泛。压敏电阻的选择可按下式 压峰值压敏电阻承受的额定电9.08.01mAU 式中mAU1为压敏电阻的额定电压；为电网电压升高系数，一般取 1.051.10。取10.1得：VVUmA26823913829.08.010.11，查压敏电阻型号表得知 MYG-32D471K型号的压敏电阻即可满足要求。以下是其技术参数：型号 最大连续工作电压 压敏电压 最大限制 电压 通流容量（8/20u s）最大能量（J）额定功率 电容量 AC(V)DC(V)V0.1mA Vp(V)lp(A)1 次(A)2 次(A)10/1000us 2ms (W)1KH Z(pF)MYG-32D471K 300 385 470(423-517)775 200 25000 20000 380 2800 表 2-3 MYG-32D471K 技术参数表 2.直流侧过电压保护直流侧过电压保护 图 2-2 直流侧过压保护 直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻，但采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成dtdi加大（上升率大会使晶闸管误导通）。因此，一般只用压敏电阻作过电压保护可以按照下式来计算所需要的压敏电压：bcaVVmA0.1 a=表示电源电压波动系数一般取 1.2 V=表示电路直流工作电压（交流时为有效值）B=压敏电阻的公差，一般取 0.85 C=表示元件的老化系数一般取 0.9 代入数据计算得:VbcaVVmA10.3459.085.02202.10.1 查压敏电阻的规格表，选择型号为 DC 385V 的 MYG-32D471K 的压敏电阻。3.晶闸管过电压保护：晶闸管过电压保护：图 2-3 晶闸管阻容吸收保护电路原理图 为了抑制晶闸管的换相过电压，并限制电路电压上升率dtdu（dtdu过大会导致晶闸管误导通），确保晶闸管安全工作，需要在晶闸管两端并联 RC 阻容吸收网络。上图中阻容保护的元件参数可以根据下表列出的经验数据进行选定。电容耐压值，通常按加在晶闸管两端工作电压峰值mU的 1.11.5 倍计算：mDCUV)5.11.1(电阻功率 RP（W）为 6210mRfCUP 式中 f电源频率（Hz），C电容值（F），mU晶闸管工作电压峰值（V）。晶闸管额定电流（)(AVVTI）10 20 50 100 200 500 1000 电容/F 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻/100 80 40 20 10 5 2 表 2-4 阻容保护的元件参数 晶闸管额定电流/A 在本设计中所选择的晶闸管的型号 ZP50 的额定电流AIAVT50)(，对应上表选择电容FC2.0，耐压值VVUVmDC359262)5.11.1(，相应耐压值为 400V。选择电阻40R，电阻功率为WfCUPmR57.01062 4.晶闸管的过电流保护：晶闸管的过电流保护：当变流装置内部元件损坏、控制或触发系统发生故障、可逆传动环流过大或逆变失败、交流电压过高、过低或缺相、负载过载等，均会引起装置中电力电子器件的电流超过正常工作电流。由于晶闸管的过流能力比一般电气设备低得多，因此，必须对晶闸管采取过电流保护措施。在这里我们采用串联快速熔断器的方式来对晶闸管进行过电流保护。一般说来快速熔断器额定电流值（有效值RDI）应小于被保护晶闸管的额定方均根通态电流（即有效值）TRMSI即)(57.1AVTI，同时要大于流过晶闸管的实际通态方均根电流（即有效值）RMSI。即：RMSRDTAVIII57.1 通过查表得熔断器可以选用 370RSM30Z78-80A 型号的快速熔断器。3)抑制环流电抗器参数的计算抑制环流电抗器参数的计算 图 2-4 环流电抗器电路原理图 在采用配合控制之后，rf，使得rdfdUU00，消除了直流平均环流，但这只是就电压的平均值班而言的，由于整流与逆变瞬时电压值上的差异，仍会出现瞬时电压rdfdUU00的情况，从而仍能产生瞬时的环流，这类因为瞬时电压差而产生的环流被称为瞬时脉动环流。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，做环流电抗器。上图中电抗器的电感量可以按照把瞬时环流的直流分量cpI限制在负载额定电流的%10%5来设计。1.抑制环流抑制环流电抗器参数的计算电抗器参数的计算 设计环流电抗器须考虑产生环流的最严重情况，反并联线路在60时最为严重，此时11.22UUcm。00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-200-1000100200t(s)U(V)图 2-5 MATLAB 模拟的环流电压波形60 在 Simulink 进行环流仿真：1L.sTransfer Fcn1ScopeRepeatingSequence 图 2-6 Simlink 框图 由等式sLsUsI)()(得出上面的仿真原理图 00.010.020.030.040.050.0601234t(s)I(A)图 2-7 当电感mLL50时的仿真结果（平均电流%10%41.5,95.1dNAVAVIIAI)因此抑制环流电抗器的电感量取mLL50即可满足要求 4)晶闸管脉冲触发电路设计：晶闸管脉冲触发电路设计：在配合控制的有环流可逆 V-M 调速系统中，要求正组的移相脉冲触发延迟角 和反组的触发延迟角 满足以下关系式：180，避免正组和反组同时工作在整流状态或者状态，从而达到消除直流平均环流的目的。另外，触发脉冲产生电路还应满足以下一些要求。1）触发信号应有一定的功率及宽度，以确保晶闸管在各种条件下均能可靠地触发并导通 2）为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角下触发导通，触发脉冲必须与电源同步，也就是说触发信号应与电源保持固定的相位关系。3）为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角 太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角min保护，同时对 角也应实施min保护，以免出现而产生直流平均环流，通常取30minmin。我们采用的触发脉冲产生电路原理图如下：图 2-8 触发脉冲产生电路原理图 其中集成晶闸管三相移相触发集成芯片 TC787，TC787 是采用独有的先进 IC 工艺技术，可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置，是目前国内市场上广泛流行的 TCA785 及 KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此，TC787 可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代 TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042 等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。同步电压输入 脉冲放大电路 隔离输出电路原理图 图 2-9 如上图所示，TC787 的同步电压输入经 RC 滤波电路再输入 TC787 的同步脉冲端，可以起到抑制高频躁声的作用 TC787 输出的脉冲信号通过一个达林顿管得到放大，驱动能力得到提升。触发电路通常采用单独的低电压电源供电，因此应采用某种方法将其与主回路电源隔离。常用的是在触发电路与主回路之间连接脉冲变压器或者磁耦隔离电路。与光耦比较采用，些种方式可以避免光耦上速度限制、功耗以及 LED 老化问题。耦合变压器输出侧接两个反串联的二极管以保证输出电压的方向和晶闸管触发电压方向一致，保证晶闸管可靠导通。5)电机励磁回路设计：电机励磁回路设计：图 2-10 直流电动机励磁回路 通过调节电压输入的变压器的变比或者调节可变电阻RPot的阻值，可以给直流电机动提供所需的额定直流励磁电流。欠电流继电器 KA2 起失磁保护作用，当励磁回路断开或者励磁电流过低时，KA2 能及时动任从而防止直流电动机发生飞车。6)转速检测及反馈环节转速检测及反馈环节 测速发电机接线原理图 转速反馈电压反相放大器 图 2-11 转速反馈实现电路图 本设计中转速反馈环节采用测速发电机来实现。其中测速发电机采用 CYH 型直流测速发电机，55CYH 型直流永磁测速发电机为环型结构，结构简单，可与各种规格直流伺服电动机同轴安装作为速度检测元件，为系统提供相应的反馈信号，实现闭环、半闭环控制，使直流伺服电动机具有很宽的无级调速比。而且其磁场可以开路，定、转子可以随便脱开，便于安装和维修。如图，可以通过调节可调电位器以获得设计要求的转速反馈系数，反向放大电路用于形成转速负反馈，以便和运放构成负反馈运算电路。本设计中电动机额定转速为 1000r/min，选用 55CYH02 型号的测速发电机即可满足要求。下 型号 输出斜率)min(1krV 线性误差(%)最大工作转速)min*(1r 纹波系数(%)输出电压不对称度(%)最小负载电阻(k)-1 级 0 级 55CYH02 6=0.5=0.1 2000=1=1 10 表 2-5 55CYH02 测速发电机技术数据 三、三、控制回路的设计控制回路的设计 11sToiASR+-ACR11onsT-+1sTKss+-1/1sTRl+-1sTRmCe11sToi1sTon*nU)(SIdL)(sE)(0sUd)(sUc)(sUi图 3-1 双闭环调速系统的动态结构图 1)电流调节器电流调节器 ACR 的设计的设计 11sToi+-ACR1sTKss1/1sTRl1sToi*iU)(sUc)(sId+-11sToiACR)1)(1(/sTsTRKlSs+-ACR)1)(1(/sTsTRKils)(*sUi)(sUc)(*sUi)(sId)(sId(a)(b)(c)图 3-2 电流环的动态结构图及其简化 忽略反电动势的影响（b）等效成单位负反馈系统（c）小惯性环节近似处理 1）确定时间常数 1.整流装置滞后时间常数Ts通过查下表 3-1 得sTs0017.0 整流电路形式 最大失控时间 平均失控时间 单相半波 20 10 单相桥式 10 5 三相半波 6.67 3.33 三相桥式 3.33 1.67 表 3-1 2.电流滤波时间。三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为了基本滤平波头。应有oiT)21(，因此取smsToi002.02 3.电流环小时间常数之和sTTToisi0037.0 根据设计要求%15并保证稳态电流无差，可按典型型系统来设计电流调节器。表 3-2 检查对电源电压的抗干扰性能：11.80037.003.0iLTT，查看下表对应的系统动态抗干扰性 能指标，各项指标都是可以接受的。2）计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：sTli03.0。参数关系 KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调量 0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间rt 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值时间pt 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相角稳定裕度（）76.3 69.9 65.5 59.2 51.8 截止频率 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T 表 3-3 典型型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系表 电流环开环增益：要求%15时，根据上表可得:取5.0iITK时响应比较快速并可以满足超调量要求，因此：11351.13569.0sTKiI 1992.0siIiKRKK 3）检验近似条件 电流环截止条件：11351.135sKIci 221TTTTm 51 101 201 301%100maxbCC 27.8%16.6%9.3%6.5%Ttm/2.8 3.4 3.8 4.0 Ttv/14.7 21.7 28.7 30.4 1）检验晶闸管整流装置传递函数的近似条件cisT0784.19631，满足近似条件。2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件cilmsTT1825.4013，满足近似条件。3）校验电流环小时间常数近似处理条件cioisTT7754.180131,满足近似条件。4）计算调节器电阻和电容 00000*iU02R02R02R02RiRiCbalRcUdIoiCoiC 图 3-3 电流调节器电路原理图 电流调节器原理图如上：按所用放大器 OP07 取kRo10 kRKRoii9922.1，取 kRi2 FRTCiii059.15，取FCi15 FRTCooioi8.04，取FRTCooioi82.04 2)转速调节器的设计转速调节器的设计 11sTon+-ASR11/1sKIsTCRme1sTon*nU)(*sUi)(sn+-)(sIdL+-ASR1/sTnsTCRme*nU)(*sUi+-)(sIdL)(sId)(sn+-*nU)(sn)1()1(2sTssKnnN(a)(b)(c)图 3-4 转速环的动态结构图及其简化（a）用等效环节代替电流环（b）等效成单位负反馈系统和小惯性环节的近似处理（c）校正后成为典型型系统 1）确定时间常数 1.电流环等效时间常数IK1 sTKiI0074.05.01 2.转速滤波时间常数onT。根据所用测速发电机纹波情况，取sTon01.0 3.转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理。取sTKTonIn0174.01 2）选择转速调节器结构。按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为 ssKsWnnnASR)1()(3）计算转速调节器参数 h 3 4 5 6 7 8 9 10 minrM 2 1.67 1.5 1.4 1.33 1.29 1.25 1.22 c/2 1.5 1.6 1.67 1.71 1.75 1.78 1.80 1.82 1/c 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 表 3-5 不同h值时的minrM值及最佳频比 按跟随和抗干扰性能都比较好的原则，取5h，则 ASR 的超前时间常数为 shTnn087.0 转速调节器开环增益为:12235.39621sThhKnN ASR 的比例系数为9443.62)1(nmenRThTChK 4)检验近似条件：转速环截止频率为11483.34sKKnNNcn 1.电流环传递函数简化条件cniIsTK1703.633，满足简化条件 2.转速小时间常数近似处理条件cnonIsTK1749.383，满足简化条件 5）计算转速调节器电阻和电容。00000*nU02R02R02R02RnRnCbalR*iUnonConC 图 3-5 转速调节器原理图 如上图，取kRo10 kRKRonn43.694，取kRn680 FRCnnn125.0，取FCn12.0 FRTCoonon44，取FCon4 6）校核转速超调量。h 3 4 5 6 7 8 9 10(%)52.6 43.6 37.6 33.2 29.8 27.2 25.0 23.3 Ttr/2.40 2.65 2.85 3.0 3.1 3.2 3.3 3.35 Tts/12.15 11.65 9.55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20 k 3 2 2 1 1 1 1 1 表 3-6 典型型系统阶跃输入跟随性能指标与参数的关系表 当5h时，由查上表得超调量%10%6.37不能满足要求。按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量。mnNbbbnTTnnzCCnnCC*max*max)(2)(其中Nn为调速系统开环机械的额定稳态速降，edNNCRIn 由上面调节器设计过过程已知：当5h时,查典型型系统动态抗干扰性能指标与参数的关系表可得%2.81maxbCC 允许过载倍数5.1，转速环小时间常数sTn017.0 电机额定转速：min/1460r，电枢回路总电阻3.0R，机械时间常数sTm18.0 电机励磁常数rVCemin/127.0 设理想空载超动是0z，代入计算得%10%372.1)(2)(*max*maxmnNbbbnTTnnzCCnnCC 能满足设计要求。3)控制器输出限幅环节控制器输出限幅环节 47 图 3-6 输出限幅环节电路原理图 本设计通过两个反串联的稳压二极管来实现对运放输出电压进行限幅。稳压二极管可以选择稳压值为 10V 的。4)反相器设计反相器设计 图 3-7 移相电压反向器 配合控制中正组与反组的脉冲触发角成180互补关系，即 180rf,而 TC787的移相脉冲触发角是由输入的移相电压来决定的。因此可以把控制器的输出电压经过一个反向放大器，得到板性与本组移相电压1rV极性相反的移相解脉动冲触发2rV。为了获得高精度的反向电压，电路中的电阻可采用高精度电阻，运放则采用自带可调零引脚的运算放大器如 OP07。5)电流反馈环节电流反馈环节 图 3-8 电流反馈电路原理图 本课程设计中采用霍尔电流传感器来检测直流电动机的电流。相比与传统的电流互感器利用霍尔传感器测电流具有以下等优点：1）非接触检测，使用非常方便。2）完全消除了分流器以上的种种弊端，且精度和输出电压值可以和分流器做的一样。3）测量范围广：它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映。4）响应速度快，测量精度高，线性度好等。霍尔传感器输出的信号经运算放大器放大，然后通过可调电位器来实现符合设计要求的电流反馈系数 四、四、直流稳压供电电源的设计直流稳压供电电源的设计 图 4-1 直流供电电源电路原理图 6)工作原理工作原理 电源输入电路：从三相电源中引出一相引入变压器一次侧绕组 变压器整流电路：整流桥 BR1 与变压器二次侧绕阻一起构成单相全波整流电路，将变压器的次级绕组产生的一对大小相等的交流电压 U2 变换成全波脉动直流电压。滤波稳压电路用uF01.0和uF2200的电容构成滤波电路，将脉动直流电转换为波动较小的平滑直流电。集成电路 IC（7815、7915）和输出端电容构成稳压电路，将平滑的直流电转换成稳定的恒稳直流电，其中集成电路 IC 起稳定输出电压的作用，一个输出+15V电压，一个输出-15V 电压。二极管 D2、D3 起保护集成电路 IC 的作用。电路状态指示电路电阻 R71、发光二极管 DS1、电阻 R85、R86、DS2 和 DS3 构成电路指示电路，其中电阻 R71、发光二极管 DS1 指示电路整流、滤波后平滑直流电压的状态情况；电阻 R85、DS2 和电阻 R86、DS3 指示平滑直流电稳压后输出恒稳直流电的状态情况。保护电路熔断器构成电路交流过流与直流过流保护电路。五、五、操作及系统故障保护回路的设计操作及系统故障保护回路的设计 图 4-1 操作回路原理图 本设计通过接触器来控制电动机的起动和停机。1.按钮 SB1 是常闭接触器，被按下时 KM1 失电并解除自锁，系统失电停机。2.当 SB1 处于闭合状态，SB2 被按下时，KM1 得电，系统上电运行。3.当电机励磁回路断开时或者励磁电流过小时，KA2 断路导致系统失电停机从而达到防止电动机飞车的效果。4.当主电路过电流时，过电流继电器 KA1 动