闭环直流电机控制系统结构设计

.闭环直流机电控制系统结构设计第 1 章概述目前调速系统分为交流调速和直流调速系统 , 由于直流电动机具有良好的起、制动性能,调速围广,静差率小,稳定性好以及具有良好的动态性能,在不少需要调速或者快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来,高性能交流调速技术发展很快 ,随着其应用围的逐渐扩大,有着取代直流调速系统的发展趋势。

为了提高直流调速系统的动态、静态性能,通常要采用闭环控制系统。

在对调速指标要求不高的场合 ,采用转速单闭环系统是最经济的选择 ,正因为这样 ,单闭环直流机电调速系统在日常生活中的应用越来越广泛 ,其良好的调速性能也被大众所认同。

闭环系统把一部份的输出信号反馈回输入端,与输入端的信号进行比较 ,其差值作为实际的输入信号 ,能自动地调节输入量,提高系统的稳定性。

在对调速系统有较高要求的领域,常利用直流电动机 ,然而,直流电动机开环系统稳定性不高 ,系统有较大转速差 ,不能够满足要求,所以可以利用转速单闭环系统来提高稳态精度。

但是,采用比例调节器的负反馈调速系统还是有静差的 ,为了消除系统静差 ,可以采用积分调节器代替比例调节器。

单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、测速发机电、闭环控制系统组成。

通过调整晶闸管的控制角来调节转速 ,非常方便,高效。

.直流电动机有三种调速方法：①改变电枢电压调速②改变励磁磁通调速③改变电枢回路电阻调速对于要求在一定围无级平滑调速的系统来说 ,以调节电枢电压的调速方式是最好的。

减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速围小,只能在基速上作小围弱磁升速。

改变电阻只能实现有极调速。

对于小功率调速系统调压调速的实现也是非常简单的。

所以本设计方案确定调速方式为调压调速。

调节电枢电压需要有专门的可控直流电源,时常采用的 3 种直流电源如下：①旋转变流机组：由交流机电和直流机电组成,以获得可调的直流电压。

②静止式可控整流器：用静止式可控整流器也可获得可调的直流电压。

③直流斩波器\脉宽调制变换器：利用电力电子开关器件斩波或者进行脉宽调制,产生可变平均电压。

旋转变流机组组成的〔V-M 调速系统需要至少两台与调速电动机容量相当的旋转机电,还要一台励磁发机电,因此设备多,体积大,费用高,效率低,安装须打地基,运行有噪声,维护不方便,所以基本不被采用。

由全控型电力电子器件组成的 PWM 调速系统比较先进,可靠性高、不会失控〔避免了逆变颠覆恶性故障发生且功率因数为 1 〔节能减排 ,缺点是价格〔成本太高了。

晶闸管整流控制直流的技术虽然落后了,但是技术成熟、价格〔成本低廉,虽然对电网依赖性强,容易失控导致逆变颠覆,但对于不可逆小功率机电控制系统来说不必考虑逆变颠覆的情况,在考虑到成本的情况下,选择晶闸管是最优的。

由于直流电动机开环系统稳定性不高 ,系统有较大转速降落 ,不能够.满足要求,所以采用转速单闭环系统来提高稳态精度。

综合上述情况,本设计采用由晶闸管组成的不可逆单闭环直流调压调速。

由自动控制原理可知 ,反馈控制的闭环调速系统是按被控量的偏差进行控制的系统,只要被调量浮现偏差,它就会自动产生纠正偏差的作用。

调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差 ,引入转速反馈环的调速系统可以大大减少转速落差。

图 2-1 系统控制原理图与电动机同轴安装一台测速发机电TG,从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 Un,与给定电压 Un*相比较后,得到转速偏差电压△Un,经过放大器A,产生电力电子变换器UPE 所需的控制电压Uc,用以控制电动机的转速。

这样的反馈控制系统按被调量〔转速 n 的偏差进行控制,只要被调量浮现偏差,它就会自动产生纠正偏差的作用。

这里的平波电抗器用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。

.由于三相半波可控整流电路在其变压器的二次电流中含有直流分量 ,不适合变压器的长期运行,所以不予采用。

本设计采用三相桥式全控整流电路。

图 3-1 主电路原理图根据机电参数 U =U =220V,I =I =12.35A,忽略晶闸管导通d N d N压降,由三相全控整流电路平均值公式：当α=0 时解得:U =90.0V2I =0.816I =10.10A2 d由得变压器容量:S=1.57kw加在管子上的最大反向电压:=220.4V流过管子的平均电流:Iv=Id/3=4.12A所以可选额定电流为 10A 〔考虑到两倍裕量 ,最大反向工作电压为100-1000V 的整流二极管。

由于本设计对高速型能要求不高 ,考虑到成本所以选择普通〔螺栓型号为 KP-10 的晶闸管。

.在电源设计中,滤波电容的选取原则是,对于 50HZ 的正弦交流电的整流滤波来说：电容的耐压≥ 电压有效值〔 1+30%大电容C≥2.5T/R,即 C 的大小：RC≥〔3--5×0.1s由于Ra=1.7 Ω ,取C≥<0.016854-0.028089>F。

大电容在电路中,负载越重,吸收电流的能力越强,这个电容的容量应该取得很大。

C 的值应大于16854μF,这里取18000μF,用两个电容 C0、C1 串联组成,即每一个电容 9000 μF,固然,若经济允许取到C≥5T/R 都没问题。

本设计电容耐压300V。

小电容 C1 的耐压取 300V,电容量凭经验,普通104 μF 即可。

〔mH>三相全控桥中 K1=0.693；U2Φ=0.46；最小负载电流〔对应直流机电最小机械负载普通取电动机额定电流的 5%-10%。

这里取 Idmin=10%IN=1.24A。

所以 L1=0.26mH。

常用的过电流保护方法有：限流控制保护、控制极脉冲封锁〔动作时间在10ms 摆布、快速熔断器保护。

本设计直接采用快速熔断器保护。

本设计使用组容吸收电路 ,即在晶闸管器件上并联电阻电容。

它的作用是保护晶闸管器件关断引起的过电压。

因电容 C 两端电压不能突变,可吸收关断时引起的反向尖峰电压。

电阻 R 有两个作用,一是阻挠 LC 电路发生振荡〔因电路总有电感 L 存在,二是限制晶闸管导通时电容 C 放电电流的上升率。

图 3-2 过压保护电路.本系统控制回路由转速闭环回路 ,触发电路,和电流截止负反馈电路组成 , 其电路原理图如下所示。

图 4-1 转速负反馈原理图〔带电流截止负反馈本设置使用了电流截止负反馈 ,主要使用霍尔电流传感器对电流进行检测,传感器串联如电枢回路中。

有电流流过时,在输出端产生偏差电压 ,经过分压电阻调节 ,输入到电流截止负反馈环中。

随着技术的发展 ,集成的电力电子触发电路已经非常成熟,而且价格低廉。

所以本设计主要使用 TC787<AP>这款芯片。

TC787<AP>是采用先进 IC 工艺设计制作的单片集成电路,合用于三相可控硅移相触发电路 ,能构成多种调压调 装置。

该电路作为 TCA785 的换代产品,与目前国市场上流行的 KC 系列 电路相比,具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相围宽, 外接元件少等优点；而且装调简便 ,使用可靠。

只需要一块这样的集成电 路,就可以完成三块 TCA785 或者五块 KC 系列器件组合〔三块 KC009 或者 KC004,一块 KC041,一块 KC042 才干具有的三相移相功能。

其为提高整机 寿命,缩小体积,降低成本提供了一种新的更加有效的途径。

该芯片特点如下：1.电路采用单电源工作,电源电压 8V~15V 。

2.三相触发脉冲调相角可在 0~180°之间连续同步改变。

图 4-2 管脚图 速和变流.3.识别零点可靠,可方便地用作过零开关。

4.器件部设计有交相锁定电路,抗干扰能力强。

5.可用于三相全控触发〔6 脚接 VDD,也可用于三相半控触发〔6 脚接地。

6.电路备有输出保护禁止端,可在过流过压时保护系统安全。

7.TC787 输出为调制脉冲列,合用于触发可控硅及感性负载。

8.调制脉冲或者方波的宽度可根据需要通过改变电容 Cx 而选择。

电路原理：三相同步电压经过 T 型网络进入电路,同步电压的零点设计为 1/2电源电压〔电路输入端同步电压峰峰值不宜大于电源电压 ,通过过零检测和极性判别电路检测出零点和极性后 ,在 Ca、Cb、Cc 三个电容上积分形成锯齿波。

由于采用集中式恒流源,相对误差极小,锯齿波有良好的线性。

电容的选取应相对误差小 ,产生锯齿波幅度大且不平顶为宜。

锯齿波在比较器中与移相电压比较取得交相点 ,移相电压由 4 脚通过电位器或者外电路调节而取得。

抗干扰电路具有锁定功能 ,在交相点以后锯齿波或者移相电压的波动将不能影响输出 ,保证交相惟一并且稳定。

脉冲形成电路是由脉冲发生器给出调制脉冲〔TC787,调制脉冲宽度可通过改变 Cx 电容的值来确定,需要宽则增大 Cx,窄则减小 Cx, 1000P 电容约产生100 μS 的脉冲宽度。

被调制脉冲的频率-8/调制脉冲宽度。

脉冲分配及驱动电路是由 6 脚控制脉冲分配的输出方式,6 脚接高电平VH,输出为全控方式,分别输出A、-C；-C、B；B、-A；-A、C；C、-B；-B、A 的双触发脉冲,用户可以选择。

5脚为保护端,当系统浮现过流过压时,将 5 脚置高电平 VH,输出脉冲即被禁止。

5 脚还可以用作过零触发系统的控制端 ,输出端可驱动功率管,经脉冲变压器触发可控硅；也可直接驱动光电耦合器,经隔离触发可控硅或者驱动三级管。

图 4-3 TC787<AP> 部结构图 4-4 触发脉冲芯片电路.Z-22 型直流机电参数：机电极对数<p>：1额定电压〔U ：220VN额定电流〔I ：12.35AN电枢电阻〔Ra：1.7 Ω励磁电流〔I >：0.34Af额定转速〔n ：3000r/minN机电转动惯量<J>：0.055kg ·m2(1)计算机电参数励磁电感 L 在恒定磁场控制下可取 0,则f电枢电感估算为：因为因此励磁电阻额定负载转矩为被设计的给定电压围〔U ：0~10VN转速反馈系数在 Simulink 仿真环境下的实验步骤：①绘制系统仿真结构图,如同 5-1 所示。

并设置好相关参数。

在各处观察点设置示波器模块。

②对仿真模式进行设置,系统默认的仿真算法为 ode45,由于系统结构复杂,该算法仿真过慢,所以修改为 ode15s。

在该算法下,系统仿真速度合适,但是引入了误差。

但该误差不影响仿真结果。

③启动仿真。

图 5-1 系统仿真结构.为了解决反馈控制单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题 ,系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。

根据反馈控制的基本概念 ,要维持某个物理量基本不变,只要引入该物理的负反馈就可以了。

由于电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软 ,不能满足普通调速系统的要求 , 电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在 ,在正常运行时必须去掉, 使电流能自由地随着负载增减 ,所以要用到 Dead Zone 〔死区模块来限制截止负反馈的时间。