实例介绍
【实例简介】
直流电机双闭环直流调速系统，主电路形式的确定； 励磁电路形式的确定； 3.电枢整流变压器、 励磁整流变压器、 平波电抗器的参数计算； 4.主电路晶闸管、 励磁电路整流二极管的参数计算与选择 ； 5.晶闸管的过电压、 过电流保护电路的设计； 6.晶闸管触发电路的设计； 7.电流检测及转速检测环节的设计； 8.电流调节器、 转速调节器的设计； 9.控制电路所用稳压电源的设计； 10.起停操作控制电路的设计（选做） ； 11.系统的 MATLAB 仿真实验(选做)； 12.书写设计说明书。
运动控制系统课程设计 电机参考数据及设计指标要求 已知数据 1、直流电动机 型号:Z2-112 功率:125kW 电压:220V 电流:635A 转速:1000r/min 效率:90% 最大励磁功率:1380W K轮转矩:GD2-23kgm2 他励电压:220V 过载能力:=1.5 2、车间电源:U=380+5%f=50Hz,电压阶跃变化△U=+40V(10%) 3、电动机负载 起动时负载转矩等于电动机的额定转矩(T-s-Tmcm) 运行中的负载转矩T=(0.250.75)Tnom 负载转矩阶跃变化量|△TL≤0.15Tm 折合到电动札轴上的传动装置及生产机械的飞轮转矩按电动机飞轮 转矩的50%估计,生产机械只单方向运转,且不常起动。 、设计指标要求 a)静态指标:调速比D=nma<mim=100010=10 静差率s<3% b)动态指标:起动超调量:σn%≤10%,σ1%5%, c)扰动产生的动态偏差及恢复时问:Δnmax/nm×1009%≤10%,t≤0.5s d)对起动和停车的快速性均无特别要求。 运动控制系统课程设计 目录 摘要 Abstract 第一章方案设计 1控制方案 1.1单闭环控制系统 1.2双闭环直流调速系统…… 1.2主电路、励磁电路选择. 5 1.2.1主电路 1.2.2励磁电路….6 1.3系统特性参数计算. 6 1.3.1电枢整流变压器的参数计算… 1.3.2劢磁电路变压器的参数计算 1.3.3平波电抗器参数计算. ,音音垂 1.4主电路晶闸管的参数计算. 1.5励磁电路整流二极管的参数计算…… 第二章保护电路设计..………………10 2.1过电压保护. 2.1.1交流侧过电压保护 2.1.2直流侧过电压保护 2过电流保护…… 11 2.2.1产生过电流的原因 2.2.2过电流保护方法 12 第三章控制电路设计.……………13 3.1晶闸管触发电路.…… 13 3.2起停操作控制电路 第四章调节器设计 17 4.1电流调节器的设计..17 4.2转速调节器的设计 20 4.3电流调节器的参数整定 23 4.4转速调节器的参数整定 第杠章系统仿真 27 结语 参考文献 青岛科技大学本科课程设计(论文) 摘要 随着自动化技术的发展,社会生产力得到了极大的提升,自动化技术已经广泛应用于 制造业、农业、交通、航空等众多国民经济、技术领域,极大的提高∫社会生产率。步入 21世纪以来,随着生产规模的扩大,现代工业技术正在向智能化、网络化和集成化的方向 父展。 由于工业生产现场环境的复杂,所以使得工业控制系统得以不断的发展。出现了最优 控制,即系统在一定的约束条件下,其某项性能指标达到最优而实行的控制。而当对象或 环境特性变化时,为了使系统能自行调节,以跟踪这种变化并保持良好的品质,又出现 白适应控制;也岀现了伺服控制。虽然现代控制理论的内容很丰富,与古典控制理论相比 较,它能解决更多更复杂的控制问题,但对于单输入单输出线性定常系统而言,用古典控 制理论来分析和设计,仍是最实用最方使的。比如此次运动控制系统课程设计—基于直 沉电动机Z2-112晶闸管双闭环直流调速系统设计 木次运动控制系统课程设计是以Z2-11!(Z2系列外通风他励直流电动机)直流电动 杋为控制对象,主要涉及转速、电流调节器,保护电路及控制电路。 关键词:直流电动机;双闭环;晶闸管; Matlab; 运动控制系统课程设计 Abstract With the development of automation technology, social productivity has been greatly improved. Automation technology has been widely used in manufacturing agriculture, transportation, aviation and many other fields of national economy and technology, greatly improving social productivity. Since the 2lst century, with the expansion of production scale, modern industrial techno logy is developing towards intellectualization, networking and integration Because of the complexity of the industrial production site environment, the industrial control system has been continuously developed. Optimal control emerges Chat is, under certain constraints, a per formance index of the systen achieves the optimal and practical control. When the object or environment characteristics change, in order to make the system self-adjust to track the change and maintain good quality, adaptive control and servo control appear. although the content of nodern control theory is very rich, compared with classical control theory, il can solve more and more complex control problems, but for siso linear time-invariant systems, the classical control theory is still the most practical and convenient to analyze and design. For example, this course design of motion control systeml is based on the design of DC otor z2-112 thyristor double closed-loop dC speed regulation system This course design of motion control system is based on Z2-111(Z2 series of external ventilation and other excitation DC motor) DC motor as the control object mainly involving speed, current regulator, protection circuit and control circuit. Key words: DC motor; double closed-loop thyristor; MATLAB 运动控制系统课程设计 第一章方案设计 11控制方案 为了实现各种复杂的控制仼务,首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起 来,组成一个系统,这就是自动控制系统。通常,我们把输出量送回到输入端,并与输入 信号相比较产生偏差的过程,称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减,使产生的偏差 越来越小,则称为负反馈:反之,称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行 控制的过程,而且由于引入了被控量的反馈信息,整个控制过程成为闭合过程,因此反馈 控制也称闭环控制。自动控制原理中所讨论的系统主要是闭环控制系统。 在闭环控制理论的基础上发展了单闭环控制系统,双闭环控制系统以及多闭环控制系 统。本次报告介绍单闭环控制控制系统与双灲环控制系统。 1.1.1单闭环控制系统 对于电机的调速系统而言,调速范围和静差率是一对相互制约的性能指标,引入转速 负反馈可有效解决两者矛盾,可实现既要提高调速范围,又要降低静差率。如图1-1所示, 系统的被调节量作为反馈量引入系统,与给定电压信号比较,取其偏差对系统进行控制, 在直流调速系统中,被调节量是转速,转速降落正是由负载引起的偏差,而加入转速闭环 负反馈可有效地抑制甚至消除扰动造成的影响,从而维持被调节量很少变化或不变。 UPE M tg 图1-1带直流调速系统原理图 共调速系统调速过程如下: 被调量是转速n,给定量是转速给定电压Un,在电动机轴上安裝测速发电机 TG( Tachometer generator)用以得到与被测转速成比的反馈电压Un。Un与Un相比较后 得到转速偏差电压△U经过比例放大器A,产生电力电子变换器UPE所需的控制电压 Uε,UPE是相控整流器或者PWM变换器。在调速系统中,比例放大器又称作比例(P调节 运动控制系统课程设计 器。 显然,闭环调速系统能够大大减少转速降落,从而降低静差率、扩大调速范围。其系 统结构框图如图2-2所示 AS K 1只 TAA T s 图2-2单闭环系统结构图 1.12双闭环直流调速系统 单闭环调速系统可以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,避免出现过电流现象,但转速单闭环系统,并 不能按照要求充分控制电流(或电伭转矩)的动态过程。在生产过程中,希望始终保持电 流或电磁转矩为允许的最大值,使调速系统以最大的加速度运行,当打到转速稳定时,最 好使电流立即降下来,使电磁转矩与负毂转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行。 实际上,由于主电路电感的作用,电流不可能突跳,不可能准确的实现。为了实现在 允许条件下的最快起动,关键是要获得段使电流保持为最大值lυ的恒流过程。按照反 馈控制规律,采用某ˆ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。这就要求系统应该在起动过程中只有电流负反馈,没有转 速负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速负反馈,不再让电流负反馈发挥作用。而转 速、电流双闭环直流调速系统的起动过程正符合这样的条件,正因为其起动过程具有上述 优点,因此是目前应用最广泛的直流调速系统。 因此可以引入转速、电流双闭环调速系统,从而实现转速、电流控制作用的优化。如 图2-3、2-4所示 HE TA L ACR UPH 图2-3转速、电流双闭环直流调速系统 青岛科技大学本科课程设计(论文) ASR一转速调节器ACR一电流调节器T一测速发电机 TA电流互感器UPE一电力电子变换器U一转速给定电压 U,一转速反馈电压U,一电流给定电压U,一电流反馈电压 R AC3 UPE U 图24双闭环直流调速系统的电路原理图 为了实现转速和电沇两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节 转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)联接, 如图2-2所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再川电流调节器的输岀去控 制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看,电流环在里面,称为内环;转速环在外边,称 为外环。这就形成了转速、电流双闭环直流调速系统 本次课程设计为满足设计要求,采用转速、电流双闭环直流调速系统。 1.2主电路、励磁电路选择 1.2.1主电路 本次电机选用直流电动机Z2-12(Z2系列外通风他励直流电动机),其功率为125Kw, 车间供电电源为380Vⅴ三相交流电,故而选用三相全控桥式整流电路。如图1-4所示。 本本本 A 220V 或 C 太本本κF D D KP 图1-4三相全控桥式整流电路 变压器接线方式:本次课程设计采用星三角降压起动,在电机启动时将电机接成星型 接线,当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线,以此来减少启动电流对电网的冲击。 相应的其启动力矩只有全电压启动力矩的1/3。结构如图1-5所示。 运动控制系统课程设计 uXw C OSI A B FU11-18 FR2 。0 SBI L FR KM2 OKI KTI -KM2 O-KMI FO X KMI KTI - KM2 KMI KM2 图1-5星三角降压起动电气图 1.2.2励磁电路 由于励磁电路功率小,且不需要在额定转速以上进行速度调节,故可以采川单相全波 不可控整流电路,或三相半波不可控整流电路。原理图如1-4所小。 13系统特性参数计算 1.3.1电枢整流变压器的参数计算 一次相电压和二次相电压 选U1=380V,△联结 (1.21.5)U/A(对于Y型联接) 式中:U2—一整流变压器Y联接式的相电压有效值(V) 电动机电枢额定电压(V) 整流电路系数,三相全控桥A=2.34 安全系数 2、一次相电流、二次相电流 次相电流I=2I2 q 次相电流I2K 式中:I2—二次相电流有效值(A) 【实例截图】
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直流电机双闭环直流调速系统，主电路形式的确定； 励磁电路形式的确定； 3.电枢整流变压器、 励磁整流变压器、 平波电抗器的参数计算； 4.主电路晶闸管、 励磁电路整流二极管的参数计算与选择 ； 5.晶闸管的过电压、 过电流保护电路的设计； 6.晶闸管触发电路的设计； 7.电流检测及转速检测环节的设计； 8.电流调节器、 转速调节器的设计； 9.控制电路所用稳压电源的设计； 10.起停操作控制电路的设计（选做） ； 11.系统的 MATLAB 仿真实验(选做)； 12.书写设计说明书。
运动控制系统课程设计 电机参考数据及设计指标要求 已知数据 1、直流电动机 型号:Z2-112 功率:125kW 电压:220V 电流:635A 转速:1000r/min 效率:90% 最大励磁功率:1380W K轮转矩:GD2-23kgm2 他励电压:220V 过载能力:=1.5 2、车间电源:U=380+5%f=50Hz,电压阶跃变化△U=+40V(10%) 3、电动机负载 起动时负载转矩等于电动机的额定转矩(T-s-Tmcm) 运行中的负载转矩T=(0.250.75)Tnom 负载转矩阶跃变化量|△TL≤0.15Tm 折合到电动札轴上的传动装置及生产机械的飞轮转矩按电动机飞轮 转矩的50%估计,生产机械只单方向运转,且不常起动。 、设计指标要求 a)静态指标:调速比D=nma<mim=100010=10 静差率s<3% b)动态指标:起动超调量:σn%≤10%,σ1%5%, c)扰动产生的动态偏差及恢复时问:Δnmax/nm×1009%≤10%,t≤0.5s d)对起动和停车的快速性均无特别要求。 运动控制系统课程设计 目录 摘要 Abstract 第一章方案设计 1控制方案 1.1单闭环控制系统 1.2双闭环直流调速系统…… 1.2主电路、励磁电路选择. 5 1.2.1主电路 1.2.2励磁电路….6 1.3系统特性参数计算. 6 1.3.1电枢整流变压器的参数计算… 1.3.2劢磁电路变压器的参数计算 1.3.3平波电抗器参数计算. ,音音垂 1.4主电路晶闸管的参数计算. 1.5励磁电路整流二极管的参数计算…… 第二章保护电路设计..………………10 2.1过电压保护. 2.1.1交流侧过电压保护 2.1.2直流侧过电压保护 2过电流保护…… 11 2.2.1产生过电流的原因 2.2.2过电流保护方法 12 第三章控制电路设计.……………13 3.1晶闸管触发电路.…… 13 3.2起停操作控制电路 第四章调节器设计 17 4.1电流调节器的设计..17 4.2转速调节器的设计 20 4.3电流调节器的参数整定 23 4.4转速调节器的参数整定 第杠章系统仿真 27 结语 参考文献 青岛科技大学本科课程设计(论文) 摘要 随着自动化技术的发展,社会生产力得到了极大的提升,自动化技术已经广泛应用于 制造业、农业、交通、航空等众多国民经济、技术领域,极大的提高∫社会生产率。步入 21世纪以来,随着生产规模的扩大,现代工业技术正在向智能化、网络化和集成化的方向 父展。 由于工业生产现场环境的复杂,所以使得工业控制系统得以不断的发展。出现了最优 控制,即系统在一定的约束条件下,其某项性能指标达到最优而实行的控制。而当对象或 环境特性变化时,为了使系统能自行调节,以跟踪这种变化并保持良好的品质,又出现 白适应控制;也岀现了伺服控制。虽然现代控制理论的内容很丰富,与古典控制理论相比 较,它能解决更多更复杂的控制问题,但对于单输入单输出线性定常系统而言,用古典控 制理论来分析和设计,仍是最实用最方使的。比如此次运动控制系统课程设计—基于直 沉电动机Z2-112晶闸管双闭环直流调速系统设计 木次运动控制系统课程设计是以Z2-11!(Z2系列外通风他励直流电动机)直流电动 杋为控制对象,主要涉及转速、电流调节器,保护电路及控制电路。 关键词:直流电动机;双闭环;晶闸管; Matlab; 运动控制系统课程设计 Abstract With the development of automation technology, social productivity has been greatly improved. Automation technology has been widely used in manufacturing agriculture, transportation, aviation and many other fields of national economy and technology, greatly improving social productivity. Since the 2lst century, with the expansion of production scale, modern industrial techno logy is developing towards intellectualization, networking and integration Because of the complexity of the industrial production site environment, the industrial control system has been continuously developed. Optimal control emerges Chat is, under certain constraints, a per formance index of the systen achieves the optimal and practical control. When the object or environment characteristics change, in order to make the system self-adjust to track the change and maintain good quality, adaptive control and servo control appear. although the content of nodern control theory is very rich, compared with classical control theory, il can solve more and more complex control problems, but for siso linear time-invariant systems, the classical control theory is still the most practical and convenient to analyze and design. For example, this course design of motion control systeml is based on the design of DC otor z2-112 thyristor double closed-loop dC speed regulation system This course design of motion control system is based on Z2-111(Z2 series of external ventilation and other excitation DC motor) DC motor as the control object mainly involving speed, current regulator, protection circuit and control circuit. Key words: DC motor; double closed-loop thyristor; MATLAB 运动控制系统课程设计 第一章方案设计 11控制方案 为了实现各种复杂的控制仼务,首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起 来,组成一个系统,这就是自动控制系统。通常,我们把输出量送回到输入端,并与输入 信号相比较产生偏差的过程,称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减,使产生的偏差 越来越小,则称为负反馈:反之,称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行 控制的过程,而且由于引入了被控量的反馈信息,整个控制过程成为闭合过程,因此反馈 控制也称闭环控制。自动控制原理中所讨论的系统主要是闭环控制系统。 在闭环控制理论的基础上发展了单闭环控制系统,双闭环控制系统以及多闭环控制系 统。本次报告介绍单闭环控制控制系统与双灲环控制系统。 1.1.1单闭环控制系统 对于电机的调速系统而言,调速范围和静差率是一对相互制约的性能指标,引入转速 负反馈可有效解决两者矛盾,可实现既要提高调速范围,又要降低静差率。如图1-1所示, 系统的被调节量作为反馈量引入系统,与给定电压信号比较,取其偏差对系统进行控制, 在直流调速系统中,被调节量是转速,转速降落正是由负载引起的偏差,而加入转速闭环 负反馈可有效地抑制甚至消除扰动造成的影响,从而维持被调节量很少变化或不变。 UPE M tg 图1-1带直流调速系统原理图 共调速系统调速过程如下: 被调量是转速n,给定量是转速给定电压Un,在电动机轴上安裝测速发电机 TG( Tachometer generator)用以得到与被测转速成比的反馈电压Un。Un与Un相比较后 得到转速偏差电压△U经过比例放大器A,产生电力电子变换器UPE所需的控制电压 Uε,UPE是相控整流器或者PWM变换器。在调速系统中,比例放大器又称作比例(P调节 运动控制系统课程设计 器。 显然,闭环调速系统能够大大减少转速降落,从而降低静差率、扩大调速范围。其系 统结构框图如图2-2所示 AS K 1只 TAA T s 图2-2单闭环系统结构图 1.12双闭环直流调速系统 单闭环调速系统可以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,避免出现过电流现象,但转速单闭环系统,并 不能按照要求充分控制电流(或电伭转矩)的动态过程。在生产过程中,希望始终保持电 流或电磁转矩为允许的最大值,使调速系统以最大的加速度运行,当打到转速稳定时,最 好使电流立即降下来,使电磁转矩与负毂转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行。 实际上,由于主电路电感的作用,电流不可能突跳,不可能准确的实现。为了实现在 允许条件下的最快起动,关键是要获得段使电流保持为最大值lυ的恒流过程。按照反 馈控制规律,采用某ˆ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。这就要求系统应该在起动过程中只有电流负反馈,没有转 速负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速负反馈,不再让电流负反馈发挥作用。而转 速、电流双闭环直流调速系统的起动过程正符合这样的条件,正因为其起动过程具有上述 优点,因此是目前应用最广泛的直流调速系统。 因此可以引入转速、电流双闭环调速系统,从而实现转速、电流控制作用的优化。如 图2-3、2-4所示 HE TA L ACR UPH 图2-3转速、电流双闭环直流调速系统 青岛科技大学本科课程设计(论文) ASR一转速调节器ACR一电流调节器T一测速发电机 TA电流互感器UPE一电力电子变换器U一转速给定电压 U,一转速反馈电压U,一电流给定电压U,一电流反馈电压 R AC3 UPE U 图24双闭环直流调速系统的电路原理图 为了实现转速和电沇两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节 转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)联接, 如图2-2所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再川电流调节器的输岀去控 制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看,电流环在里面,称为内环;转速环在外边,称 为外环。这就形成了转速、电流双闭环直流调速系统 本次课程设计为满足设计要求,采用转速、电流双闭环直流调速系统。 1.2主电路、励磁电路选择 1.2.1主电路 本次电机选用直流电动机Z2-12(Z2系列外通风他励直流电动机),其功率为125Kw, 车间供电电源为380Vⅴ三相交流电,故而选用三相全控桥式整流电路。如图1-4所示。 本本本 A 220V 或 C 太本本κF D D KP 图1-4三相全控桥式整流电路 变压器接线方式:本次课程设计采用星三角降压起动,在电机启动时将电机接成星型 接线,当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线,以此来减少启动电流对电网的冲击。 相应的其启动力矩只有全电压启动力矩的1/3。结构如图1-5所示。 运动控制系统课程设计 uXw C OSI A B FU11-18 FR2 。0 SBI L FR KM2 OKI KTI -KM2 O-KMI FO X KMI KTI - KM2 KMI KM2 图1-5星三角降压起动电气图 1.2.2励磁电路 由于励磁电路功率小,且不需要在额定转速以上进行速度调节,故可以采川单相全波 不可控整流电路,或三相半波不可控整流电路。原理图如1-4所小。 13系统特性参数计算 1.3.1电枢整流变压器的参数计算 一次相电压和二次相电压 选U1=380V,△联结 (1.21.5)U/A(对于Y型联接) 式中:U2—一整流变压器Y联接式的相电压有效值(V) 电动机电枢额定电压(V) 整流电路系数,三相全控桥A=2.34 安全系数 2、一次相电流、二次相电流 次相电流I=2I2 q 次相电流I2K 式中:I2—二次相电流有效值(A) 【实例截图】
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