运动控制系统课设

1.1 直流电动机调速方式的选择
直流电动机的稳态转速可以表示为 （1-1） 式中：n——转速（r/min） ； U——电枢电压（V） ； I——电枢电流（A） ； R——电枢回路总电阻（Ω ） ； ——励磁磁通（Wb） ； ——由电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看出，有三种电动机调速的方法： 1. 2. 3. 调节电枢电压 U； 减弱励磁磁通 ； 改变电枢电阻 R。
，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。
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第二章 主电路的计算
2.1 整流变压器参数的计算
一般情况下，晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要配置整流变压 器。通过变压器进行电压变换，并使整流主电路与电网隔离，减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。根 据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压 、一次与二次额定电流以及容
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图 4 直流侧过压保护电路图 2.3.4 晶闸管两端的过电压保护 晶闸管的过压保护，在晶闸管两端并联电容 C、电阻 R，如图 5 所示。利用电容两端的电压不能突变 的特性，可以有效的抑制变压器绕组中的过电压，串联电阻能消耗部分过电压的能量，同时抑制 LC 回路 的震荡。 由公式（2-11）和（2-12）可得 ，取 27uF。 Ω ，取 Ω 。 2.3.5 过电流保护 电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流， 过电流分为过载和短路两种情况。 电流保护常用的措施有快速熔断器、 直流快速熔断器和过电流继电器， 其中采用快速熔断器是电力电子装 置中最有效、应用最广的一种过流保护措施，在选择快熔时应考虑： 1) 2) 3) 4) 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。 快熔的 值应小于被保护器件的允许 值。 图 5 晶闸管的过压保护
对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有 级调速；减弱磁通虽然能够调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的 弱磁升速。因此，采用调压调速来控制直流电动机。
1.2 电动机供电方案的选择
方案一：三相半波可控整流电路。 方案二：三相桥式全控整流电路。 本设计中直流电动机采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源，通过调节触发延迟 角а 的大小来控制输出电压 Ud 的大小，从而改变电动机的电源电压。 虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相 全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动
第一章 直流调速系统的方案选择
直流调速系统是自动调速系统的主要形式, 它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实 现平滑调速，并且具有较快的动态响应过程，低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性。当然， 近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐 取代直流调速系统。但是就目前来看，在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电 工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通讯设 备、雷达设备，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制 技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
5)
晶闸管承受最大正、反向电压的关系与三相半波时一样。
图 1 三相桥式全控整流电路
1.3 直流调速系统的结构选择
方案一，采用转速反馈控制直流调速系统（单闭环调速系统） ，用 PI 调节器实现转速稳态无静差，消 除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过流现象。 方案二，采用转速、电流反馈的控制直流调速系统（双闭环调速系统） ，即在系统中设置两个调节器，
程的主要阶段。 第三阶段是转速调节阶段：当转速上升到给定值 时，转速调节器 ASR 的输入偏差为零，但其输出却 由于积分作用还维持在限幅值 ，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR 的输入偏差电 ， 转速就继续上升。 直到 时，
压变为负， 使它开始退出饱和状态， 和 很快下降。 但是， 只要 转矩 ，则 ，转速 n 达到峰值。此后
（ ）
= =2。
=
。
由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量的计算与线路形式有关。三相桥式 可控整流电路计算为： 变压器二次侧电流的有效值 变压器的变比 K= 根据变压器磁动势平衡原理知一次侧和二次侧电流关系为： 所以变压器一次侧电流 变压器容量为： （2-2） （2-3） （2-4） （2-5） （2-6）
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机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广。 把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。其原 理图如图 1 所示，一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星型，对于二次侧的晶闸管则习惯将其中阴 极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极性组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4、VT6、 VT2）称为共阳极性组。 三相桥式全控整流电路的特点： 1) 每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一 个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。 2) 对触发脉冲的要求： 六个晶闸管的脉冲按 VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6 的顺序， 相位依次差 共阴极组 VT1、VT3、VT5 的脉冲依次差
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分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。 由于转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程，对于经常正、反 转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。为此，在起动（制动）的过渡 过程中， 希望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。实际上，由于主电路电 感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 的恒流过程。按照反馈控制规律，采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程。理想的启动（制动）过 程是在启动过程中只有电流负反馈发挥作用，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又只要转速负反馈， 不再让电流负反馈发挥作用。只用一个调节器显然是不可能的，而且双闭环直流调速系统具有比较满意的 动态性能和良好的抗扰动性能。 因此，选择方案二。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别引入 转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套（串级）连接。把转速调节器的输出当做 电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。电流环做内环，转速环做外环， 这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统，即双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速 和电流两个调节器都采用 PI 调节器。 两个调节器的输出都是带限幅作用的， 转速调节器 ASR 的输出限幅电 压 Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制了电力电子电换器的最 大输出电压 Udm。
。
时，
与
的比值，查表可知 A=2.34；
—电网电压波动系数，取 0.9； —最小移相角，对于不可逆调速系统取
。
~
。
；
C—线路接线方式系数，查表三相桥式 C 取 0.5V； —变压器阻抗电压比，100kVA 以下取 0.05,100kVA 及以上取 0.05~0.01； —二次侧允许的最大电流与额定电流之比，即 故，
。 。
；
，共阳极组 VT4、VT6、VT2 也依次差
。
。
；同一相的
上下两个桥臂，即 VT1 与 VT4，VT3 与 VT6，VT5 与 VT2，脉冲相差 3) 4) 整流输出电压
。
一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。
在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸 管都有脉冲。为此，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发，另一种是双脉冲触发。
图 3 交流侧阻容保护电路 则， ，取 10uF。 Ω ，取 Ω。
，取 50uF。 Ω ，取 Ω 。 2.3.3 直流侧过电压保护 直流侧过压保护，在直流测并联电容 C、电阻 R，如图 4 所示。利用电容两端的电压不能突变的特性， 可以有效的抑制变压器绕组中的过电压，串联电阻能消耗部分过电压的能量，同时抑制 LC 回路的震荡。 由公式（2-10）和（2-11）可得 ，取 31uF。 Ω ，取 Ω 。
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的震荡。 阻容保护计算公式： （2-11） （2-12） 式中： S 为变压器每相平均容量； 为变压器副边相电压有效值； 为变压器激磁电流百分值，
（10~1000）kVA 的变压器的激磁电流百分值为 4~10； 的变压器的短路电压百分值为 5~10。
为变压器的短路电压百分值， （10~1000）kVA
1.4 确定直流调速系统的总体结构框图
图 2 双闭环直流调速系统的结构图 注：ASR—转速调节器 UPE—电力电子变换器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器
—转速给定电压
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—转速反馈电压
—电流给定电压
—电流反馈电压
如图 2 所示，双闭环直流调速系统的结构图，电动机的起动过程可以分为三个阶段： 第一阶段是电流上升阶段：突加给定电压 但是在 没有达到负载电流 后，经过两个调节器的跟随作用， 、 、 都上升，
量。由于整流变压器二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电，引起漏抗增大，外特性变 软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。 二次侧相电压 式中： 为：
（ ）
（2-1）
—负载的额定电压； —整流元件的正向导通压降，取 1V；