大功率直流电动机调速装置设计所有专业(编辑修改稿)

大功率直流电动机调速装置设计所有专业(编辑修改稿)内容摘要：

测速方法的确定和实现 M法又称又称测频法，其测速原理是在给定的检测时间内，对光电编码器输出的脉冲信号进行计数的测速方法， M法测速大多数用在测量高转速，因为对于确定的光电编码器线数 N是一定的，和给定的检测时间内，转速越高，计数脉冲 M越大脉冲也就越小；T法也被称作测周期法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号的脉冲进行记数，为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此 T法测速用于低转速测量，但是转速过低，光电编码器输出脉冲的时间过 长，时钟脉冲数就有可能超过计数的最大值而产生溢出，此外时间过长还会影响控制系统的快速性。 与 M法测速一样选用线数相对较多的光电编码器，也能提高电机转速测量的快速性和精度；另一种测速方法是结合 M法和T法的测速特点产生了一种 M/T的测速方法，即在规定的时间范围里，同时对时钟脉冲数和光电编码器输出的脉冲数同时计数，有公式计算出转速。 采用 M/T法不论是在高速还是在低速测量时都具有较强的分辨能力和测量精度，转速覆盖范围广，在电动机转速齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 6 测量中应用十分广泛， 所以本设计采用 M/T测速法测速。 已知旋转编码器每转发出 N个脉冲（ N=1024），在被系统中用单片机的 INT0（ ）对在检测周期内发出的脉冲数进行记数，记数值是 1M 则转角  可以表示成： NM12 （ 24） 已知单片机的时钟频率是 0f ，用单片机 INT1()在检测周期 T 内时钟脉冲计数值为 2M ,则检测周期 T 可以写成： 02fMT （ 25） 检测周期 T 内被测转轴的转角  ，则有： 602 nT （ 26） 综合式（ 24） ,式（ 25）和（ 26）求出被测转速为： 21060NMMfn （ 27） 控制系统方案的选择 单闭环系统 的 组成和分析 在转速单闭环直流调速系统中如图 23所示，应用了 PI调节器之后可以实现转速无静差控制，应用了电流截止负反馈环用来限制电流的冲击，避免出现过流现象。 作为转速负反馈系统，系统的被调节的量是转速，所以检测的误差是转速，它要消除的也是扰动对转速的影响。 所以转速单闭环系统不能控制电流（转矩）的动态过程。 但是在调速系统中有两类情况对电流的控制提出了新的指标：一是启制动对时间的控制问题，二是由于载扰动对电流控制问题。 对 于经常正反转运行的调速系统，应尽可能的减少启动制动过程的时间，达到图 的理想过渡过程的曲线，完成最优控制。 就是在过渡过程中应保持转矩为最大值，使得直流电机尽可能以最大加速度或减速度，达到我们预先设定的转速，马上让励磁转矩与负载相平衡，使转速以恒定的速度运行。 即在在过渡过程中始终保持转矩应为最大值，使直流电动机以最大加速度，减速。 达到给定转速时，立即让电磁转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。 所以为了满足控制要求本设计采用了双闭环 PI调节。 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 7 图 23 转速负反馈单闭环直流调速系统动态结构图 双闭环调节器 的 组成和分析 在实际生产应用中，由于主电路中都存在电感作用，电流无法突变，图 24所示的理想过渡过程只能得到近似的逼近，其关键是要获得使电流保持最大值 dmI 的恒流启制动过程，所以提出了双闭环调节系统。 双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外 , 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求 ,尤其是在机床控制方面，这就需要一个电 流截止负反馈系统。 图 24 时间最优的理想控制过程 电流截止负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而把电流控制在所需值上。 但是根据反馈控制原理，对某一变量对其作负反馈控制就能实现对该变量的无差控制。 用一个调节器无法兼顾对转速和电流的控制。 如果在系统中另设一个电流调节器，就可以构成电流闭环。 Id Idm n 0 Idl Idm t Kp 1sTKss 1/12  sTsTT Cmhme )1( sTR s  *Un Un Un Uc 0Ud E n Id 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 8 由图 25启动电流的变化特性可知，在 电机启动时 , 启动电流很快加大到电机所允许过载能力值 dmI , 而且是恒定不变 , 在这种条件下 ,转速程线性增长，当达到我们设定的值时，电动机的电流又迅速下降到能够克服负载所需的电流 fzI 值 ，于是这就要求晶闸管的电压在一开始启动的时候应为 dmIR ，由于转速电机转速 n上升， dm eU I R C n 也上升 , 达到稳转速时 , fz eU I R C n.这种情况就要求电动机在启动过程中把电流作为被调节量，并保持在电动机电流允 许的最大值 dmI ，这就需要设计一个电流调节器。 因此电流调节器和速度调节器所构成的双闭环调速系统在这种控制要求下产生了 [4]。 图 25 带截止负反馈系统启动电流波形 图 26 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图 为了能够实现电流和转 速两个负反馈都能起作用，在系统中分别设置了电流调节器和速度调节器，把他们串级相连，如图 26 所示。 这就是说把转速调节器的输出作为电dmI I 1t 2t FZIfz ASR UPE M—— *nU iU iU* + dU cU TA V dI ACR TG + nU + n 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 9 流调节器的输入，再由电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置，从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环 ， 转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速和电流的双闭环调速系统。 双闭环系统调节器的设计 电流调节器的设计 1. 时间常数的确定 （ 1） 三相整流装置的滞后时间常数，即平均时空时间 Ts=。 （ 2）三相桥式电路中每个波头的时间为 ，确保能够滤平波头，应有（ 1~2） 个 ，所以电流滤波时间常数 oiT =2ms=。 （ 3）按照小时间常数近似计算，电流环的小时间常数之和 = T s+ T o i= 0 .0 0 3 7 siT。 （ 4）电枢回路电磁时间常数。 RLT ll  （ 28） 2. 电流调节器的结构的选择 根据任务要求 5%i ，并保证稳态电流无静差，可按典型 I 型系统来设计电流调节器。 电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型调节器，其传递函数为 ： () ( 1)iiAC R s iKsW s  （ 29） 式中 iK —— 电流调节器的比例系数 i —— 电流调节器的超前时间常数 表 2 1 典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系 KT 阻尼比  超调量  0% % % % % 上升时间 rt  峰值时间 pt  相角稳定裕度       截止频率 c 检查对电源电压的抗扰性能：ilTT  ，参表 21 的典型 I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型 I 型系统设计。 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 10 3. 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数： li T = 电流开环增益：要求 5%i 时，取   所以 10 . 5 0 . 5 1 3 5 . 10 . 0 0 3 7I iKsTs    （ 210） 于是电流调节器的比例系数是： siIi K RKK   = （ 211） 式中，  为电流反馈系数其值为  NIV  ；晶闸管装置放大系数 Ks=36。 4. 近似条件的校验 有上面的计算可知：电流环截止频率 IKs  （ 1） 晶闸管整流装置的传递函数近似为： 111 1 9 6 . 13 3 0 . 0 0 1 7 cis sTs    （ 212） （ 2） 反电动势的改变对电流环的影像忽略不计近似条件： lmTT13  cis   13 （ 213） （ 3） 处理电流环小时间常数的近似条件： 11 1 1 1 1 8 0 . 7 83 3 0 . 0 0 1 7 0 . 0 0 2 cis o i sT T s s    （ 214） 其中式（ 212）、式（ 213）和式（ 214）均满足近似条件 转速调节器的设计 1. 时间常数的确定 （ 1） 电流环时间常数等效为 1/KI,由前述已知，   ，则： 1 2 2 0 . 0 0 3 7 0 . 0 0 7 4iI T s sK     （ 215） （ 2） 转速滤波的时间常数 onT ，取 =。 （ 3） 按照小时间常数近似处理转速时间常数 nT ，取 1 0 .0 0 7 4 0 .0 1 0 .0 1 7 4n o nIT T s s sK      （ 216） 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 11 2. 转速调节器结构的选择 按照设计要求，选则 PI 调节器，它的传递函数式为： ( 1 )() nnASR nKsWs s  （ 217） 3. 计算转速调节器的参数 按照跟随性和抗扰性能都比较好的原则，先取 h=5，所以转速调节器的超前时间常数为： =h =5 74s = snnT   （ 218） 则转速环的开环增益 K 222 2 2 216 3 9 6 . 42 2 5 0 . 0 1 7 4N nh sshT    （ 219） 可得转速调节器的比例系数为   1    n men TRh TChK   （ 220） 式中 电动势常数 1500  N aNNe n RIUC rVmin/. 转速反馈系数 rVr V m i n/. i n/1500 10  4. 近似条件的校验 转速截止频率是： 111。