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1、含有电流截止负反馈的转速负 反馈直流调速系统设计要点课程设计（论文）任务书专业班级学生指导 教师题 目电力拖动自动控制课程设计子题含有电流截止负反馈的转速负反馈直 流调速系统设计设计 时间2012年12 月10 日 至2012 年12月 21 日 共2周设计目的1 .通过课程设计掌握电流负反馈的转 速负反馈直流调速系统分析与设计方 法。2 .掌握含电流截止负反馈的转速负反 馈调速系统的组成，分析设计内容。3 .根据实际情况，掌握设计调节器的一 般方法。4 .培养自己科学严谨的治学态度。设计内容设计1.电流截止环节的意义和引出方法。要求2.电流截止环节对系统的静态和动态 特性有何影响。5 .稳态
2、有静差，怎样减小静差。6 .动态过程的稳定条件如何界定。7 .详细分析含电流截止负反馈的转速 负反馈调速系统的静特性。8 .参数选择：基本参数如下：直流电动机：220V,136A,1460r/min , Ce=0.127Vmin/r ,允许 过载倍数入=1.5。晶闸管装置放大系数：Ks=35。电枢回路总电阻：R=0.2Q。时间常数：T=0.03s, Tm=0.18s。电流反馈系数：B =0.05V/A (= 10V/1.51nom )。转速反馈系数：=0.007Vmin/r ( 10V/Nnom 0指导教师签字：系(教研室)主任签字：1总体方案设计带电流截止负反馈的转速负反馈的设计方案本文主要
3、分别从介绍电流截止负反馈和转速负反馈的调节器的设计出发，将各自的特点结合再通过数字式绘图进行原理结构的设计， 其总的数字式实现结构有以下部分：1、变压器部分此部分是将电网电压引入，再将其设计为三 种方式的输出，分别是为电流互感器部分提供 电压的变压器1,为稳压模块提供电压的变压 器3,和为控制信号产生部分提供电压的变压器 2.2、主电路部分此部分理所当然是整个设计的核心部分，其 当中有控制对象一一电机，还有我们主要需要 设计出的控制晶闸管的开断信号，当然其中的 转速反馈电压也是从此部分输出。3、电流互感器部分此部分为电流截止负反馈部分提供反馈电 流信号的核心部分，反馈电流信号将从这里引 出通过
4、晶闸管从而进入主控电路。4、ASR和电流截止部分真个调速系统的主控部分，这个调速系统的 调速性质就由这个部分决定，其中包括了电流 截止负反馈电路和转速负反馈电路。5、稳压模块为控制信号模块和一些其他需要供电的集 成模块器件供电。6控制信号产生部分此部分主要是产生控制前面主电路部分的 晶闸管开通与关断的，以有效地控制电机的转 动。7、控制信号的放大驱动部分辅助控制信号产生部分，使其产生更精确， 更稳定的控制信号，以使电机更好的运行。2带电流截止负反馈的转速负反馈的分析与设计2.1 电流截止负反馈的分析与设计问题的提出：(1)起动的冲击电流-直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施， 会产生很大的
5、冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子 器件来说，更是不能允许的。(2)闭环调速系统突加给定起动的冲击电流-采用转速负反馈的闭环调 速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电 压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K倍。这时, 由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压 一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相 当于全压起动，当然是不允许的。(3)堵转电流一有些生产机械的电动机可 能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械 轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环 节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如
6、果 只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳 闸，也会给正常工作带来不便。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电 枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪 一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量 的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够 保持电流基本不变，使它不超过允许值。通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。 考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用, 正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采 用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定 程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流 正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。电流 截止负反馈环节如下图：+*h接放大器
7、 5(a)利用独立直流电源作比较电压图2电流截止负反馈环节的I/O特性图3马带流 截 止 负 反 馈 的 闭 环 直 流 调 速稳 态 系 统 结 构 框 图由图2可写出该系统两段静特性的方程式:*KpKsUnRIdn Ce(1 K) Ce(1 K)当Id Id。时，引入电流负反馈，静特性变为:*Ce(1 K)KpKs(Un Ucom) (R KpKsRs)Id n Ce(1 K)(1)静特性的几个特点：(1)电流负反馈的作用相当于在主电路中串特性急剧下垂。(2)比较电压Ucom与给定电压Un*的作用 一致，好象把理想空载转速提高到*,KpKs(Un Ucom) n。Ce(1 K)(3)两段式
8、静特性常称作下垂特性或挖土机comKpKs(Un Uc动机停下，电流也不过是堵转电流，在式(R KpKh*人般KpKsRsR,因此气呈(4)最大截止电流Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范一般取：I dcr A (1.11.2)(5)调速系统的起动过程In图(a)带电流截止负反馈单闭环调速系统 图(b)理想的快速启动过程图5调速系统的起动过程转速负反馈环节的设计1确定时间常数：有Ki0.69，则20.0054s已知转速环滤波时 Ki间常数Ton=0.01S ,故转速环小时间常数1T n 一 Ton 0.0054 0.01 0.0154s o Ki2选
9、择转速调节器结构:按设计要求，选用PI调节器WasrSKn nS 1n S3计算转速调节器参数:按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,贝U ASR的超前时间常数为:hT5 0.0154 0.077s转速环开环增益KN畀2 52 0.01542 505.987s10ASR勺比例系数为：Kn二；Tm31.8。2h RT n4检验近似条件转速环截止频率为 Wcn W- KN n505.987 0.077 38.96。电流环传递函数简化条件为1叵174.57s 1 Wcn,满足条件。3，Ti 30.0054 0.0037,转速环小时间常数近似处理条件为：1 的 1J 1 45.36s 1 Wn) 满足
10、近似条件O3 VTon3 V 0.0054 0.015计算调节器电阻和电容：取& =40k ,贝U Rn Kn Ro 1272k)取 1.2 MCnRn0.064 F) 取64 nF4 0.01C0n401 F,取1 F 0故 WasrSKn-nns 131.8 0.077s 1o0.077S其结构图如下:BO/2RO/2ornI i-LCm I即收KD/2Xi Crtczb-ir-r匚师RbalI 工 f图6转速调节器6校核转速超调量：计算n,设理想空载z=0, h=5时，查得-=81.2%)所以 n=2 (-Cmax) ( z)CbCb 、136 0.2-N-1=2 81.2% 1.50.
11、1270.0154 3.06% 10% 满足设计n Tm14600.18要求.2.3 电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供 电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其 性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为 使系统很好的工作，本文特设计一款15V的直 流稳压电源供电，其电路图如图 2.3所示。直 流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤 波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直 流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导 通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元 件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几 种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整 流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特
12、 点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承 受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用, 效率高。图7 15V电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一 般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电 容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感 L,以及由电容、电感组合而成的各种复式滤 波电路2.4 控制电路设计本控制系统采用含电流截止负反馈的转速负反 馈结构，其原理图如图2.4所示。+o图8含电流截止负反馈的转速负反馈原理图 图中的电动机的电枢回路由晶闸管组成的 三相桥式整流电路供电，通过与电动机同轴刚 性连接的测速发电机TG检测电动机的转速， 并经转速反馈环节分压后取出合适的转速反馈 信
13、号Un,此电压与转速给定信号U；经速度调节 器ASR综合调节，ASR的输出作为移相触发 器的控制电压火，由此组成转速负反馈单闭环 直流调速系统。在本系统中ASR采用比例积分调节器，属 于无静差调速系统。为了防止在起动和运行过 程中出现过大的电流冲击，系统引入了电流截 止负反馈。由电流变换器取出与电流成正比的 电压信号5,当电枢回路电流超过一定值时，将稳压管VS击穿，送出电流反馈信号Ui进入ASR输入端进行综合，以限止电流不超过其允 许的最大值。改变u；即可调节电动机的转速。电路组成：由三路相同的部分：同步过零和极 性检测、锯齿波形成、锯齿波比较，经过抗干扰锁定、脉冲形成等电路形成三相触发调制脉
14、 冲或方波，由脉冲分配电路实现全控、半控的 工作方式，再由驱动电路完成输出驱动。电路原理： 三相同步电压经过 T型网络进入电 路，同步电压的零点设计为 1/2电源电压（电 路输入端同步电压峰峰值不宜大于电源电压）， 通过过零检测和极性判别电路检测出零点和极 性后，在Ca、Cb、Cc三个电容上积分形成锯 齿波。由于采用集中式恒流源，相对误差极小， 锯齿波有良好的线性。电容的选取应相对误差 小，产生锯齿波幅度大且不平顶为宜。锯齿波 在比较器中与移相电压比较取得交相点，移相 电压由4脚通过电位器或外电路调节而取得。 抗干扰电路具有锁定功能，在交相点以后锯齿 波或移相电压的波动将不能影响输出，保证交
15、相唯一并且稳定。脉冲形成电路是由脉冲发生 器给出调制脉冲（TC787）,调制脉冲宽度可通 过改变Cx电容的值来确定，需要宽则增大Cx, 窄则减小Cx, 1000P电容约产生100；! S的脉冲 宽度。被调制脉冲的频率 -8/调制脉冲宽度。脉冲分配及驱动电路是由6脚控制脉冲分配的 输出方式，6脚接低电平VL,输出为半控方式，12、11、10、9、8、7 分别输出 A、-C、B、-A、 C、-B的单触发脉冲，6脚接高电平VH ,输出 为全控方式，分别输出A、-C; -C、B; B、-A; -A、C; C、-B; -B、A的双触发脉冲，用户可 以选择。5脚为保护端，当系统出现过流过压 时，将5脚置高
16、电平VH ,输出脉冲即被禁止。5脚还可以用作过零触发系统的控制端，输出 端可驱动功率管，经脉冲变压器触发可控硅； 也可直接驱动光电耦合器，经隔离触发可控硅 或驱动三级管。电路如图2.7所示15T控制倩号产生部分E.：图2.7 TC787引脚及外围电路图2.6 总电路原理图如下I -:JU4IK I电流反馈电东ASR和电流截止部分稳压模块电源地的处理产卜Rs2 0R2 = Res?0GND1彳流电源地（Earth）电机负极地 芯片电源地控制信号放大于驱动部分GOKM： IKD12GND1K414S1K4UI2.7 结论本文实现了带电流截止负反馈的转速负反馈的直流调速系统的设计，介绍了带电流截止负
17、反馈的转速负反馈的基本原理。用Protel绘制出了系统的工作原理图，数字式结构相比模拟电路而言，大大简化了系统的结构，且参数 易于修改，灵活性大大加强，具有很强的实际 意义。通过分析与设计，可发现此种调速系统 结合巧妙地结合两种方法的优点，使得它更具 通用性和实用性，但同时它也有一些弊端，在 更高精度的控制下，还是得设计更为精密的系统。2.8 心得体会通过本次课程设计，使我对电流负反馈的转 速负反馈直流调速系统分析与设计方法有了更 加深刻的认识，为以后的学习和工作打下了坚 实的基础。在大学的课堂的学习只是在给我们 灌输专业知识，指导我们学习的方向。如果我 们想把所学的用到我们现实的生活中去，则
18、必 须要有扎实的理论基础，此次的设计为我奠定 了一个理论基础，同时我会在以后的学习、生 活中磨练自己，使自己更好的将理论与实践相 结合，以取得更好的成果。此外在查找资料的 过程中我也学到了许多新的知识，在和同学协 作过程中增进同学间的友谊，使我对团队精神 的积极性和重要性有了更加充分的理解。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长 期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该 不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。 总之，万事开头难，知识必须通过应用才能实 现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用 的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真 正会用的时候才是真的学会了。3参考文献1 .电力拖动自动控制系统 陈伯时.机械工业出版社.2 .电力拖动自动控制系统设计手册朱仁初.机械工业出版社.3 .电力电子技术 王兆安刘进军.机械工业出版社.4 .电力拖动自动控制系统 张明达.冶金工业出版社.5 .电气传动控制系统的设计周德泽.机械工业出版社.
含有电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统设计要点
