直流电动机调速系统课程设计1.doc

直流调速系统设计报告学生姓名: 占 小 超 学 号: 09312129 班 级: 093121 专 业： 自 动 化 指导教师： 黄 永 忠 2012年12月5日 目录1.前言.32.设计参数43.双闭环调速系统的工作原理 3.1.系统的组成.53.2.系统的原理图.63.3.系统的稳态结构框图和静特性.8 3.3.1.系统静特性.83.4.各变量稳态工作点和稳态参数的计算.94.设计双闭环调速系统电流调节器和转速调节器.104.1 调节器的设计.104.2 电流调节器的设计.104.2.1 确定时间常数.104.2.2 选择电流调节器的结构.114.2.3 计算电流调节器的参数.114.2.4 校验近似条件.124.2.5 计算电流调节器的电容和电阻.134.3 转速调节器的设计.144.3.1 确定时间常数.144.3.2 选择转速调节器的结构.144.3.3 计算转速调节器的参数.144.3.4校验近似条件.144.3.5 计算调速调节器的电容和电阻154.4 校核转速超调量.175. 调速系统性能指标的数字仿真.185.1双闭环调速系统的动态结构图185.2 系统仿真模型.195.3 仿真结果.196心得207参考文献.21 前 言20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块（IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。 设 计 参 数 直流电动机参数：功率PN=555KW，额定电压UN=750V，额定电流IN=760A，nN=3000r/min，电枢绕组电阻Ra=0.9，主电路总电阻R=0.14，晶闸管装置放大系数Ks=75,电磁时间常数Tl=0.031ms,机电时间常数Tm=0.112ms ,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s,过载倍数=1.5，电流给定最大值Uim=10V，速度给定最大值U *n=10V。3. 双闭环调速系统的工作原理3.1 系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调节系统可以在保证系统稳定的前提下实现无静差调速。但对于系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足要求了。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调机器的输入，再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里，称作内环；转速换在外，称作外环。这就形成了转速电流双闭环调速系统。3.2 系统的原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了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U*im决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。3.3 系统的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图，如图3所示。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。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：当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的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：当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 3.3.1系统静特性 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm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 Idm 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飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图4中虚线所示。 3.4 各变量稳态工作点和稳态参数的计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。 由已知条件，带入公式（4）和公式（5），得 4.设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器4.1 调节器的设计第一步：选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。第二步：设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。4.2 电流调节器的设计4.2.1 确定时间常数 PWM装置的延长时间Ts=0.1ms=0.0001s。 （2）电流滤波时间常数Toi=0.002s。（3）电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取Ti= Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037s。 （4）电磁时间常数Tl=0.031ms。4.2.2 选择电流调节器的结构根据设计要求，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 式中 Ki-电流调节器的比例系数； i-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： ,参照表1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。表1 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系4.2.3 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益:要求时,按表2可取 ，因此， PWM装置的放大系数： 于是，ACR的比例系数为：表2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4.2.4 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： 满足近似条件。(3) 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。4.2.5 计算调节器电阻和电容由图6，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 取36 ，取0.008 取0.2 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6含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器4.3 转速调节器的设计4.3.1 确定时间 （1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则: （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 4.3.2 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 4.3.3 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 则转速环开环增益 可得ASR的比例系数为式中电动势常数 4.3.4 检验近似条件 转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为 ， 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件。 4.3.5 计算调节器电阻和电容根据图7所示，取，则 取 取 , 取 图6 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器4.4 校核转速超调量当h=5时，查表3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。 设理想空载起动时，负载系数，已知， ，。当时，由表4查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 （6） 调速系统开环机械特性的额定稳态速为基准值，对应为额定转速。根据式（6）计算得 满足设计要求。 5. 调速系统性能指标的数字仿真5.1 双闭环直流调速系统的动态结构图5.2 系统仿真模型开环调速系统的仿真模型5.3 仿真结果双闭环调速系统的电流和转速曲线心 得在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结电机相关知识。在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。在今后要认真学习，对直流电机的参数和自控系统课程进行补充。为以后的工作做铺垫，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电机拖动和自控系统这两门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。总之这次电路的设计和仿真，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升，为以后更好的学习打好基础。 参 考 文 献1. 王华强. 直流电机调速系统的工程设计方法的探讨. 荆门职业技术学院学报. 2002, 7(3): 32-392. 胡贞, 魏丽娜, 宋正勋. 直流电动机双闭环调速系统仿真研究. 长春光学精密机械学院学报. 2000, 23(2): 37-393. 陈伯时电力拖动自动控制系统第2版机械工业出版社，2