湖南工程學院直流電機不可逆單閉環(huán)調速控制系統(tǒng)設計

1、 目錄 第1章 ·概述······································1第2章 調速控制系統(tǒng)的性能指標······

2、3;··············2 2.1 直流電動機工作原理·······················2 2.2 電動機調速指標········

3、···················2 2.3 直流電動機的調速·························3 2.4 直流電機的機械特性·&

4、#183;·····················3第3章 單閉環(huán)直流電動機系統(tǒng)·······················5 3.1 V-M系統(tǒng)簡介

5、83;·····························5 3.2 閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性···············5 3.3反饋控制規(guī)律 &#

6、183;····························6 3.4 主要部件···················

7、3;·············7 3.5 穩(wěn)定條件 ································9 3.6 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析

8、83;·······················11第4章 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及仿真············12 4.1 參數(shù)設計·········&

9、#183;······················12 4.2 參數(shù)計算及MATLAB仿真···················13第5章 總結···

10、83;··································22（電路總設計圖、評分表附后） 第一章 概述 電動機是用來是用來拖動某種生產(chǎn)機械的動力設備，所以需要根據(jù)工藝要求調節(jié)其轉速，而用于完成這項功能的自動控制系統(tǒng)就被陳為調速系統(tǒng)。目前調速系

11、統(tǒng)分為交流調速和直流調速系統(tǒng)，由于直流調速系統(tǒng)的調速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，因此在相當長的時間內，高性能的調速系統(tǒng)幾乎都采用直流調速系統(tǒng)，但近年來，隨著電子工業(yè)與技術的發(fā)展，高性能的交流調速系統(tǒng)也日趨廣泛。單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中的應用越來越廣泛，其良好的調速性能及低廉的價格越來越被大眾接受。單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調速裝置、電動機-發(fā)動機、閉環(huán)控制系統(tǒng)等組成，我們可以通過改變晶閘管的控制角來調節(jié)轉速，本文就單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及仿真做以下介紹。 第二章 調速控制系統(tǒng)的性能指標2.1 直流電動機工作原理1、 直流電機的構成 (1)定

12、子：主磁極、換向磁極、機座、端蓋、電刷裝置； (2)轉子：電樞鐵芯、電樞繞組、換向裝置、風扇、轉軸； (3)氣隙2、 直流電機的勵磁方式 按勵磁方式的不同，直流電機可分為他勵、并勵、串勵和復勵電動機四種。直流電動機中，在電磁轉矩的作用下，電機拖動生產(chǎn)機械沿著與電磁轉矩相同的生產(chǎn)方向旋轉時，電機向負載輸出機械功率。2.2 電動機調速指標 穩(wěn)態(tài)指標：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉速內進行平滑調節(jié)，并且在不同轉速下工作時能穩(wěn)定運行，而且在某一轉速下穩(wěn)定運行時，盡量少受負載變化及電源電壓波動的影響。因此它的指標就是調速系統(tǒng)的調速范圍和靜差率。動態(tài)性能指標:主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力。（1） 調速范圍：生

13、產(chǎn)機械在額定負載時要求電動機提供的最高轉速Nmax與最低轉速Nmin之比稱為調速范圍，用D表示。即 D=（2） 靜差率：調速系統(tǒng)在某一轉速下穩(wěn)定運行時，負載由理想空載增加到規(guī)定負載時，所對應的轉速降落與理想轉速n0 之比，用s表示，即 s=100%=100%（3） 調速方向:指調速后轉速比原來的高還是低，有上調和下調之分。（4） 調速的平滑性：它由一定調速范圍內能得到的轉速級數(shù)來說明。調速可分為有級調速和無級調速。2.3 直流電動機的調速本文以他勵直流電動機為例來說明直流電機的調速，他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立的直流電源供電，在勵磁電壓的作用下，勵磁繞組中通過勵磁電流，從而產(chǎn)生

14、磁通。在電樞電壓的作用下，電樞繞組中通過電樞電流。 他勵直流電動機的轉速公式： n= 式中U為他勵電動機的電樞電壓；I為電樞電流；E為電樞電動勢；R為電樞回路的總電阻；n為電機的轉速；為勵磁磁通；為由電機結構決定的電動勢系數(shù)。他勵電機的調速方式有三種：電樞回路串電阻的變電阻調速、改變電樞電壓的變電壓調速、減小氣隙磁通量的弱磁調速。在實際應用中，我們通常采用變電壓調速.2.4 直流電機的機械特性 他勵直流電動機中轉速和轉矩之間的關系為n=式中為電動機的理想空載轉速，其值為, 是機械特性的斜率，是轉速差。他勵直流電機的固有特性曲線如圖所示： 第三章 單閉環(huán)直流電動機系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)簡介晶閘管電動機

15、調速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），其簡單原理圖如下： 圖中是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或者更多相，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點:通過調節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現(xiàn)平滑調速。缺點：、由于晶閘管的單相導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。2、 元件對過電壓、過電流以及過高的和都十分敏感，其中任意指標超過允許值都可能使元件在短時間內損壞，因此必須有保護裝置和散熱條件。3.2 閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜特性 轉速反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)，其原理圖如下： a、忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出都是 線性的。 b、假定只工作在系統(tǒng)開環(huán)機械特性

16、的連續(xù)段。 c、忽略直流電機和電位器的內阻。 電壓比較環(huán)節(jié)： 放大器：（-放大器的電壓放大系數(shù)） 晶閘管整流與觸發(fā)裝置：（-晶閘管整流與觸發(fā)裝 置的電壓放大系數(shù)） V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性： 測速發(fā)電機：（-測速反饋系數(shù)，單位為）因此轉速負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性方程式為 式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以作為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。靜特性：閉環(huán)調速系統(tǒng)的電動機轉速與負載電流（或轉矩）的穩(wěn)態(tài)關系。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖所示: 3.3 反饋控制規(guī)律 從上面分析可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)k對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，k值越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要

17、求下的調速范圍越廣，即k越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好，然而，設計的放大器為比例放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為，只有時其值為0，而這是不可能的。3.4 主要部件 1、比例放大器：運算放大器用做比例放大器，圖為調節(jié)器的原理圖及輸出特性： 和為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調電流的影響，放大系數(shù)為:2、比例積分放大器 在定性分析控制系統(tǒng)的性能時，通常將伯德圖分成高，中，底三個頻段，頻段的界限是大致的，一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，對快速性要求不高，所以常用PI調節(jié)器，采用運算放大器的PI調節(jié)器如圖所示. -PI調節(jié)器比例放大部分的放大系數(shù)；

18、 -PI調節(jié)器的積分時間常數(shù)； 此傳遞函數(shù)也可以寫成如下形式： 式中-PI調節(jié)器的超前時間常數(shù)。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調節(jié)器輸出電壓的時間特性如圖所示 將P調節(jié)器換成PI調節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為由圖可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時，輸出電壓突跳到，以保證一定的快速控制作用，但是小于穩(wěn)定性能指標所要求的比例放大系數(shù)。因為快速性被壓低了。換來穩(wěn)定性的保證。 作為控制器，比利積分調節(jié)器兼顧了快速影響和消除靜差兩方面的要求：作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、 額定勵磁下直流電動機 （主電路、假定電流連續(xù)） （額定勵磁下的感應電動勢） （牛頓力學定律，忽略粘

19、性摩擦） （額定勵磁下的電磁轉矩） 式中 包括電機空載轉矩在內的負載轉矩，單位為； 為電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機軸上的飛輪轉 矩，單位為； 為電動機額定勵磁下的轉矩電流比，單位為 定義下列時間常數(shù)： -電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s; -電力拖動機電時間常數(shù)，單位為s; 得電壓與電流間的傳遞函數(shù)：電流與電動勢間的傳遞函數(shù)：額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構圖如圖所示： 3.5 穩(wěn)定條件 反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的特征方程為 穩(wěn)定條件為 整理后的 上式右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，K值超出此值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定，根據(jù)上面的分析可知，可能出現(xiàn)的系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的放大系數(shù)要小，不能同時滿足穩(wěn)態(tài)

20、性能指標，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)裕度，為此必須設置合適的校正裝置，才能達到要求。3.6 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析 1、比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 采用比例調節(jié)的閉環(huán)控制有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖為 當時，之擾動輸入量，這時的輸出量即為負載擾動引起的轉速偏差，其計算公式為： 這和靜特性分析的結果完全一致。 2、積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 采用積分調節(jié)的閉環(huán)控制的動態(tài)結構圖為： 突加負載時，于是 負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差為： =0可見積分控制的調速系統(tǒng)是無靜差的。 3、比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例積分控制的閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖為 則穩(wěn)態(tài)速差為：4、 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結構的關系 就其性能來說，比例控制是有靜差的，

21、而積分控制和比例積分控制都沒有靜差，所以只要調節(jié)器中有積分成分，系統(tǒng)就是無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動作用點以前有積分環(huán)節(jié)，則外擾動不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。 第四章 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計及仿真4.1 參數(shù)設計 一、設計任務 對某直流拖動系統(tǒng)進行參數(shù)計算、建立其Matlab模型，并進行穩(wěn)定性分析，根據(jù)系統(tǒng)要求用Matlab軟件工具對系統(tǒng)進行動態(tài)校正即作調節(jié)器設計。已知一晶閘管-直流電機單閉環(huán)調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的動態(tài)結構如圖所示： 比例調節(jié)器 可控硅整流器 電機電樞傳遞函數(shù) 傳動裝置傳遞函數(shù) 電勢系數(shù) 給定信號+ + 綜合信號2 轉速n1 - 綜合信號1 - 測速反饋系數(shù) 圖中直流電

22、機的參數(shù)：=2.2KW，=1500r/min，=12.5A，=220V，電樞電阻=1，V-M系統(tǒng)主回路總電阻R=2.9，V-M系統(tǒng)電樞回路總電感L=40mH，拖動系統(tǒng)運動部分飛輪力矩=1.5，測速發(fā)動機為永磁式，ZYS231/110xi型，整流觸發(fā)裝置的放大系數(shù)=44，三相橋平均失控時間=0.00167s。二、設計要求 生產(chǎn)機械要求調速范圍D=15，靜差率s5%，若U*n=10V時，n=nnom=1500r/min，校正后相角穩(wěn)定裕度=45o，剪切頻率c35.0rad/s，超調量30%，調節(jié)時間ts0.1s。4.2 參數(shù)計算及MATLAB仿真一、穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算1、計算滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求

23、的閉環(huán)系統(tǒng)開 環(huán)放大系數(shù)K。 （1）、額定磁通下的電機電動勢轉速比 （2）、滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降 （3）、開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速降 （4）、根據(jù)自動控制理論有 = 即滿足系統(tǒng)調速范圍與靜差率要求的閉環(huán)系統(tǒng)開 環(huán)放大系數(shù) K=48.80082、計算系統(tǒng)測速反饋系數(shù)，對單閉環(huán)調速系統(tǒng)有靜差結構圖如圖所示: - - n n 根據(jù)自動控制理論有如下方程組。 式中: 代入已知條件，得 解次方程組得 3、 計算比例調節(jié)器的放大系數(shù) 根據(jù)自動控制理論，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)、測速反饋系數(shù)、電機電動勢轉速比與放大系數(shù)之間滿足關系式： 代入計算得 4、 計算參數(shù)與。 （1）、電樞回路電磁時間常

24、數(shù) 代入計算的 （2）、系統(tǒng)運動部分飛輪矩相應的機電時間常數(shù) 代入數(shù)據(jù)計算得 5、 繪制帶參數(shù)單閉環(huán)調速系統(tǒng)的Simulink動態(tài)結構圖。 下圖即為模型mx1501.mdl,圖中=0.0065V.min/r.6、計算閉環(huán)系統(tǒng)臨界開環(huán)放大系數(shù)。 根據(jù)自動控制理論的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為，其臨界開環(huán)放大系數(shù) 代入計算得閉環(huán)系統(tǒng)臨界開環(huán)放大系數(shù)為 。 2、 穩(wěn)定性分析1、 計算系統(tǒng)閉環(huán)特征根以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。a,b,c,d=linmod('smx1501');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);sys1=zpk(s1);P=sys.den1;root

25、s(P)程序運行結果ans = 1.0e+002 * -6.7944 0.0409 + 2.2377i 0.0409 - 2.2377i 經(jīng)過程序計算得系統(tǒng)的兩個特征根為 、 即閉環(huán)系統(tǒng)特征根有兩個根的實部為正，說明系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。2、 繪制比例調節(jié)器Kp=20和Kp=21系統(tǒng)的單位給定階躍響應曲線以驗證系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。（1） >> sys=tf(s1);step(比例調節(jié)器Kp=20時，求閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K。根據(jù)，有>> syms Kp Ks Ce alpha;>> Kp=20;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;>&g

26、t; K=Kp*Ks*alpha/Ce程序運行結果K = 41.3594即Kp=20對應著閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=41.3594。（2）當Kp=20時，繪制其系統(tǒng)單位階躍響應曲線。a,b,c,d=linmod('smx1501');>> s1=ss(a,b,c,d);sys);可見系統(tǒng)單位階躍響應曲線呈現(xiàn)劇烈的震蕩，如上圖所示。（3）比例調節(jié)器Kp=21時，系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K=43.4273 程序如下 syms Kp Ks Ce alpha;Kp=21;Ks=44;Ce=0.1383;alpha=0.0065;K=Kp*Ks*alpha/CeK =43.4273（4

27、）當Kp=21時，繪制其單位階躍響應曲線 程序如下a,b,c,d=linmod('smx1501');s1=ss(a,b,c,d);sys=tf(s1);step(sys);由曲線可看出，系統(tǒng)越發(fā)不穩(wěn)定。3、 分別以相角穩(wěn)定裕度與剪切頻率為校正主要指標對系統(tǒng)進行滯后校正。模型mx1501.mdl的開環(huán)模型為mx1501A.mdl如下圖所示（1）、調用自編函數(shù)lagc（）設計PI校正器。a,b,c,d=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);>> s2=tf(s1);>> gama=48;Gc=lagc(1,s2,

28、gama)程序運行結果Transfer function:0.1611 s + 1-1.699 s + 1wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)程序運行結果Transfer function:0.2857 s + 1- 6.26 s + 1即以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標的滯后校正器為,而以剪切頻率為主要校正指標的滯后校正器為。（2）驗算設計的校正器的校正結果。 對以相角穩(wěn)定裕度為校正主要指標的校正器為。程序如下a,b,c,d=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1);>> gama=48;Gc=lagc(1,s2,g

29、ama);>> sys=s2*Gc;>>margin(sys)繪制出系統(tǒng)的Bode圖如上圖所示，從圖可以看出，校正后系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度=，達到預期目的。對以剪切頻率為校正主要指標的校正器為。 程序如下：a,b,c,d=linmod('mx1501A');s1=ss(a,b,c,d);s2=tf(s1); wc=35;Gc=lagc(2,s2,wc)Transfer function:0.2857 s + 1- 6.26 s + 1 >> sys=s2*Gc;>> margin(sys)繪制出系統(tǒng)的Bode圖如上圖所示，從圖可以看出，校正后系統(tǒng)的剪切頻率35rad/s,達到預期目的。第5章 總結 經(jīng)過二個星期的課程設計，從查找資料，到確定方案，再到具體的設計，在這期間我遇到了很多問題，也發(fā)現(xiàn)了相關專業(yè)知識掌握的不足。在這次的課程設計中，我對直流電機不可逆單閉環(huán)調速控制系統(tǒng)也有了更深的認識，加深了理解，是對課堂所學知