电机拖动与自动控制系统》课程设计.docxVIP

广东技术师范学院天河学院 电机拖动与自动控制系统课程设计 系 别： 电气工程系 班 级： 本电气112班 学 号： 2011010143205 学生姓名： 指导老师： 2014 年 11 月2目录1 绪论31.1 直流调速系统概述32 直流电动机工作原理42.1 电动机调速指标53 单闭环直流调速系统63.1 V-M系统简介63.2 三相桥式全控整流电路73.3 闭环调速系统的组成和静特性93.4 反馈控制规律103.5 主要部件113.6 稳定条件123.7 稳态抗扰误差分析134 电路设计和仿真154.1 电路原理154.2 MATLAB仿真165.心得体会20参 考 文 献21附录A 单闭环转速负反馈直流调速系统仿真原理图.221 绪论直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切割机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中 得到了广泛的应用。近年来直流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该很好的掌握直流系统。我们可以首先从单闭环转速负反馈直流调速系统来研究。由于系统需要观察较多的性能，计算参数较多，而MATLAB中的Simulink实用工具可直接构建其动态模型，省去大量的计算，通过修改动态模型可完善系统性能。1.1 直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力传动自动控制系统有调速系统、位置伺服系统、张力控制系统等其他多种类型，各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的驱动控制系统。调速系统目前分为交流和直流调速控制系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好并且具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上更加成熟。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的自动控制系统。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以转换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，建筑、办公、家庭自动化控制设备提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，因此，人类社会的生产、生活发生了巨大变化。随着新型电力电子器件的研究和开发，先进控制技术的发展，电力电子和电力传动控制装置的性能也不断优化和提高，这一变化的影响将越来越大。单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能、低廉的价格越来越被大众接受。2单闭环直流调速系统由整流变压器、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机-发电机、闭环控制系统组成。我们可以通过调节晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。2 直流电动机工作原理如果将直流电压直接加到线圈上，导体中就有直流电流通过。设导体中的电流为i，载流导体在磁场中将受到电磁力f，f=bil，作用于线圈上的电磁转矩T则等于2倍的电磁力乘上力臂，即 （2.1）式（2.1）中，D为电枢外径。若电流i为恒定，转子旋转一周时，气隙磁通密度b的方向为一正一负，因此电磁转矩T将是交变的，一个周期的平均值为0，无法使电枢持续旋转，然而在直流电动机中，电流并非直接接入线圈，而是通过两个电刷和换向器再接入线圈，这样情况就不同了。因为两个电刷静止不动，电流i总是从正极性电刷流入，经过旋转的换向片，由另一个电刷负极性电刷流出。故当导体旋转而交替的处于两个磁极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，并使电动机持续旋转。此时电刷和换向器起到把外部电源流入的直流，改变成线圈内的交流的“逆变”作用。这就是直流电动机的工作原理。2.1 电动机调速指标稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此稳态指标就是调速系统的调速范围和静差率。2.1.1 调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即 （2.2）其中和一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。2.1.2 静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即 （2.3）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。调速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。2.1.3 调速的平滑性相邻两级转速的接近程度叫做调速的平滑性。可用平滑系数来衡量，它是相邻两级转速之比，即 （2.4）越接近于1，平滑性越好。在1.06以下时，可认为转速基本上连续可调，级数接近无穷多，称作无级调速。3 单闭环直流调速系统3.1 V-M系统简介由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统。其原理图如图3.1所示。图中VT是晶闸管变流装置，可以是单向、三相或者更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。用触发脉冲的相位控制整流电压的平均值是晶闸管整流器的主要特点，而且该系统具有调速范围广、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，因此，在工业上得到普遍应用。但是晶闸管还存在以下问题：1）晶闸管的单向导电性给系统的可逆运行带来一些困难；2）晶闸管的过载能力小，要限制过电流和反向过电压，以及电压变化（du/dt）和电流变化率（di/dt），因此必须要有可靠的保护装置和散热条件；3）整流电路的脉波数是有限的，比直流电机每对级下换向片的数目要少的多，因此除非主电路电感L=，否则V-M系统的电流脉动总比G-M系统更为严重。脉动电流产生脉动的转矩，对生产机械不利。4）脉动电流造成较大的谐波分量，流入电网后对电网不利，同时也增加了电机发热。3.2 三相桥式全控整流电路目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图3.2所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。这样晶闸管就按照1到6的顺序导通了。下面简单介绍一下其工作原理：6个晶闸管的脉冲按1到6个顺序，相位依次相差60；共阴极的组的3个晶闸管脉冲依次相差120，共阳极组的3个晶闸管脉冲也依次相差120；同一相的上下两个桥壁的晶闸管脉冲相差180。每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，一个晶闸管是共阳极组的，一个是共阴极组的，且两个晶闸管不在同一相。采用双脉冲触发，两个脉冲前沿相差60，脉宽一般为20-30。当给定某一触发角时，共阴极组中处于通态的晶闸管对应的相电压与共阳极组中处于通态的晶闸管对应的相电压之差，即为输出整流电压，这样通过改变触发角的大小，就可以改变输出整流电压了。当60时的整流电压平均值为： Ud=33+23+6U2sintd(t)=2.34U2cos （3.1）当6090时的电压平均值为： Ud= 33+6U2sintd(t)=2.34U21+cos3+ （3.2）3.3 闭环调速系统的组成和静特性要维持电动机的转速稳定，可引入该物理量的反馈量，构成反馈闭环控制系统。常用的反馈系统有转速反馈、电压反馈和电流反馈系统，本文采用转速反馈。在电动机轴上安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与转速给定电压Un*相比较后，得到偏差电压Un，经过放大器A，产生触发装置GT的控制电压Uct，用以控制电动机转速。其原理图如图3.3所示。只要转速出现偏差，该系统就会自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，该系统可大大减少转速降落。下面分析这个闭环调速系统的稳定性。为了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各种非线性因素，假定各环节的输入输出关系都是线性的；（2） 假定只工作在V-M系统开环机械特性的连续段;（3） 忽略直流电源和电位器的内阻。各环节稳态关系如下：电压比较环节： ；放大器： ；V-M系统开环机械特性： ；晶闸管整流器与触发装置： ；测速发电机： ；以上各关系式中放大器的电压放大系数：晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数；测速反馈系数，单位为Vmin/r；整理上述五个式子，得到转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式 （3.8）式（3.8）中为闭环系统的开环放大系数，此处以作为电动机环节的放大系数。闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，其稳态结构图如图3.4所示。 图3.4 转速负反馈闭环调速系统稳态结构图3.4 反馈控制规律从上面分析可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统的稳定性影响很大，K越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广。总之K越大，稳态性能就越好。然而，只要所设置的放大器仅仅是一个比例放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降为 （3.9）只有K=才能使，而这是不可能的。3.5 主要部件3.5.1 比例放大器运算放大器用作比例放大器（也称比例调节器、P调节器），如图3.5，为放大器的输入和输出电压，为同相输入端的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响，放大系数为3.5.2 比例积分放大器在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高、中、低三个频段，频段的界限是大致的。图6为一种典型伯德图的对数幅频特性。一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI调节器。采用运算放大器的PI调节器如图3.8。PI调节器的传递函数为 （3.11）PI调节器比例放大部分的放大系统；PI调节器的积分时间常数。式（3.11）的传递函数也可以写成如下的形式 （3.12）式（3.12）中PI调节器的超前时间常数。反映系统性能的伯德图特征有以下四个方面：a.中频段以 -20dB/dec的斜率穿越零分贝线，而且这一斜率占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好；b.截止频率越高，则系统的快速性越好；c.频段的斜率陡、增益高，表示系统的稳态精度好（即静差率小，调速范围宽）；d.频段衰减得越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声的能力越强。用来衡量最小相位系统稳定程度的指标是相角裕度和以分贝表示的幅值裕度Lg。稳定裕度能间接的反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大意味着振荡弱、超调小。将P调节器换成PI调节器，在原始系统上新添加部分的传递函数为： （3.13）其对数幅频特性如图3.10所示。 由图3.9可以看出比例积分的物理意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以保证一定的快速控制作用。但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，因为快速性被压低了，换来稳定性的保证。作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求；作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。3.6 稳定条件反馈控制闭环调速系统的特征方程为 （3.14）稳定条件为 （3.15）整理后得 （3.16）式（3.16）中右边称作系统的临界放大系统，K值超出此值，系统就不稳定。根据上面的分析可知，可能出现系统的临界放大系数都比系统稳态时的比放大系数小，不能同时满足稳态性能指标，又保证稳定和稳定裕度。为此必须再设计合适的校正装置，以改造系统，才能达到要求。3.7 稳态抗扰误差分析3.7.1 比例控制时的稳态抗扰误差采用比例调节器的闭环控制有静差调速系统的动态结构图如图3.11。当时，只扰动输入量，这时的输出量即为负载扰动引起的转速偏差n，可将动态结构图改画的形式如图3.12。图3.11采用比例调节器的闭环有静差 图3.12 给定为0时采用比例调节器的调速系统结构图的一般情况 闭环有静差调速系统结构图负载扰动引起的稳态速差： （3.17）这和静特性分析的结果是完全一致的。3.7.2 积分控制时的稳态抗扰误差将图3.12比例调节器换成积分调节器如图3.13突加负载时，于是 （3.18）负载扰动引起的稳态速差为 （3.19）可见，积分控制的调速系统是无静差的。3.7.3 比例积分控制时的稳态抗扰误差用比例积分调节器控制的闭环调速系统的动态结构如图3.14。图3.13 给定为0时采用积分调节器图 图3.14 给定为0时采用比例积分调节器的闭环调速系统结构图 的闭环调速系统工程结构图则稳态速差为 （3.20）因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。3.7.4 稳态抗扰误差与系统结构的关系上述分析表明，就稳态抗扰性能来说，比例控制系统是有静差的，而积分控制和比例积分控制系统都没有静差。显然，只要调节器中有积分成份，系统就是无静差的。只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，则外扰动便不会引起稳态误差。4 电路设计和仿真该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，和晶闸管同步脉冲触发电路，用来调节晶闸管的控制角。测速模块把测得的转速反馈到输入中。4.1 电路原理选用转速为反馈量，采用变电压调节方式，设计单闭环直流调速系统，其原理图如图4.1所示，该系统可实现对直流电机的无级平滑调速。图4.1 单闭环转速负反馈直流调速系统原理图图4-1 单闭环转速负反馈直流调速系统原理图该系统由整流变压器、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机-发电机和测速反馈组组成。图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经速度变化后接到电流调节器的输入端，与给定的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压Uct，用其作为控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变三相全控整流的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环控制系统。电动机的转速随给定电压变化，电动机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，电流调节器采用比例（P）调节，对阶跃输入有稳态误差，想要消除上述误差，须将调节器换成比例积分（PI）调节。这时当给定电压恒定时，闭环系统起到了抑制所用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转速稳定在一定的范围之中。4.2 MATLAB仿真（1）触发电路的建模子系统封装：4.2.1 仿真结果点击运行，查看示波器，波形如图4.14所示：图4.14 仿真波形图图4.14表示转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩仿真波形，其中横坐标表示时间/s，纵坐标分别表示r/min、A、A和Nm，通过分析可知，该仿真结果与实际运行结果是相似的，说明系统的建模和仿真是成功的。5.心得体会经过为期一周的研究与设计，本