直流電動機轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計1

1、 直流電動機調速系統(tǒng)課程設計班 級： 電氣0802 姓 名： 劉志勇 學 號： 08140218 目錄第一章：設計內容21.1設計內容：2第二章：設計要求22.1設計要求22.2設計參數(shù)：2第三章：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計33.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的成33.2系統(tǒng)電路結構43.3調節(jié)器的設計7第四章 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計144.1閉環(huán)系統(tǒng)調速的組成及其靜特性144.2 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算16第五章 相關原理圖設計波形圖195.1.主電路圖195.2.控制電路圖20第六章 設計總結及參考文獻236.1設計總結236.2 參考資料23 第一章：設計內容1.1設計內容： （1）根據(jù)給定參數(shù)設計轉

2、速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)（2）根據(jù)給定參數(shù)設計轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，使用模擬電路元件實現(xiàn)轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 第二章：設計要求 2.1設計要求 根據(jù)設計要求完成雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)設計計算、判 斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、繪制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 直流調速系統(tǒng)的調節(jié)器，選擇調節(jié)器結構、利用伯德圖完成系統(tǒng)動態(tài)校正、計算系統(tǒng)的穩(wěn)定余量及GM、計算調節(jié)器參數(shù)、繪 系統(tǒng)動態(tài)結構圖設計采用模擬調節(jié)器及MOSFET功率器件實現(xiàn)的轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)，繪制控制電路及主電路電路圖測試單閉環(huán)調速系統(tǒng)的PWM驅動信號波形、電壓電流波形、轉速反饋波形和直流電動機轉速及控制電路各單元的相關波形。2.2設計參數(shù)：電樞電阻Ra=1.8

3、 電樞電感La=9.76mH、GD2=16.68Ncm2、Tm=35ms測速發(fā)電機參數(shù)：Un=80V，nN=3000r/min，PN=16W,IN=200mA，負載電阻R=400PWM主電路：驅動頻率f10kHz,R=2.7+1.8=4.5設計指標轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)：U *n=5V，Uim=5V，Idm=1.5IN，i5%，n10%。 第三章：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計 3.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的成為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖所示。 圖中，把轉速調節(jié)器

4、的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 3.2系統(tǒng)電路結構為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用 P I 調節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。3.2.1穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

5、的穩(wěn)態(tài)結構圖a轉速反饋系數(shù); b 電流反饋系數(shù) 分析靜特性的關鍵是掌握這樣的PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值。即飽和調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和輸出未達到限幅值。即PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有調速調節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：（1）轉速調節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時，他們的輸入偏差電壓都是零，因此，而得到下圖靜特性的CA段。 （2）轉速調節(jié)器飽和： 輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的點電流閉環(huán)

6、調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 ，從而得到下圖靜特性的AB段。 這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點漂移而采用“準PI調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都N略有很小的靜差，見圖的虛線。3.2.3 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)：速反饋轉系數(shù) 電流反饋系數(shù) 電動機的電動勢常數(shù)3.3調節(jié)器的設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖3.3.1確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。由附表6.1知，PWM裝置的延長時間

7、Ts=0. 1ms=0.0001s。（2）電流濾波時間常數(shù)Toi。單相全控橋PWM波形的周期為 （12）Toi=0.1ms，因此取Toi=0.08ms=0.00008s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取= Ts+Toi=0.00018s。（4）電磁時間常數(shù)TL 2. 選擇電流調節(jié)器的結構根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中 -電流調節(jié)器的比例系數(shù)；-電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：,參照附表6.2的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本

8、確定電流調節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設計。3. 計算電流調節(jié)器的參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益：要求時，取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 4. 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率： 3125（1） PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件 3333.33 滿足近似條件。（2） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 369.274 滿足近似條件。（1） PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。（2） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 =344.24 滿足近似條件。（3） 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件。5. 計算調節(jié)器電阻和電容按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為 , 取1

9、02 ，取0.022 取0.008 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。如圖 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調節(jié)器3.3.2轉速調節(jié)器的設計 1. 確定時間1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由前述已知，則 （2）轉速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取.（3）轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 2. 選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為 3. 計算轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 0.0068 則轉速環(huán)開環(huán)增益 可得ASR

10、的比例系數(shù)為 式中 電動勢常數(shù)。4.檢驗近似條件轉速截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件。（2）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 滿足近似條件。 5計算調節(jié)器電阻和電容取，則 取 , 取 , 取 如圖 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉速調節(jié)器6.校核轉速超調量當h=5時，查附表6.3典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標得，不能滿足設計要求。實際上，由于附表6.3是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。計算超調量。設理想空載起動時，負載系數(shù)，已知， ， ，。當時，由附表6.4查得，而調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 (6-

11、24） 調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 為基準值，對應為額定轉速。根據(jù)式（6-24）計算得 滿足設計要求。 3.3.3調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，其中；代入以求數(shù)據(jù)得=； 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 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)伯德圖第四章 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計4.1閉環(huán)系統(tǒng)調速的組成及其靜特性閉環(huán)系統(tǒng)調速的組成及其靜特性根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只

12、要被調量出現(xiàn)偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。 調速系統(tǒng)的轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環(huán)將使調速系統(tǒng)應該能夠大大減少轉速降落。 調節(jié)原理：在反饋控制的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG ，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉速偏差電壓 DUn ，經過放大器 A，產生電力電子變換器UPE的控制電Uc 用以控制電動機轉速 n。圖中各方塊內的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結構圖運算法同樣可以推出下式： 4.2 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算方波發(fā)生器upc4570 振蕩周期高電平持續(xù)時間低電平持續(xù)時間 占空比振蕩頻率三角波發(fā)生

13、器upc4570 周期 上升時間 下降時間與門74HC08 死區(qū)時間4.2傳遞函數(shù)由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 ： = =10000 =418.24 =36.22 201gK=201g120=41.58dB 應用MATLAB編程畫伯德圖：num=0.0068,1;den=conv(1,0,conv(1,0,0.00136,1);k=64878.89;bode(num,den)Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(num,den)Gm =InfPm =0.3117Wcg =InfWcp =1.0000 直流單閉環(huán)調速系統(tǒng)伯德圖 第五章 相關原理圖設計波形圖5.1.主電路圖5.2.控制電路圖5.3.實測電路中的波形5.3.1 upc4570端口輸出波形5.3.2 UPC4574端口輸出波形 第六章 設計總結及參考文獻6.1設計總結本設計是對雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的設計，通過近一段時間的努力對該電路有了較為深入的研究，也進一步熟悉了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構形式、工作原理及各個器件的作用和設計。課程設計期間，借用圖書館的書籍以及通過網(wǎng)絡上的搜索，查閱了許多關于本設計的資料，學會了如何使用現(xiàn)有的圖書館資料。運用了protel 繪制電氣原理圖，一些簡單的圖形用畫圖板和