運(yùn)動控制課程設(shè)計--無環(huán)流調(diào)速

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)控制精確，電路簡單。有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)置幾個環(huán)流電抗器終究是個累贅。因此當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)的平滑過渡特性要求不是很高時，特別是對于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒有平均環(huán)流有沒有瞬時脈動的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電

2、路兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不會存在環(huán)流。但當(dāng)兩組橋之間需要切換時，不能簡單的把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖，而同時把原來封鎖著的一組橋立即開通，因為已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管并不能在觸發(fā)脈沖取消的一瞬間立即被關(guān)斷，必須待晶閘管承受反壓時才能關(guān)斷。如果對兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放同時進(jìn)行，原先導(dǎo)通的那組橋不能立即關(guān)斷，而原先封鎖著的那組橋已經(jīng)開通，出現(xiàn)兩組橋同時導(dǎo)通的情況，因沒有環(huán)流電抗器，將會產(chǎn)

3、生很大的短路電流，把晶閘管燒毀。為此首先應(yīng)是已導(dǎo)通的的晶閘管斷流，要妥當(dāng)處理主回路中的電感儲存的一部分能量回饋給電網(wǎng)，其余部分消耗在電機(jī)上，直到儲存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱悖乖чl管恢復(fù)阻斷能力，隨后再開通原來封鎖著的那組橋的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通。</p><p>　　無環(huán)流邏輯控制器的任務(wù)是在正組晶閘管工作時，則封鎖反組晶閘管，在反組晶閘管工作時，則封鎖正組晶閘管。采用數(shù)字邏輯電路，使其輸出信號以0 和

4、1 的數(shù)字信號形式來執(zhí)行封鎖與開放的作用，為了確保正反組不會同時開放，應(yīng)使兩者不能同時為1。系統(tǒng)在反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)制動時應(yīng)該開放反組晶閘管，封鎖正組晶閘管，在這兩種情況下都要開放反組，封鎖正組。從電動機(jī)來看反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)制動的共同特征是使電動機(jī)產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩。上述特征可以由ASR 輸出的電流給定信號來體現(xiàn)。DLC 應(yīng)該先鑒別電流給定信號的極性，將其作為邏輯控制環(huán)節(jié)的一個給定信號。</p><p>　　初始條件及要完成的任務(wù)&

5、lt;/p><p><b>　　1.1初始條件： </b></p><p>　　1.直流電機(jī)參數(shù)： PN＝10KW，UN＝220V，IN＝55A，nN＝1000 r/min ，Ra＝0.5Ω</p><p>　　2.測速發(fā)電機(jī)參數(shù)：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式</p><p>　　3.主電路采用

6、兩組三相全控橋反并聯(lián)連接，進(jìn)線交流電源：三相380V</p><p><b>　　4.</b></p><p>　　1.2要求完成的主要任務(wù): </p><p>　　1.ASR及其反饋電路設(shè)計</p><p>　　2.ACR及其反饋電路設(shè)計</p><p>　　3.無環(huán)流邏輯控制器DLC設(shè)計<

7、;/p><p>　　4.主電路及保護(hù)電路設(shè)計</p><p>　　5.集成觸發(fā)電路設(shè)計</p><p>　　課程設(shè)計說明書應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。滿足如下要求：</p><p>　　1．穩(wěn)態(tài)無靜差，轉(zhuǎn)速超調(diào)量不超過10％，電流超調(diào)量不超過5％。 </p><p>　　2. 對系統(tǒng)設(shè)計方案的先

8、進(jìn)性、實用性和可行性進(jìn)行論證，說明系統(tǒng)工作原理。</p><p>　　3. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。</p><p>　　4. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)設(shè)計

9、</b></p><p>　　要實現(xiàn)邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速，就要采用橋式全控整流逆變電路。要達(dá)到電流和轉(zhuǎn)速的超調(diào)要求就要設(shè)計電流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速器；邏輯無環(huán)流的重要部分就是要采用邏輯控制，保證只有一組橋路工作，另一組封鎖。邏輯控制器可以采用組合邏輯元件和一些分立的電子器件組成，也可用單片機(jī)實現(xiàn)，本文使用PLC來實現(xiàn)邏輯控制；觸發(fā)電路要保證晶閘管在合適的時候?qū)ɑ蚪刂?，并且要能方便的改變觸發(fā)脈沖的相位，達(dá)到

10、實時調(diào)整輸出電壓的目的，從而實現(xiàn)調(diào)速。保護(hù)電路有瞬時過壓抑制，過電流保護(hù)和過電壓保護(hù)，當(dāng)過壓或過流時封鎖觸發(fā)脈沖，從而實現(xiàn)保護(hù)功能。</p><p>　　圖5 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　2.2方案論證</b></p><p>　　在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)最基本的要素就是能改變旋轉(zhuǎn)方向。而要改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方

11、向有兩種辦法：一種是改變電動機(jī)電樞電壓的極性，第二種是改變勵磁磁通的方向。對于大容量的系統(tǒng)，從生產(chǎn)角度出發(fā)，往往采用既沒有直流平均環(huán)流，又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流可逆系統(tǒng)，無環(huán)流可逆系統(tǒng)省去了環(huán)流電抗器，沒有了附加的環(huán)流損耗，和有環(huán)流系統(tǒng)相比，因換流失敗造成的事故率大為降低。因此，邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。</p><p><b>　　3調(diào)節(jié)器的設(shè)計</b></p>

12、;<p>　　3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　3.1.1確定時間常數(shù)</p><p>　　（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts：</p><p>　　三相橋式電路平均失控時間Ts = 0.0017s。</p><p>　?。?）電流濾波時間常數(shù)Toi：</p><p>　　三相橋式電路每個波頭的時間

13、是3.33ms，為了基本濾平波頭應(yīng)有（1~2）Toi = 3.33s。因此取Toi=2ms=0.002s</p><p>　?。?）電流環(huán)小時間常數(shù)之和：</p><p>　　按小時間常數(shù)近似處理： </p><p>　　3.1.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量不超過5％，可以采用含給定濾波和反饋濾

14、波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖1所示。圖中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。</p><p>　　圖1 PI型電流調(diào)速器</p><p>　　要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能：

15、</p><p>　　3.1.3 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：</p><p><b>　　取電流反饋系數(shù)：</b></p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：取，因此</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p>　　3.1

16、.4校驗近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　2）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：</p><p><

17、b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　3.1.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為：</p><p><

18、b>　　，取</b></p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　，取</b></p><p>　　3.2速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　3.2.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個

19、環(huán)節(jié)，為此其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　忽略高次項，可降階近似為：</p><p>　　接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為：</p><p>　　3.2.2確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)</p><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)：</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速濾波時間

20、常數(shù)：</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p><b>　　電壓反饋系數(shù)：</b></p><p>　　3.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖2所示。圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，

21、調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。</p><p>　　圖2 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為：</b></p><p&

22、gt;　　于是，ASR的比例系數(shù)為：</p><p>　　3.2.4校驗近似條件</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)

23、近似處理條件為：</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　3.2.5計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容值</p><p>　　按所用運(yùn)算放大器取，則</p><p><b>　　，取535kΩ</b></p><p><b>　　，取</

24、b></p><p><b>　　，取</b></p><p>　　按退飽和超調(diào)量的計算方法計算調(diào)速系統(tǒng)空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量：</p><p><b>　　4系統(tǒng)主電路設(shè)計</b></p><p>　　4.1主電路原理及說明</p><p>　　兩組橋在任何

25、時刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不會存在環(huán)流。但當(dāng)兩組橋之間需要切換時，不能簡單的把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖，而同時把原來封鎖著的一組橋立即開通，因為已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管并不能在觸發(fā)脈沖取消的一瞬間立即被關(guān)斷，必須待晶閘管承受反壓時才能關(guān)斷。如果對兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放同時進(jìn)行，原先導(dǎo)通的那組橋不能立即關(guān)斷，而原先封鎖著的那組橋已經(jīng)開通，出現(xiàn)兩組橋同時導(dǎo)通的情況，因沒有環(huán)流電抗器，將會產(chǎn)生很大的短路電

26、流，把晶閘管燒毀。為此首先應(yīng)是已導(dǎo)通的的晶閘管斷流，要妥當(dāng)處理主回路中的電感儲存的一部分能量回饋給電網(wǎng)，其余部分消耗在電機(jī)上，直到儲存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱悖乖чl管恢復(fù)阻斷能力，隨后再開通原來封鎖著的那組橋的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通。邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路如下圖所示:</p><p>　　圖3 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路</p><p>　　4.2主電路參數(shù)設(shè)計&

27、lt;/p><p>　　由于主電路是采用三相橋式全控整流電路，整流輸出電壓的波形在一個周期內(nèi)，脈動六次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值是，只需計算一個脈波即可。當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時的平均值為： =2.34U2cos 由于三相電壓為380V，則 =UN=220V, 取=0° U2= Idmin=(5%-10%)IN,這里取10% 則 L=0.693</p>

28、<p><b>　　晶閘管參數(shù)計算：</b></p><p>　　對于三相橋式整流電路，晶閘管電流的有效值為：</p><p>　　則晶閘管的額定電流為：</p><p>　　取1.5~2倍的安全裕量， ，取</p><p>　　由于電流連續(xù)，因此晶閘管最大正反向峰值電壓均為變壓器二次線電壓峰值，即：</

29、p><p>　　取2~3倍的安全裕量，, 取。</p><p>　　4.3保護(hù)電路與反相器的設(shè)計</p><p>　　在主電路變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成交流側(cè)瞬態(tài)過電壓保護(hù)及濾波，晶閘管并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成關(guān)斷緩沖。</p><p>　　過電流保護(hù)可以通過電流互感器檢測輸入電流的變化，與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時發(fā)出過流信號到邏輯控制器，再

30、由邏輯控制器來封鎖觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)過流保護(hù)。過流保護(hù)電路如下圖所示。</p><p><b>　　圖4 過流保護(hù)電路</b></p><p>　　過壓保護(hù)是在直流電動機(jī)的電樞兩端并上電壓取樣電阻，當(dāng)電壓值超過設(shè)定值時，發(fā)出過電壓信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后送到邏輯控制器，由邏輯控制器封鎖觸發(fā)脈沖。</p><p><b>　　4.4反相器的設(shè)計

31、</b></p><p>　　反相器AR由運(yùn)算放大器及有關(guān)電阻組成，如圖所示。用于調(diào)速系統(tǒng)中信號需要倒相的場合。反號器的輸入信號由信號放大器的反相輸入，故輸出電壓為： Uout =－(RP+R3) / R1</p><p>　　調(diào)解RP的可動觸點(diǎn)，可改變RP的數(shù)值，使RP+R3=R1,則Uout=－Uin，輸入與輸出成倒相關(guān)系。</p><p>　　5邏

32、輯控制器和觸發(fā)器設(shè)計</p><p>　　5.1邏輯控制器的設(shè)計</p><p>　　無環(huán)流邏輯控制器的任務(wù)是在正組晶閘管工作時，則封鎖反組晶閘管，在反組晶閘管工作時，則封鎖正組晶閘管。采用數(shù)字邏輯電路，使其輸出信號以0 和1 的數(shù)字信號形式來執(zhí)行封鎖與開放的作用，為了確保正反組不會同時開放，應(yīng)使兩者不能同時為1。系統(tǒng)在反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)制動時應(yīng)該開放反組晶閘管，封鎖正組晶閘管，在這兩種情況下都要

33、開放反組，封鎖正組。從電動機(jī)來看反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)制動的共同特征是使電動機(jī)產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩。上述特征可以由ASR 輸出的電流給定信號來體現(xiàn)。DLC 應(yīng)該先鑒別電流給定信號的極性，將其作為邏輯控制環(huán)節(jié)的一個給定信號。</p><p>　　僅用電流給定信號去控制DLC 還是不夠，因為其極性的變化只是邏輯切換的必要條件。只有在實際電流降到零時，才能發(fā)出正反組切換的指令。因此，只有電流轉(zhuǎn)矩極性和零電流檢測信號這兩個前提同時具備時，并

34、經(jīng)過必要的邏輯判斷，才可以讓DLC 發(fā)出切換指令。</p><p>　　邏輯切換指令發(fā)出后還不能馬上執(zhí)行，需經(jīng)過封鎖時時間Tdb1才能封鎖原導(dǎo)通組脈沖；再經(jīng)過開放延時時間Tdt后才能開放另一組脈沖。通常Tdb1=3ms，Tdt=7ms。</p><p>　　在邏輯控制環(huán)節(jié)的兩個輸出信號之間必須有互相連鎖的保護(hù)，決不允許出現(xiàn)兩組脈沖同時開放的狀態(tài)。</p><p>　

35、　邏輯控制器裝置由PLC來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩極性鑒別信號UI*和零電流檢測信號Ui0作為PLC的輸入信號X0和X1，再由PLC的軟件來實現(xiàn)邏輯運(yùn)算和控制。</p><p>　　在邏輯運(yùn)算判斷發(fā)出切換指令UF、UR后，必須經(jīng)過封鎖延時Udb1和開放延時Udt才能執(zhí)行切換命令。用FX2系列PLC實現(xiàn)時，只要用其內(nèi)部的1ms定時器即可達(dá)到延時目的。一般封鎖延時取Udb1=3ms，此時封鎖原導(dǎo)通組脈沖；再經(jīng)過開放延時Udt=7m

36、s開放另一組。若封鎖延時與開放延時同時開始計時，則開放延時時間為3+7=10ms，設(shè)延時后的UF'、UR'狀態(tài)分別用輔助繼電器M4、M5表示。 </p><p>　　DLC裝置的最后部分為邏輯保護(hù)環(huán)節(jié)。正常時，UF'與UR'狀態(tài)總是相反的；一旦DLC發(fā)生故障，使UF'和UR'同時為“1”，將造成兩組晶閘管同時開放，必須避免此情況。滿足保護(hù)要求的邏輯真值表如下表。設(shè)D

37、LC的輸出信號由PLC輸出端子Y0、Y1輸出。 </p><p>　　表5.11 邏輯真值表</p><p>　　其中Y0控制GTF，Y1控制GTR。為了實現(xiàn)邏輯保護(hù)，一方面可以用Y0、Y1實現(xiàn)聯(lián)鎖，另一方面還可以用M4、M5接通特殊輔助繼電器M8034禁止全部輸出，進(jìn)行雙重保護(hù)。X2和X3是過壓和過流檢測信號。邏輯控制器的梯形圖如圖5.11所示。 </p><p>

38、;　　圖5.11 邏輯控制器梯形圖</p><p><b>　　5.2觸發(fā)器的設(shè)計</b></p><p>　　本調(diào)速體統(tǒng)主電路是三相橋式全控整流電路，所以可以用三片集成電路觸發(fā)芯片，KJ004和一片集成雙脈沖發(fā)生器芯片KJ041組成。觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號用接插線與主電路各晶閘管相連接。</p><p><b>　　總結(jié)</b

39、></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，讓我對直流無環(huán)流可逆調(diào)速體統(tǒng)有更深的理解，加強(qiáng)了對運(yùn)動控制理論的理解，提高了專業(yè)知識的應(yīng)用能力。電路系統(tǒng)的設(shè)計是一個從整體到局部的過程，在有了整體的方案之后，通過比較論證，得出最佳方案，然后是每一個部分，每一個環(huán)節(jié)的逐步實現(xiàn)。通過這個過程，讓我們對于電路設(shè)計的思路和方法有了更深刻的體會，同時也提高了自己的團(tuán)隊協(xié)作能力和獨(dú)立完成任務(wù)的心理素質(zhì)。</p>

40、<p>　　邏輯控制的直流無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，實際上就是有兩部分電路組成，一個是主電路，另一個是控制電路。控制電路的目的就是要控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和正向反向制動，但是在控制的過程當(dāng)中電路不能有環(huán)流，否則會燒毀電路。加入邏輯控制器的目的就是在適當(dāng)?shù)臅r候能夠封鎖一組主電路中的晶閘管同時可以開放另外一組晶閘管保證在主電路電機(jī)運(yùn)行的過程當(dāng)中只有一組晶閘管工作，從而保證系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，為了實現(xiàn)這一功能需要多種電路的配合。系統(tǒng)設(shè)

41、計的原則是穩(wěn)定快速，簡單實用，經(jīng)濟(jì)高效。</p><p>　　由于個人水平和時間的關(guān)系，本課程設(shè)計還有不完善的地方，懇請老師批評指正。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京.機(jī)械工業(yè)出版社,2003.7</p><p>　　王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù).

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