直流电机双闭环系统课程设计.doc

目录 1 绪论 1 1 1 直流调速系统的概述 1 1 1 1 直流电动机的调速方法 1 1 2 PWM 的相关介绍 2 2 总体方案设计 3 2 1 方案比较 3 2 2 方案论证 4 2 3 方案选择 4 2 4 设计内容和要求 5 2 4 1 设计内容 5 2 4 2 设计要求 5 2 4 3 设计参数 6 3 单元模块设计 6 3 1 转速给定电路设计 6 3 2 转速检测电路设计 7 3 3 电流检测电路设计 7 3 4 整流及晶闸管保护电路设计 8 4 双闭环直流调速系统设计 9 4 1 转速 电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 9 4 1 1 双闭环调速系统的组成 9 4 1 2 稳态结构框图和静特性 11 4 1 3 稳态参数计算 13 4 2 转速 电流双闭环直流调速系统的动态模型 13 4 2 1 动态抗扰性能分析 15 4 3 调节器的设计 17 4 3 1 电流调节器的设计 17 4 3 2 转速调节器的设计 19 4 3 3 调速系统的开环传递函数 21 5 系统调试 22 5 1 系统 MATLAB 仿真 22 5 2 系统的建模与参数设置 22 5 3 系统仿真结果的输出及结果分析 23 6 单闭环直流调速系统设计 23 6 1 闭环调速系统的组成及其静特性 24 6 1 1 系统组成 24 6 1 2 静特性 25 6 2 稳态参数计算 25 6 3 传递函数 26 总 结 28 致 谢 29 参考文献 30 直流电机双闭环调速系统 1 绪论 1 1 直流调速系统的概述 三十多年来 直流电机调速控制经历了重大的变革 首先实现了整流器的更新换 代 以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流 电气传动完成了一次大的跃进 同时 控制电路已经实现高集成化 小型化 高可靠 性及低成本 以上技术的应用 使直流调速系统的性能指标大幅提高 应用范围不断 扩大 直流调速技术不断发展 走向成熟化 完善化 系列化 标准化 在可逆脉宽 调速 高精度的电气传动领域中仍然难以替代 直流调速是指人为地或自动地改变直 流电动机的转速 以满足工作机械的要求 从机械特性上看 就是通过改变电动机的参 数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性 从而改变电动机机械特性和工作特性 机械特性的交点 使电动机的稳定运转速度发生变化 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 属切削机床 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 交流调速系统发展很快 然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比 较成熟 并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 所以直 流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用 1 1 1 直流电动机的调速方法 1 调节电枢供电电压 U 改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压 从电动机额定转速向下变速 属恒转矩调速方法 对于要求在一定范围内无级平滑调 速的系统来说 这种方法最好 变化遇到的时间常数较小 能快速响应 但是需要 a I 大容量可调直流电源 2 改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速 但只能减弱磁通进 行调速 简称弱磁调速 从电机额定转速向上调速 属恒功率调速方法 变化时间 f I 遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多 a I 3 改变电枢回路电阻 R 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法 设备简 单 操作方便 但是只能进行有级调速 调速平滑性差 机械特性较软 空载时几乎 没什么调速作用 还会在调速电阻上消耗大量电能 改变电阻调速缺点很多 目前很少采用 仅在有些起重机 卷扬机及电车等调速 性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用 弱磁调速范围不大 往往是和 调压调速配合使用 在额定转速以上作小范围的升速 对于要求在一定范围内无级平 滑调速的系统来说 以调节电枢供电电压的方式为最好 因此 自动控制的直流调速 系统往往以调压调速为主速 改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法 调节电枢供电电压需要有专 直流电机双闭环调速系统 门的可控直流电源 常用的可控直流电源有以下三种 1 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 以获得可调的直流电压 2 静止可控整流器 用静止的可控整流器 如汞弧整流器和晶闸管整流装置 产生 可调的直流电压 3 直流斩波器或脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不可控整流电源供电 利用直 流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压 1 2 PWM 的相关介绍 脉宽调制的全称为 Pulse WidthModulator 简称 PWM 由于它的特殊性能 常被用于直流负载回路中 灯具调光或直流电动机调速 HW 1020 型调速器 就 是利用脉宽调制 PWM 原理制作的马达调速器 PWM 调速器已经在 工业直流电机 调速 工业传送带调速 灯光照明调解 计算机电源散热 直流电扇等 得到广泛 应用 自从全控型电力电子器件问世以后 就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制 方式 形成了脉宽调制变换器 直流电动机调速系统 简称直流脉宽调速系统 或直流 PWM 调速系统 与 V M 系统相比 PWM 系统在很多方面有较大的优越性 主电路简单 需用的电力电子器件少 开关频率高 电流容易连续 谐波少 电机损耗及发热都较 小 低速性能好 稳速精度高 调速范围宽 可达 1 10000 左右 若与快速响应的电 动机配合 则系统频带宽 动态响应快 动态抗干扰能力强 电力电子开关器件工作 在开关状态 导通损耗小 当开关频率适当时 开关损耗也不大 因而装置效率较高 直流电源采用不控整流时 电网功率因数比相控整流器高 因而 PWM 调速系统的应用 日益广泛 特别是在中 小容量的高动态性能系统中 已经完全取代了 V M 系统 2 总体方案设计 2 1 方案比较 方案一 单闭环直流调速系统 直流电机双闭环调速系统 单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统 在电动机轴 上装一台测速发电机 SF 引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后 得偏差 电压 U 经放大器 FD 产生触发装置 CF 的控制电压Uk 用以控制电动机的转速 如 图 2 1 所示 图 2 1 方案一原理框图 方案二 双闭环直流调速系统 该方案主要由给定环节 ASR ACR 触发器和整流装置环节 速度检测环节以及 电流检测环节组成 为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用 系统设置了电流调 节器 ACR 和转速调节器 ASR 电流调节器 ACR 和电流检测反馈回路构成了电流环 转速 调节器 ASR 和转速检测反馈回路构成转速环 称为双闭环调速系统 因转速环包围电 流环 故称电流环为内环 转速环为外环 在电路中 ASR 和 ACR 串联 即把 ASR 的输 出当做 ACR 的输入 再由 ACR 得输出去控制晶闸管整流器的触发器 为了获得良好的 静 动态性能 转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的 PI 调节器 且转速和电流都采用负反馈闭环 该方案的原理框图如图 2 2 所示 图 2 2 方案二原理框图 直流电机双闭环调速系统 2 2 方案论证 方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m 2 3 6 12 其 数目总是有限的 比直流电机每对极下换向片的数目要少得多 因此 除非主电路电感L 否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响 主要有 1 脉动电流产生 脉动转矩 对生产机械不利 2 脉动电流 斜波电流 流入电源 对电网不利 同时也增 加电机的发热 并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外 还含有交流分量 把交流分量引到运算放大器输入端 不仅不起正常的调节作用 反而会产生干扰 严重时 会造成放大器局部饱和 从而破坏系统的正常工作 方案二采用双闭环转速电流调节方法 虽然相对成本较高 但保证了系统的可靠 性能 保证了对生产工艺的要求的满足 既保证了稳态后速度的稳定 同时也兼顾了 启动时启动电流的动态过程 在启动过程的主要阶段 只有电流负反馈 没有转速负 反馈 不让电流负反馈发挥主要作用 既能控制转速 实现转速无静差调节 又能控 制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程 很好的满足了生 产需求 2 3 方案选择 1 在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号 各参数间相互影响 难于进 行调节器动态参数的调整 系统的动态性能不够好 2 系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流 不能充分利用电动机的过载 能力获得最快的动态响应 即最佳过渡过程 为了获得近似理想的过度过程 并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点 最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制 用两个调节器分别调 节转速和电流 构成转速 电流双闭环调速系统 所以本文选择方案二作为设计的最 终方案 而由于电机上网容量较大 又要求电流的脉动小 故选用三相全控桥式整流 电路供电方案 电动机额定电压为 220V 为保证供电质量 应采用三相减压变压器将 电源电压降低 为避免三次谐波电动势的不良影响 三次谐波电流对电源的干扰 主 变压器采用 A D 联结 因调速精度要求较高 故选用转速负反馈调速系统 采用电流截止负反馈进行限 流保护 出现故障电流时过电流继电器切断主电路电源 为使线路简单 工作可靠 装置体积小 宜采用 KJ004 组成的六脉冲集成触发电 路 该系统采用减压调速方案 故励磁应保持恒定 励磁绕组采用三相不控桥式整流 直流电机双闭环调速系统 电路供电 电源可从主变压器二次侧引入 为保证先加励磁后加电枢电压 主接触器 主触点应在励磁绕组通电后方可闭合 同时设有弱磁保护环节 电动机的额定电压为 220V 为保证供电质量 应采用三相减压变压器将电源电压 降低 为避免三次谐波电动势的不良影响 三次谐波电流对电源的干扰 主变压器采 用 D Y 联结 2 4 设计内容和要求 2 4 1 设计内容 一 根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统 二 根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统 并利用模拟电路元件实现转速单闭 环直流调速系统 2 4 2 设计要求 一 根据设计要求完成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 二 按工程设计方法设计转速电流双闭环直流调速系统的调节器 选择调节器结构 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 三 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 四 测试单闭环调速系统的转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路的相关波形 五 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 2 4 3 设计参数 一 直流电动机参数 PN 20W UN 24V IN 1 5A nN 3000r min 电枢电阻 Ra 1 8 电枢回路总电阻 R 4 5 电枢电感 La 6 76mH GD2 15 68N cm2 Tm 30ms Tl 2 2ms 测速发电机参数 Un 80V nN 3000r min PN 16W IN 200mA 负载电阻 R 400 二 PWM 主电路 驱动频率 f 10kHz 三 设计指标 转速单闭环直流调速系统 D 20 s 5 转速电流双闭环直流调速系统 U n 5V Uim 5V Idm 1 5IN i 5 n 10 3 单元模块设计 根据设计要求 本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路 转速检测电路 电流检测电路 控制电路 整流及晶闸管保护电路 电源等几个部分 直流电机双闭环调速系统 3 1 转速给定电路设计 转速给定电路主要由滑动变阻器构成 调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定 信号 转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给 定电压 其电路原理图如图 3 1 所示 图 3 1 转速给定电路原理图 3 2 转速检测电路设计 转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号 滤除交 流分量 为系统提供满足要求的转速反馈信号 转速检测电路主要由测速发电机组成 将测速发电机与直流电动机同轴连接 测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电 压信号 经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统 其原理图如图 3 2 所 示 直流电机双闭环调速系统 图 3 2 转速检测电路原理图 3 3 电流检测电路设计 电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号 经过滤波整流 后 用于控制系统中 该电路主要由电流互感器构成 将电流互感器接于主电路中 在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号 起到电气隔离的作用 其电路原 理图如图 3 3 所示 直流电机双闭环调速系统 图 3 3 电流检测电路原理图 3 4 整流及晶闸管保护电路设计 整流电路如图 3 4 所示 在整流电路中主要是晶闸管的保护问题 晶闸管具有许多 优点 但它属于半导体器件 因此具有半导体器件共有的弱点 承受过电压和过电流 的能力差 很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏 为了使晶闸管装置能长 期可靠运行 除了合理选择元件外 还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施 晶闸管主要需要四种保护 过电压保护和 du dt 限制 过电流保护和 di dt 限制 图 3 4 整流电路及晶闸管保护电路 直流电机双闭环调速系统 4 双闭环直流调速系统设计 直流调速系统中应用最普通的方案是转速 电流双闭环系统 转速负反馈环为外 环 其作用是保证系统的稳速精度 电流负反馈环为内环 其作用是实现电动机的转 距控制 同时又能实现限流以及改善系统的动态性能 转速 电流双闭环直流调速系 统在突加给定下的跟随性能 动态限流性能和抗扰动性能等 都比单闭环调速系统好 本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测 4 1 转速 电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 4 1 1 双闭环调速系统的组成 速度与电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型的调速系统 70 年代以来 在我国的冶金 机械 制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用 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 dm I 1 t 图4 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 dm I 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 直流电机双闭环调速系统 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 2 t 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 dm I 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n 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 fz I dm IR n 升 也上升 达到稳定转速时 这就要求在启动过程 dme UIRC n fze UI RC n 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 dm I 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 4 2 图 4 2 转速 电流双闭环直流调速系统结构 ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG 测速发电机 TA 电流互感器 UPE 电力 电子变换器 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 4 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 PI 两个调节器的输出都是带限幅作用的 转速调节器 ASR 的输出限幅电压是 它决定 im U 了电流给定电压最大值 电流调节器 ACR 的输出限幅电压是Ucm 它限制了晶闸管整流器 输出电压的最大值 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PI 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PI 和为止 直流电机双闭环调速系统 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 maxd I 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 maxd I 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 PI 图 4 3 双闭环直流调速系统电路原理图 4 1 2 稳态结构框图和静特性 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 直流电机双闭环调速系统 图 4 4 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数 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U 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 0 n U nn 而得到下图 4 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 im U 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 4 5 静特性的 AB 段 im ddm U II 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 4 5 的虚线 直流电机双闭环调速系统 图 4 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 ddm II ACR 主导 表现为电流无静差 过电流保护 ddm II 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大允许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 当负载电流达到最大允许电流时 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 这就是采用两个 PI 调节器分别形成内 外两个闭环的效果 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要好 4 1 3 稳态参数计算 转速反馈系数 4 1 rV r V n Unm min 00167 0 min 3000 5 max 电流反馈系数 4 2 AV A V I U dm im 22 2 5 15 1 5 4 2 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 如下图所示 直流电机双闭环调速系统 图 4 6 双闭环直流调速系统的动态结构图 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 4 3 4 4 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 nU 图 4 7 双闭环直流调速系统启动时的转速和电流波形 s s KsW n n nASR 1 s s KsW i i iACR 1 直流电机双闭环调速系统 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 动态过程就分成图中标明的 I II III 三个阶段 第 I 阶段 0 t1 是电流上升的阶 段 第 II 阶段 t1 t2 是恒流升速阶段 第 III 阶段 t2 以后 是转速调节阶段 4 2 1 动态抗扰性能分析 1 抗负载扰动 对于调速系统 最重要的动态性能是抗扰性能 主要是抗负载扰动和抗电网电压 扰动的性能 图 4 8 直流调速系统的动态抗负载扰动作用 由动态结构图中可以看出 负载扰动作用在电流环之后 因此只能靠转速调节器 ASR 来产生抗负载扰动的作用 在设计 ASR 时 应要求有较好的抗扰性能指标 2 抗电网电压扰动由图 4 9a 和 4 9b 对比分析可知 1 单闭环调速系统中 电网电压扰动的作用点离被调量较远 调节作用受到多个 环节的延滞 因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些 直流电机双闭环调速系统 图 4 9a 单闭环系统 2 双闭环系统中 由于增设了电流内环 电压波动可以通过电流反馈得到比较及 时的调节 不必等它影响到转速以后才能反馈回来 抗扰性能大有改善 图 4 9b 双闭环系统 因此 在双闭环系统中 由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小 得多 4 3 调节器的设计 直流电机双闭环调速系统 图 4 10 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 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 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 4 3 1 电流调节器的设计 1 确定时间常数 1 PWM 装置的延长时间 Ts Ts 0 1ms 0 0001s 2 电流滤波时间常数 Toi 1 2 Toi 0 1ms 因此取 Toi 0 06ms 0 00006s 3 电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理 取 i T Ts Toi 0 00016s i T 2 选择电流调节器的结构 根据设计要求 并保证稳态电流无静差 可按典型 I 型系统设计电流调节5 i 直流电机双闭环调速系统 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 4 5 1 ii ACR s i Ks W s 式中 电流调节器的比例系数 i K 电流调节器的超前时间常数 i 检查对电源电压的抗扰性能 参照典型 I 型系统动态抗扰性能 75 13 00016 0 0022 0 s s T T i l 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 3 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数 sTl i 0022 0 电流开环增益 要求时 取 5 i 0 5 Ii K T 因此 4 6 1 3125 00016 0 5 0 s s KI 于是 ACR 的比例系数为 4 7 645 4 22 2 3 5 40022 0 3125 1 s K RK K s iI i 4 校验近似条件 电流环截止频率 4 8 1 3125 sKI ci 1 PWM 装置传递函数的近似条件 满足近似条件 ci s ws sT 1 3 3333 0001 0 3 1 3 1 2 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 4 9 ci lm s ssTT 1 27 369 0022 0 03 0 1 3 1 3 满足近似条件 3 电流环小时间常数近似处理条件 4 10 ci ois s ssTT 1 3 4303 00006 0 0001 0 1 3 11 3 1 满足近似条件 5 计算调节器电阻和电容 由图 4 9 按所用运算放大器取 R0 40k 各电阻和电容值为 取 8 185400022 0 0 KKRKR ii K190 取 FF Ri i Ci 011 0 10190 0022 0 3 F 011 0 直流电机双闭环调速系统 取 006 0 1040 00006 0 44 3 0 FF R T C oi oi F 006 0 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4 3 5 i 要求 图 4 11 含滤波环节的 PI 型电流调节器 4 3 2 转速调节器的设计 1 确定时间 1 电流环等效时间常数 1 KI 由前述已知 则0 5 Ii K T 4 11 ssT K i I 00032 0 00016 0 22 1 2 转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况 取 on TsTon003 0 3 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理 取 n T 4 12 sssT K T on I n 00332 0 003 0 00032 0 1 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 4 13 1 nn ASR n Ks Ws s 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 4 14 sshT nn 0166 000332 0 5 则转速环开环增益 4 15 11 22 2 2 9 10886 00332 0 52 15 2 1 ss Th h K n N 直流电机双闭环调速系统 可得 ASR 的比例系数为 4 16 4 11 00332 0 5 400167 0 52 03 0 0071 0 22 2 6 2 1 n me n RTh TCh K 式中 电动势常数 4 17 rV n RIU C N aNN e min 0071 0 3000 8 15 124 4 检验近似条件 转速截止频率为 4 18 11 1 7 1800166 0 9 10886 ssK K nN N cn 1 电流环传递函数简化条件为 满足简化条件 4 19 cn i I ss T K 11 1 1473 00016 0 3125 3 1 3 1 2 转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件 4 20 cn on I ss T K 11 2 340 003 0 3125 3 1 3 1 5 计算调节器电阻和电容 根据图 4 12 所示 取 则 0 40Rk 取 45640 4 11 0 KKRKR nn K460 取FF R C n n n 036 0 10460 0166 0 3 F 04 0 取FF R T C on on 3 0 1040 003 0 404 3 0 F 3 0 图 4 12 含滤波环节的 PI 型转速调节器 直流电机双闭环调速系统 6 校核转速超调量 当 h 5 时 不能满足设计要求 实际上 是按线性系统计算的 而37 6 n 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 0 ZAIN5 1 min 3000rnN 5 1 5 4RrVCemin 0071 0 sTm03 0 当时 查得 6 4 而调速系统开环机械特性的sT n 00332 0 5 h 2 81 max b CC 额定稳态速降 4 21 m nN b b b n T T n n Z C C n n C C 2 maxmax 调速系统开环机械特性的额定稳态速降 4 22 min 7 950 0071 0 5 45 1 r C RI n e N N 为基准值 对应为额定转速 nmin 3000rnN 根据式 2 21 计算得 10 5 8 03 0 00332 0 3000 7 950 5 1 2 812 n 满足设计要求 4 3 3 调速系统的开环传递函数 其中 1 1 2 sTs sK sW n nN n men n N TC RK K 代入已求数据得 100332 0 23 10914 2 181 2 ss s sWn 5 系统调试 5 1 系统 MATLAB 仿真 本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件 MATLAB 使用 MATLAB 对控制 系统进行计算机仿真的主要方法有两种 一是以控制系统的传递函数为基础 使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱对其进行计算机仿真研究 另外一种是面向控制系统电气原 理结构图 使用 Power System 工具箱进行调速系统仿真的新方法 直流电机双闭环调速系统 5 2 系统的建模与参数设置 转速 电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源 同步脉冲触发器 晶闸管直流桥 平波电抗器 直流电动机等部分组成 采用面向电气原理结构图方法 构成的双闭环系统仿真模型如图 5 1 所示 图 5 1 转速 电流双闭环直流调速系统的仿真模型 转速 电流双闭环系统的控制电路包括 给定环节 ASR ACR 限幅器 偏置电 路 反相器 电流反馈环 速度反馈环等 因为在本次设计中单片机代替了控制电路 绝大多数的器件 所以在此直接给出各部分的参数 各部分参数设置参考前几章各部 分的参数 本系统选择的仿真算法为 ode23tb 仿真 Start time 设为 0 Stop time 设 为 2 5 5 3 系统仿真结果的输出及结果分析 当建模和参数设置完成后 即可开始进行仿真 图 4 2 是双闭环直流调速系统的 电流和转速曲线 从仿真结果可以看出 它非常接近于理论分析的波形 下面分析一 下仿真的结果 直流电机双闭环调速系统 图 5 2 双闭环直流调速系统的电流和转速曲线 启动过程的第一阶段是电流上升阶段 突加给定电压 ASR 的输入很大 其输出很 快达到限幅值 电流也很快上升 接近其最大值 第二阶段 ASR 饱和 转速环相当于 开环状态 系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统 电流基本上保持不变 拖动系统恒加速 转速线形增长 第三阶段 当转速达到给定值后 转速调节器的给 定与反馈电压平衡 输入偏差为零 但是由于积分作用 其输出还很大 所以出现超 调 转速超调后 ASR 输入端出现负偏差电压 使它退出饱和状态 进入线性调节阶段 使转速保持恒定 实际仿真结果基本上反映了这一点 由于在本系统中 单片机系统 代替了控制电路的绝大多数控制器件 所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成 的 控制效果要好于本次的仿真结果 6 单闭环直流调速系统设计 对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说 以调节电枢供电电压的方式为 最好 改变电阻只能有级调速 减弱磁通虽然能够平滑调速 但调速范围不大 往往 只是配合调压方案 在基速 即电机额定转速 以上作小范围的弱磁升速 因此 自 动控制的直流调速系统往往以调压调速为主 调压调速是直流调速系统的主要方法 而调节电枢电压需要有专门向电动机供电 的可控直流电源 常用的可控直流电源有以下三种 直流电机双闭环调速系统 1 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 以获得可调的直流电压 2 静止式可控整流器 用静止式的可控整流器 以获得可调的直流电压 3 直流斩波器或脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不控整流电源供电 利用电 力电子开关器件斩波或进行脉宽调制 以产生可变的平均电压 直流 PWM 调速系统作为一种新技术 发展迅速 应用日益广泛 特别在中 小容 量的系统中 已取代 V M 系统成为主要的直流调速方式 本次设计就是采用直流 PWM 调速 PWM 变换器的作用是 用 PWM 调制的方法 把恒定的直流电源电压调制成频率一定 宽度可变的脉冲电压系列 从而可以改变平均输出电压的大小 以调节电机转速 6 1 闭环调速系统的组成及其静特性 根据自动控制原理 反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统 只 要被调量出现偏差 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 显然 引入转速闭环将使调速 系统应该能够大大减少转速降落 6 1 1 系统组成 图 6 1 采用转速负反馈的闭环调速系统 调解原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中 与电动机同轴安装一台测速发电 机 TG 从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un 与给定电压 U n 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 的控制电压Uc 用以控制电动机转速 n 直流电机双闭环调速系统 6 1 2 静特性 图 6 2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图 图中各方块内的符号代表该环节的放大系数 运用结构图运算法同样可以推出式 6 1 所表示的静特性方程式 如下 6 1 1 1 KC RI KC UKK n e d e n sp 6 2 稳态参数计算 1 负载时的稳态速降 6 2 min 89 7 05 0 1 20 05 0 3000 1 r SD Sn n N cl 2 闭环系统的开环放大倍数 6 3 rVrV n RIU C N aNN e min 0071 0 min 3000 8 15 124 开环系统额定速降为 5 4 min 70 950min 0071 0 5 45 1 Rrr C RI n e N op 则闭环系统的开环放大倍数为 6 4 49 1191 89 7 70 950 1 cl op n n K 因为 msTms f TmsT lsm 2 2 1 0 1 30 直流电机双闭环调速系统 6 5 120 314 1 02 2 1 0 1 02 2 30 2 2 K TT TTTT K sl sslml 取 转速反馈系数 rVrV n U N n min 00167 0 min 3000 5 电压放大系数 取 3 7 7 12 3 7 7 24 0 0 VU U U K cm cm do s s 运算放大器的放大数 6 6 52 163 12 300167 0 0071 0 120 es p CK K K 164 p K取 6 3 传递函数 图 6 3 反馈控制闭环调速系统的动态结构图 由图可见 反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是 103 0 000066 0 10001 0 120 1 1 2 2 sss sTsTTsT K sW mlms 3 7 1027610 0 1002391 0 10001 0 120 sss 应用 PI 调节器校正 其传递函数为 直流电机双闭环调速系统 3 8 s sK sW pi pi 1 其中 10 10 100 K K KpisFK0033 0 33 0 10 校正后传递函数为 102761 0 1002391 0 10001 0 75 217186 7 ssss s sW 总 结 本设计是对双闭环直流电机调速系统的设计 通过近一个月的努力对该电路有了 较为深入的研究 也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式 工作原理及各个 器件的作用和设计 课程设计期间 借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索 查阅 直流电机双闭环调速系统 了许多关于本设计的资料 学会了如何使用现有的图书馆资料 在指导老师的指导下 并与有共同设计内容的同学交流 分析 整理和研究设计题目 先确立了设计基本思 路 遇到问题及时与指导老师沟通 在老师的指点和自己的努力 最后完成了整个设 计 设计中 通过查阅各种资料 确定了电路中所应用器件型号及管脚图 运用了 protel 绘制电气原理图 一些简单的图形用画图板和 Word 中的画图工具画出来 通 过做课程设计 也有了不少的收获进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制 电路的一些特性 在课程设计期间 也遇到了不少问题 首先 拿到设计题目时没有深入了解就动 手设计了 以至于遇到问题就得问 而不是把问题集中起来进行找答案 因此浪费了 不少时间 其次 在查元器件时只是把资料查出来就算了 并没有把所查资料进行整 理与筛选出有用的内容 因此 接电路时还得先花时间查找所需 再次 搭电路时并 没有连完一部分就测试电路 而是把电路全部搭完后才开始测 这样 出现问题时就 得拆一部分电路 而且使测试也变得比较乱 因此也浪费了不少时间 此外 还出现 了一些接线问题 总之 此次设计学到了不少东西 注意到了一些设计电路与连接电路应该注意的 事项 相信在今后的类似设计中一定会发挥得更好 致 谢 在这次毕业设计的撰写过程中我得到了许多人的帮助 首先我要感谢我们的赵理老师在毕业设计上给我的指导 提供给我支持和帮助 这是我能完成这次设计的主要原因 更重要的是老师帮我解决了许多难题 让我们把 直流电机双闭环调速系统 设计做的更加完善 在此期间 我不仅学到了许多新的知识 而且也开阔了视野 提 高了自己的设计能力 其次 我要感谢帮助过我的同学 她们也为我解决了不少我不 太明白的问题 同时也感谢学校为我提供良好的做设计的环境 最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学 参考文献参考文献 模拟电子技术基础 1 华成英 童诗白主编 高等教育出版社 2006 反馈控制系统设计与分析 MATLAB 语言应用 2 薛定宇 清华大学出版社 2000 控制系统数字仿真与 CAD 3 张晓华 机械工业出版社 1999 直流电机双闭环调速系统 电力电子技术 4 王兆安 第 4 版 北京 机械工业出版社 2000 自动控制原理 M 5 王军 重庆 重庆大学出版社 2008 电机及拖动基础 6 邵群涛主编 北京 机械工业出版社 1999 电力拖动自动控制系统 7 王离九等 武汉 华中科技大学出版社 1991 自动控制原理 8 胡寿松 第 4 版 北京 国防工业出版社 电力拖动自动控制系统 9 陈伯时 第 2 版 M 北京 机械工业出版社 2005 电力拖动自动控制系统 10 陈伯时 第 3 版 北京 机械工业出版社 2004 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿 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