直流电动机调速系统课程设计-直流电机转速电流双闭环调速系统设计.doc

直流电动机调速系统课程设计直流电机转速电流双闭环调速系统设计设计报告 设计人： 班级：电气优创0801学号：同组人： 直流电机调速系统设计 目录第一章 设计任务- 1 -一、设计内容：- 1 -二、设计要求：- 1 -三、设计参数：- 1 -第二章 直流电动机转速电流双闭环调速系统设计- 1 -一、转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静态结构图- 1 -1、双闭环调速系统的组成- 1 -2、稳态结构框图- 1 -二、转速、电流双闭环直流调速系统的动态模型- 1 -三、按工程方法设计双闭环系统调节器- 1 -1、电流调节器的设计计算- 1 -2、转速调节器的设计计算- 1 -3 调速系统的开环传递函数- 1 -四、转速调节单闭环实验- 1 -1、原理图各部分电路- 1 -2、测试结果- 1 -五、自我评定- 1 -参考资料- 1 -附录一 速度反馈电路原理图附录二 元件清单第一章 设计任务一、 设计内容： 1、根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统。2、根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，使用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统。二、 设计要求： 1、根据设计要求完成单闭环、双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图 2、 按工程设计方法设计转速单闭环、转速电流双闭环直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量及GM、计算调节器参数、绘制系统动态结构图3、 设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图4、 测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、PWM电压波形、电机电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形提交完整的直流电动机转速单闭环、转速电流双环闭环调速系统设计、测试报告书 三、 设计参数：1、直流电动机参数：PN=20W、UN=24V、IN=1.5A、nN=3000r/min、电枢电阻Ra=1.8电枢电感La=9.76mH、GD2=16.68Ncm2、Tm=35ms2、 测速发电机参数：Un=80V，nN=3000r/min，PN=16W，IN=200mA，负载电阻R=4003、PWM主电路：驱动频率f100kHz，R=2.7+1.8=4.54、设计指标转速电流双闭环直流调速系统：U *n=10V，Uim=10V，Idm=1.5IN，i5%，n10%。 第二章 直流电动机转速电流双闭环调速系统设计一、转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静态结构图1、双闭环调速系统的组成双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 见图2-1中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流, 其启动时间为。图2-1 带有截止负反馈系统启动电流波形实际的调速系统, 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, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图2.1启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最大允许值, 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值, 并且保持不变, 在这个条件下, 转速得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为, 随着转速的上升, 也上升, 达到稳定转速时, 。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大值, 并保持不变。这就要求一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。如下图2-2为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2-2所示。这就是说把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去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、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用调节器。采用型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个调节器分别形成内、外两个闭环的效果。2、稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图2-4所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值。即PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此，而得到下图2-5静特性的CA段。 （2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时 ，从而得到下图2-5静特性的AB段。 这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图2-5的虚线。 图2-5 双闭环直流调速系统的静特性 ASR主导，表现为转速无静差 ACR主导，表现为电流无静差（过电流保护）二、转速、电流双闭环直流调速系统的动态模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图2-6所示。 图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有 （2-1）（2-2）双闭环直流调速系统突加给定电压由静止起动时，转速和电流的动态过程示于下图。 由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图2-7中标明的I、II、III三个阶段.三、按工程方法设计双闭环系统调节器 图2-8 双闭环调速系统的动态结构图 T0i 电流反馈滤波时间常数 T0n 转速反馈滤波时间常数 a电流调节器的作用：（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。b转速调节器的作用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。1、电流调节器的设计计算1-1确定时间常数1 流装置滞后时间常数 2 流滤波时间常数三相桥式电路每个波头的时间是为了基本滤平波头应有 因此取 。3 电枢回路电磁时间常数。4 流环小时间常数之和。1-2选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流误差，可按典型型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性的，可用PI型电流调节器，传递函数为： （2-3）检查对电源电压的抗扰性能 （2-4）参照表23的典型型系统动态抗扰性能是可接受的。1-3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。(2-5)电流开环增益：要求时，取，电流调节器参数电流开环增益：要求时 (2-6)因此 (2-7) (2-8) 于是，ACR的比例系数为 (2-9)1-4校验近似条件 电流环截止频率 ： （1） PWM装置传递函数的近似条件 满足近似条件。（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 （2-10） 满足近似条件。（3） 电流环小时间常数近似处理条件 （2-11） 满足近似条件。1-5 计算调节器电阻和电容由图2-9，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。图2-9 含滤波环节的PI型电流调节器2、转速调节器的设计计算2-1确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则 （2-12） （2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 （2-13） 2-2 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为 （2-14） 2-3 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 （2-15） 则转速环开环增益 （2-16） 可得ASR的比例系数为 （2-17） 式中 电动势常数。 （2-18）2-4检验近似条件转速截止频率为： （2-19） （1）电流环传递函数简化条件为： 满足简化条件。 （2-20）（2）转速环小时间常数近似处理条件为：满足近似条件。 （2-21） 2-5计算调节器电阻和电容根据图2-10 所示，取，则 图2-10含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2-6校核转速超调量当h=5时，查表2-6【1】典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，查表2-6【1】按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。设理想空载起动时，负载系数，已知， ， ，。当时，由附表6.4查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 (2-22） 调速系统开环机械特性的额定稳态速降 为基准值，对应为额定转速。根据式（2-21）计算得 满足设计要求。3 调速系统的开环传递函数，其中;代入已求数据得；应用MATLAB编程画伯德图：其程序为： num=212.7,15088.5;den=0.00282,1,0,0;bode(num,den)Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(num,den)Gm =InfPm =41.1284Wcg =InfWcp =197.4600故系统稳定 图2-11 直流双闭环调速系统伯德四、转速调节单闭环实验在本次设计中，采用了速度反馈脉宽调制直流调速做了实验。1、原理图各部分电路1-1调制波（电压给定）电路如下图图2-12电压给定电路1-2基波（三角波）产生电路如下图所示图2-12基波产生电路1-3脉冲产生电路如下图所示图2-13比较波产生电路1-4 速度反馈电路图2-14速度反馈电路1-5主电路图2-15主电路2、测试结果2-1方波及三角波测试结果图2-16、UPC45701端口输出电压波形 图2-17、UPC45707端口输出电压 波形2-2比较器产生波形图2-18、LM311输出电压波形 图2-19、调节占空比后的LM311输出电压波形图2-20、74HC08与门输出电压波形 图 2-21、TD62084输出端A+、B-波形五、自我评定本次课程设计共分为两部分-双闭环设计部分和单闭环实验部分，每部分的设计心得如下：1、 在设计部分。由于课上讲的是晶闸管触发整流电路，PWM变换器的电路缺少现成的例题可以仿照。在查阅了大量的资料后，并且经过和同学的深刻讨论，课下请教老师后才算出了调节器的参数。通过此次设计我们很好的复习了运动控制系统直流调速部分的内容，对于直流电机的无静差调速有了更深刻的感官上的理解。2、 在实验部分。由于实验室设备的限制，我们用面包板搭制了速度反馈的调速电路，在这个过程中不仅仅是动手能力有了很大的提高，而且对于书本上理论值和现实的效果之间的差距也有了更加深刻的认识。由于时间有限，可以说我们的实验还不算很成功，总结如下：（1） 首先，通过老师的讲解，了解了原理图各部分的功能，对方波发生器、三角波发生器、死区时间一些电路结构有了更深刻的认识。（2） 在试验中我们采取了分部操作，即搭好一块电路，检测一块电路，先是方