轧钢机流水线传送带调速系统设计论文 运动控制系统综合训练

综合训练名称：运动控制系统综合训练

题目：轧钢机流水线传送带调速系统设计

学    期：2017学年春季学期

专    业：电气工程及其自动化

班    级：电气14-6班

姓    名：望家相

学    号：1416*423

指导教师：馨

辽宁工程技术大学

• 设计题目
  

• 设计任务
  

1.熟练掌握各种调速系统的结构组成，针对现场情况要求合理的选择系统结构。

2.依据调节器的工程设计方法，设计调节器的结构及参数计算。

3.通过系统仿真，对各模块性能、电路连接情况进一步加强理解。并通过对仿真参数进行调整，了解参数变化对系统性能的影响。

• 画出带负载的整体系统结构框图。
• 采用工程设计方法设计调节器
• 系统仿真
  

关键词：原理图；调节器；工程设计方法；参数整定；起动过程；仿真

目录

目的：

（1）熟练掌握各种调速系统的结构组成，针对现场情况要求合理的选择系统结构。

（2）依据调节器的工程设计方法，设计调节器的结构及参数计算。

（3）通过系统仿真，对各模块性能、电路连接情况进一步加强理解。并通过对仿真参数进行调整，了解参数变化对系统性能的影响。

要求：

（1）画出带负载的整体系统结构框图。

（2）采用工程设计方法设计调节器

（3）系统仿真

如题1所示，为了实现在允许条件下的最快启动，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，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。

1.1.2系统的电路原理图

为了获得良好的静、动态性能，转速和电路两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统电路原理图如图3所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，GT是触发电路，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给的电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。

根据图3直流双闭环调速系统电路原理图可以方便的绘出系统的稳态结构框图，如图4所示。其中为转速反馈系数，为电流反馈系数。

在考虑双闭环控制的结构（见图4直流双闭环调速系统的稳态结构框图）的基础上，即可绘出直流双闭环调速系统的动态结构框图，如图5所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显示出来。

在实际设计过程中，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。

所以直流双闭环调速系统的实际动态结构框图应该与图5有所不同，应当增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。如图6所示。

在图6点画线框内的电流内环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就算说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图7所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：

式中  ——电流环开环频率特性的截止频率。

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图8所示。

最后，由于和一般都比小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为：

式中  ——电流调节器的比例系数；

      ——电流调节器的超前时间常数。

1）整流装置滞后时间常数。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间。

2）电流滤波时间常数。根据初始条件有。

3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。

表1各种整流电路的失控时间（）

整流电路形式	最大失控时间	平均失控时间
单相半波 单相桥式（全波） 三相半波 三相桥式、六相半波	20 10 6.67 3.33	10 5 3.33 1.67

4）电磁时间常数。已知电枢回路电感，则：

根据设计要求，并保证稳态电压无差，按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数：

检查对电源电压的抗扰性能：，参照表2的典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

表2典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

电流反馈系数。

电流调节器超前时间常数：。

电流开环增益：要求时，按表3，取，因此

参数关系	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		6.6	4.7	3.3	2.4
峰值时间		8.3	6.2	4.7	3.6
相角稳定裕度	76.3°	69.9°	65.5°	59.2°	51.8°
截止频率	0.243	0.367	0.455	0.569	0.786

电流环截止频率：

• 晶闸管整流装置传递函数的近似条件
  

               

• 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
  

• 电流环小时间常数近似处理条件
  

由图11，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：

，取

，                                  ，取

                                     ，取

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。

含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图11所示。图中为电流给的电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。

电流环经简化后可视作转速环的一个环节，由图10可知，电流环的闭环传递函数为

忽略高次项，可降阶近似为

式中  ——转速开环频率特性的截止频率。

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效成

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。

用电流环的等效代替图6中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图12所示。

把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改为，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中

式中  ——转速调节器的比例系数；

      ——转速调节器的超前时间常数。

令转速环开环增益为

1）电流环等效时间常数。根据上文中，则

2）转速滤波时间常数。根据初始条件。

3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取

转速反馈系数。

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为

• 电流环传递函数简化条件为
  

                               ，满足简化条件。

• 转速环小时间常数近似处理条件为
  

                             ，满足近似条件。

根据图15，取，则

，取；

                                       ，取；

                                ，取。

当时，查表4可得，，不能满足设计要求。实际上，由于表4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR退饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况计算超调量。

	3	4	5	6	7	8	9	10
	52.6%	43.6%	37.6%	33.2%	29.8%	27.2%	25.0%	23.3%
	2.40	2.65	2.85	3.0	3.1	3.2	3.3	3.35
	12.15	11.65	9.55	10.45	11.30	12.25	13.25	14.20
	3	2	2	1	1	1	1	1

由表5查得，则

	3	4	5	6	7	8	9	10
	72.2%	77.5%	81.2%	84.0%	86.3%	88.1%	89.6%	90.8%
	2.45	2.70	2.85	3.00	3.15	3.25	3.30	3.40
	13.60	10.45	8.80	12.95	16.85	19.80	22.80	25.85

含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图15所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。

3 触发器设计

集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。正组晶闸管VF，由GTF控制触发，

——正转时，VF整流；

——反转时，VF逆变。

反组晶闸管VR，由GTR控制触发，

——反转时，VR整流；

——正转时，VR逆变。

触发电路采用集成移相触发芯片TC787，与TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路相比，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。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785与一块KJ041、一块KJ042器件组合才能具有的三相移相功能。

正组晶闸管触发电路原理图如图所示，反组的与正组相同。

单结晶体管触发电路结构简单，调节方便，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，对于控制精度要求不高的小功率系统，可采用单结晶体管触发电路来控制；对于大容量晶闸管一般采用晶体管或集成电路组成的触发电路。计算机数字触发电路常用于控制精度要求较高的复杂系统中。各类触发电路有其共同特点，一般由同步环节、移相环节、脉冲形成环节和功率放大输出环节组成。

4 反馈环节、保护电路及其它电路设计

4.1反馈环节

反馈环节即转速检测电路。控制电路最终的控制的目标就是电机的转速。因此，任何电机调速系统中，必定存在转速检测电路。检测电机的转速有多种方式，数字电路中有码盘电路，或者编码器，在模拟电路中一般使用测速电机。测速电机的返回的电压信号会随着电机转速的增加而增加。

图17转速检测电路

4.2保护电路

4.2.1交流侧的过压过流保护

在变压器副边并联电阻和电容，可以把变压器铁芯释放的磁场的能量转换为电场能量并储存再电容中，因为电容不可以使两端电压突变，所以可以达到抑制过电压的目的，而串入电阻的目的是为了在能量转换的过程中消耗一部分能量，从而防止因变压器漏感和并联电容构成的震荡回路再闭合时产生的过电压，抑制了LC回路出现震荡，电路图如下所示：

图18交流侧过压过流保护电路图

其中，C和R的计算公式为

C≥6I%S/U22；R≥2.3U22

在公式中：

S——变压器每相平均电压计算容量，单位VA         

U2—— 变压器二次侧相电压有效值，单位 V         

I%——变压器激磁电流百分数         

Uk%——变压器的短路比

4.2.2直流侧的过压过流保护

PWM变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压Us。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz，合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rx消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VT5。

4.2.3快速熔断器短路保护

熔断器的作用：当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某些重要器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安装熔断器，则熔断器就会在电流异常升高到一定高度的时候，自身熔断，切断电流，从而起到保护电路的作用。

为了防止由于电流过大而烧毁电力二极管，在二极管回路上加快速熔断器，在主回路中应加入熔断器。

参考文献

运动控制系统综合训练.docx (879.33 KB, 下载次数: 13)

2017-7-9 15:36 上传

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