小功率直流电机调速综合设计

1、电气工程及其自动化专业综合设计(论文)中文题目黑体二号，居中电气工程及其自动化专业综合设计(论文)英文题目Arial二号，大写，居中小功率直流调速系统设计DESIGN OF SMALL POWER DC SPEED CONTROL SYSTEM学生姓名严昊学生学号20120501145学院名称信电工程学院专业名称电气工程及其自动化指导教师曹言敬、张旭隆2015年12月25日摘要本文对小功率直流调速系统进行了研究与设计。首先对单闭环直流调速系统进行了实验建模与实验测试，构建了调速系统的系统框图；然后采用频率法为系统设计超前校正装置, 并使用Matlab计算机仿真软件对系统进行了仿真；最后对校正装

2、置进行了电路设计与制作，对系统进行校正，使系统满足了性能指标要求。其建模、仿真以及校正网络设计方法简单易行,对研究其他种类的控制系统校正网络具有一定的借鉴作用。关键词：单闭环调速系统；建模；超前校正；MATLAB仿真小二号黑体字居中顶格书写，小四号宋体，“关键词”三字加粗，各关键词之间加分号；最后一词之后不加标点符号。目 录1 绪论11.1 设计背景11.1.1 直流调速系统概述11.2 自动控制原发展历程11.3 自动控制校正系统11.3.1 校正的概念11.3.2 校正的方式22 设计任务32.1 设计的详细任务32.2 设计要求33 调速系统设计43.1 单闭环调速系统原理43.1.1

3、调速系统原理43.1.2 控制结构图43.2 各部件相关参数选择43.2.1 V-M系统介绍43.2.2 比例放大器53.2.3 整流电路：采用三相桥式全控整流64 调速系统的调速指标74.1 参数计算74.1.1 转速控制闭环调速系统的调速指标74.1.2 闭环调速系统的静特性84.2比例放大器84.3 额定励磁下直流电动机参数94.4 误差分析105系统部件特性测试135.1主要设备仪器135.2功率放大器特性测定135.3电动机的传递函数135.4 电动机死区电压Ui测定145.5 电动机时间常数Tm测定145.6 电动机传递系数Km测定146 matlab软件仿真156.1原系统的闭环

4、阶跃响应156.2 系统校正设计156.3 校正后的系统框图16结论18致谢19参考文献20I大纲级别4级，小四号黑体，单倍行距，段前0.5行，段后0.5行大纲级别1级，小二号黑体，居中，单倍行距，段前0.5行，段后0.5行大纲级别2级，小三号黑体，单倍行距，段前0.5行，段后0.5行1 绪论大纲级别3级，四号黑体，单倍行距，段前0.5行，段后0.5行1.1 设计背景1.1.1 直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。相比于交流调速系统，直流

5、调速系统在理论上和实践上都比较成熟。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，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、楼宇、办公、家庭自动化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，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。1.2 自动控制原发展历程随着科学技术的进一步发展，自动控制已广泛地用于工业、农业、商业、军事等各领域，成为现代技术的重要组成

6、部分。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入单输出的线形定常数系统的分析和设计问题。20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新的阶段现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是

7、以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。1.3 自动控制校正系统1.3.1 校正的概念 当控制系统的稳态、静态性能不能满足实际工程中所要求的性能指标时，首先可以考虑调整系统中可以调整的参数；若通过调整参数仍无法满足要求时，则可以在原有系统中增添一些装置和元件，人为改变系统的结构和性能，使之满足要求的性能指标，我们把这种方法称为校正。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件。系统中除校正装置以外的部分，组成了系统的不可变部分，我们称为固有部分。1.3.2 校正的方式根据校正装置在系统中的不同位置，一般可分为串联校正、反馈校正和

8、顺馈补偿校正。1.串联校正校正装置串联在系统固有部分的前向通路中，称为串联校正，如图1-1所示。为减小校正装置的功率等级，降低校正装置的复杂程度，串联校正装置通常安排在前向通道中功率等级最低的点上。图1-1串联校正2.反馈校正校正装置与系统固有部分按反馈联接，形成局部反馈回路，称为反馈校正，如图1-2所示。图1-2反馈校正3.顺馈补偿校正顺馈补偿校正是在反馈控制的基础上，引入输入补偿构成的校正方式，可以分为以下两种：一种是引入给定输入信号补偿，另一种是引入扰动输入信号补偿。校正装置将直接或间接测出给定输入信号R(s)和扰动输入信号D(s)，经过适当变换以后，作为附加校正信号输入系统，使可测扰动

9、对系统的影响得到补偿。从而控制和抵消扰动对输出的影响，提高系统的控制精度。为满足控制系统的静态性能要求，最直接的方法是增大控制系统的开环增益，但当增益增大到一定数值时，系统有可能变为不稳定，或即使能稳定，其动态性能一般也不会理想。为此，需在系统的前向通道中加一超前串联校正装置，以实现在开环增益不变的前提下，系统的动态性能亦能满足设计的要求。 循环矿浆压力与柱体背压的关系2 设计任务2.1 设计的详细任务建立小功率直流调速系统的数学模型，确立自动控制元部件参数的测试方法，记录未校正控制系统的阶跃响应曲线，确定原系统的动态性能指标；用自动控制原理设计系统校正网络并自动控制系统校正装置参数的调整方法

10、。2.2 设计要求（1）控制性能：控制范围0最大转速、Ts在开环的基础上减少70%、<5% 。 （2）使用仪器：直流稳压电源、示波器 直流电动机、直流发电机（测量转速）、直流稳压电源、示波器、万用表。 （3）设计自动控制系统校正网络。 （4）根据设计好的校正网络，采用有源网络设计校正网络电路板（可用LM324，LM358运放器）；确定校正网络电模拟参数。 （5）用PROTEL软件设计校正网络电路板。 （6）校正环节的调试及参数测试。 （7）设计报告书需参照徐州工程学院毕业论文（设计）模板规定的格式撰写。 要求内容翔实连贯，数据准确可靠，突出技术细节。3 调速系统设计3.1 单闭环调速系统

11、原理3.1.1 调速系统原理该系统以直流电机转速为反馈信号，构成转速单闭环直流电机调速系统。在本实验系统中，用以测量电机转速的装置为测速发电机，该装置可将电动机实际转速转换位于电机转速成正比的电压信号，反馈到系统输入端。反映转速变化的电压信号在与期望转速相关的给定电压比较后，其偏差信号送入速度调节器。速度调节器对偏差进行控制运算后得到的便是控制晶闸管的移相控制电压Uct，整流桥的触发电路产生的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，进而改变直流电机的转速，从而构成了速度负反馈闭环系统。其原理图如图3-1所示。图3-1调速系统原理图3.1.2 控制结构图有了原

12、理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图，如图3-2。图3-2环直流调速系统稳态结构框图3.2 各部件相关参数选择3.2.1 V-M系统介绍晶闸管电动机调速系统（简称VM系统），其简单原理图如图3-3。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间

13、内损坏元件。此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。图3-3 V-M系统原理图3.2.2 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3-4，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 式（3.1）比例放大器的原理如图3-4所示。图3-4 比例放大器的原理图3.2.3 整流电路：采用三相桥式全控整流三相桥式整流电路如图3-6。图3-6三相桥式整流电路三相桥式全控整流电路原理图如图所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法(VT1，VT3，V

14、T5)和三相半波共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。4 调速系统的调速指标4.1 参数计算4.1.1 转速控制闭环调速系统的调速指标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 式（4.1）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 式（4.2）静差率用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定

15、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。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。3调速范围、静差率和额定速降的关系以电动机的额定转速为最高转速，若带额定负载时的转速降落为，则该系统的静差率应该是最低速时的静差，即 式（4.3）于是，而调速范围为 式（4.4）将上面的式代入，得 式（4.5）上式即为调速范围、静差和额定速降之间所应满足的关系。对于一个调速系统，它的特性硬度或值是一定的，如果对静差率的要求越严，也就是s越小，系统能够允

16、许的调速范围也越小。4.1.2 闭环调速系统的静特性根据转速反馈控制的闭环调速系的原理图3-1得电压比较环节：放大器：晶闸管整流与触发装置：VM系统开环机械特性：测速发电机：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；因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式 式（4.6）式中为闭环系统的开环放大系数，这里是以作为电动机环节的放大系数的。静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。根据各环节的稳态关系画出闭环系统的稳态结构图，如图3-2所示。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

17、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 式（4.7）只有K=才能使，而这是不可能的。4.2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4-1，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: 式（4.8）4.3 额定励磁下直流电动机参数（主电路，假定电流连续）（额定励磁下的感应电动势）（牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦）（额定励磁下的电磁转矩）式中 包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位

18、为Nm；电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为；电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A；定义下列时间常数：电枢回路电磁时间常数，单位为s；电力拖动系统机电时间常数，单位为；得电压与电流间的传递函数 式（4.12）电流与电动势间的传递函数为 式（4.13）额定励磁下直流电动机的动态结构图如图4-1。图4-1 额定励磁下直流电动机的动态结构图由以上分析得稳定条件时反馈控制闭环调速系统的特征方程为稳定条件为整理后得稳态抗扰上式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

19、，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。4.4 误差分析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4-2。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4-3。图4-2 采用比例调节器的闭环有静差速系统结构图的一般情况图4-3 给定为0时采用比例调节器的闭环有静差调速系统结构图 负载扰动引起的稳态速差如下。这和静特性分析的结果是完全一致的。2.积分控制时的稳态抗扰误差将图4-9比例调节器换成积分调节器如图4-10。突加负载时，于是负载扰动引起的稳态速差为可见，积分控制的调

20、速系统是无静差的。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4-4-1,4-4-2。图4-4-1 给定为0时采用积分调节器图的闭环调速系统结构图图4-4-2 给定为0时采用积分调节器图的闭环调速系统结构图则稳态速差为因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。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，比例控制系统有静差，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。5结论综上所述，我选择比例积分控制。5系统部

21、件特性测试5.1主要设备仪器1. 直流稳压电源2. 模拟示波器3. 数字存储示波器4. 数字万用表5. 毫伏表6. 直流电机及测速机7. XSJ-2实验平台5.2功率放大器特性测定将信号发生器接到功放输入端，并用毫伏表测量输入信号幅值，功放输出端接R，用示波器测量输出端波形，用毫伏表测量输出端电压幅值。Vin=2Vpp=0.85V,R=26.7ohm表5-1输出电压幅值f/°581623323744/v2.22.22.221.881.81.55据此可画出功率放大器的幅频特性如图5-1:图5-1 功率放大器的幅频特性则5.3电动机的传递函数因控制电机电枢绕组电感电动机转子惯量影响很小，

22、在建立电动机的数学模型时，常将电枢绕组的电感忽略不计。这样，电动机的传递函数可近似用下式表示： 式（5.1）式中-电机的输入电压 -电动机输入的角速度。因此，确定了电动机的时间常数m和传递函数m，电动机的传递函数即被确定。5.4 电动机死区电压Ui测定将稳压电源置于最小档，合上开关，慢慢增大到电机刚刚转动，读下这时的Ui，将电机的起始位置防在及格不同角度，重复实验。将输入电压反极性重复上述实验，可得到两个转动方向的死区电压平均值和最大值。表5-2正反向电压正向反向 电压/v0.60.60.60.6电压/v0.50.50.40.55.5 电动机时间常数Tm测定在开环系统中，由于放大器都可以认为是

23、无惯性环节，直接操纵开关对电动机施加阶跃输入作用，将测速发电机的输出电压接到存贮示波器保存，记录电动机转速变化的阶跃响应曲线。根据这条曲线从0上升到稳态值的0.632倍的时间即是Tm。记录阶跃响应曲线时，间断操作时间开关，输入不同幅值的阶跃信号，记录不同输入对应的Tm值。表5-3不同阶跃信号对应的Tm带大惯性轮负载Vin/v51015Ts/ms120117120Tm/ms403940Tm平均值/ms405.6 电动机传递系数Km测定直接利用直流测速发电机来测量转速,该测速发电机的传递函数系数t。因此，电动机的传递系数： 式（5.2）表5-4对应的/v51015/v9.620.231.3得出:

24、Km=2所以原系统的开环传递函数为：G(s)=k1*ke*km/s*(Tm*s+1)=31.2/s*(0.04s+1)6 matlab软件仿真6.1 原系统的闭环阶跃响应1. 原系统闭环阶跃响应的matlab仿真系统框图如图6-1。图6-1 校正前的系统框图2.运行系统得到阶跃响应图如图6-2。图6-2 原系统的闭环阶跃响应由图可得：% =(7.4-5)/5*100%=48 %、s= 450-100=350ms，所以原系统无法满足指标要求，需要进行校正。6.2 系统校正设计通过引入比例环节，能迅速反应误差，减少稳态误差，减少调节时间。引入微分环节能抑制误差，防止过冲而导致振荡。所以选择超前校正

25、环节对系统进行校正，利用PD的相角超前特性，改善系统的动态性能。PD校正器的传递函数为: ，式中 a>1。可以采用频率法求解传递函数：对于原系统有:得出w0=28 rad/sr0=180°-90°-arctan(0.04w0)= 42°系统的最大超前角:=r-r0+15°=60°所以又L(wc)=0 得:Wc=54 rad/sWm=Wc=54 rad/s所以得出校正器的传递函数为: 6.3 校正后的系统框图1.校正后的系统框图如图6-3。图6-3校正后的系统框图2.通过运行系统可得到它的阶跃响应如图6-4。由图可以看出Ts=50ms,(3

26、50-50)/350*100%=85%>70%,满足要求；%=(5.2-5)/5*100%=4%<5%，满足要求。所以此系统符合系统指标要求。如图6-5为校正器原理图，图中Kp=(Rf+Ri)/Ri=1.2，aT=(Rf/R1+R2)*c=0.04，T=R2*c=0.003。求得:Ri=43k，Rf=10k，R1=6k R2=300ohm，C=10uf。运行后的阶跃响应图如图6-4。图6-4校正后系统的阶跃响应3.用protel画的校正器原理图如下图6-5。图8-3校正器原理图标题黑体小二，居中，单倍行距，段前0.5行，段后0.5行；内容宋体小四，行距固定值20磅。结论在实验过程中不免遇到各种问题，需要认真观察与分析，排除各种问