双闭环系统的最佳工程设计

29 双闭环系统的最佳工程设计双闭环系统的最佳工程设计设计任务书课程名称：电气技术综合实验班级：论文题目：双闭环系统的最佳工程设计小组成员：任课教师：目录第一章设计任务书21.1系统性能指标21.2设计内容21.3应完成的技术文件 2第二章设计说明书32.1综述 32.2整流主电路 32.3触发电路的选择和同步 4第三章设计计算书83.1整流装置的计算83.2计算系统中一些环节的参数确定其传递函数11 3.3双闭环系统的参数计算和系统原理图的确定12 3.4系统性能指标的校核计算17第四章参考资料20第五章附图与附表215.1系统基本原理图215.2静态结构图215.3动态结构图和相应的动态结构参数表 225.4典I典II的开环对数辐频特性图225.5系统参数表235.6元器件明细表275.7系统原理图28第六章个人小结291.设计任务书1.1 系统性能指标1) 调速范围D ＞102) 静差率s ＜5%3) 电流超调量i σ＜5%4) 空载起动到额定转速的超调量n σ＜15%调整时间s t ＜1s5) 当负载变化20%的额定值、电网电压波动10%额定值时最大动态速降N n n /max ∆＜10%动态恢复时间s t ＜0.3s1.2 设计内容1） 设计系统原理图2） 计算调节器参数及其它参数3） 编写课程设计说明书1.3 应完成的技术文件1） 设计说明书2） 设计计算书3） 系统原理图4） 电器元件明细表2.课程设计说明书2.1 综述运动控制系统也可称作电力拖动自动控制系统运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入量的控制，来改变电动机的转矩、速度、位移等机械量，使其拖动的机械按照人们期望的要求运行，以满足工业现场的要求。

随着工业的发展，对于运动控制的要求也越来越高，在这种背景下，运动控制系统日趋复杂，逐渐成为一个跨多学科的综合性技术。

运动控制系统主要用到以下学科的知识。

关键词：双闭环系统最佳电流环速度2.2 整流主电路整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。

整流电路应用十分广泛，直流电机就是其中一种十分常见的负载。

整流电路可从很多角度进行分类，主要分类方法是：按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分可分为单相、双相、三相和多相电路；按控制方法又可分为相控整流和斩波控制整流电路。

本系统采用的是三相全控桥式晶闸管相控整流电路。

这是因为电机容量相对较大，并且要求直流脉动小、容易滤波。

其交流侧由三相电网直接供电，直流侧输出脉动很小的直流电。

在分析时把直流电机当成阻感性加反电势负载。

因为电机电流连续所以分析方法与阻感性负载相同，各参量计算公式亦相同。

现简述其工作原理：习惯将其中阴极连在一起的三个晶闸管（1VT ,3VT ,5VT ,)称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（4VT ,2VT ,6VT )称为共阳极组。

此外习惯上希望晶闸管按从1到6的顺序依次导通。

三相桥式全控可看成两个半波电路的串联，输出电压是共阳极组和共阴极组的叠加。

当0时，其实就相当于三相桥式不控整流电路。

在电动机负载是，为了保持电流连续通常在电枢回路串入大电感。

因此主回路电流可认为是平直的。

随着控制角的增大输出电压将会减小。

图2.1 三相桥式整流电路主电路2.3触发电路的选择和同步1）概述TC787是采用独有的先进IC 工艺技术，并参照最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路，他可单电源工作，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交流装置，他们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，与TCA785及KJ （或KC ）系列集成电路相比，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个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，为了让学生了解新技术，我们在设计三相全控桥式整流电路实验装置时触发电路采用了TCT787。

2）TC787的基本原理TC787的内部集成有3个过零和极性检测单元，3个锯齿波形成单元，3个比较器，1个脉冲发生器，1个抗干扰锁定电路、1个脉冲形成电路，1个脉冲分配及驱动电路。

它们的工作原理可简述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部3个恒流源的控制信号，3个恒流源输出的恒值电流给3个等值电容C a，C b，C c恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波，锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压V r比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出，该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。

假设系统未发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12，11，10，9，8，7输出全为低电平。

3）由TC787构成的三相六脉冲触发电路如图2.1所示。

380V三相交流电经过同步变压器变压为30V的同步信号a1，b1，c1后，经过电位器R P1，R P2，R P3及RCT型网络滤波接入到TC787的同步电压输入端，通过调节R P1，R P2，R P3可微调各相电压的相位，以保证同步信号与主电路的匹配。

C a，C b，C c为积分电容，TC787芯片的锯齿波的线性、幅度由C a、C b、C c电容决定，因此，为了保证锯齿波有良好的线性及三相锯齿波斜率的一致性，选择C a、C b、C c时要求其3个电容值的相对误差要非常小，以产生的锯齿波线性好、幅度大且不平顶为宜。

C a、C b、C c为电容量的参考值为0.15μF。

连接在13脚的电容C x决定输出脉冲的宽度，C x 越大，脉冲越宽，可得到0度-80度范围的方波，不过脉冲太宽会增大驱动级的损耗。

C x参考值为3300μF-0.1μF。

调节RP可以使输入4脚的电压0-12V之间连续变化，从而使输出脉冲在0-180度之间变化，7-12脚的输出端有大于25mA的输出能力，采用6只驱动管扩展电流，经脉冲变压器隔离后将脉冲接到晶闸管的控制极（g）和阴极（k）之间，以触发晶闸管。

图2.1 触发电路4）双闭环控制电路的工作原理首先是对双闭环控制电路的稳态工作原理的分析，可以根据系统的稳态结构框图来分析，分析稳态工作原理的关键是要了解PI调节器的稳态特征，一般都会存在着两种状况：饱和——输出达到限幅值，不饱和——输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。

在实际的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。

当转速调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。

而当转速调节器饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。

PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I dm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到I dm时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。

接着是对其起动过程的分析，由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。

第Ⅰ阶段（电流上升阶段）。

突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，U C、U d0、I d都跟着上升，但是在I d没有达到负载电流I dL以前，电动机还不能转动。

当I d≥I dL后，电动机开始起动。

由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。

直到电流调节器很快就压制了I d的增长，标志着这一阶段的结束。

第Ⅱ阶段（恒流升速阶段）。

这是起动过程中的主要阶段。

在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流I d恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它，U d0和U C也必须基本上按线性增长，才能保持I d恒定。

第Ⅲ阶段（转速调节阶段）。

当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，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输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U i*和I d很快下降。

但是，只要I d仍大于负载电流I dL，转速就继续上升。

直到I d =I dL 时，转矩T e =T L，则d n/d t =0,转速n才到达峰值。

此后，电动机开始在负载的阻力下减速，当I d＜I dL时，直到稳定。

综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制。

最后是对其动态抗扰性能的分析，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。

主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。