電流轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)匯總

1、皖西學(xué)院課程設(shè)計(jì)系別：機(jī)電系專業(yè)： 09電氣（電力拖動(dòng)方向）學(xué)生姓名：課程設(shè)計(jì)題目.電流轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起迄日期：11月5日11月18日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：指導(dǎo)教師：俞 鶴一、摘 要反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是要想維持系統(tǒng)中的某個(gè)物理量基本 不變，就引用該量的負(fù)反饋信號(hào)去與恒值給定相比較，構(gòu)成閉環(huán) 系統(tǒng)。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若想提高靜態(tài)指標(biāo)，就得提高靜特性硬 度，也就是希望轉(zhuǎn)速在負(fù)載電流變化時(shí)或受到擾動(dòng)時(shí)基本不變。 要想維持轉(zhuǎn)速這一物理量不變，最直接和有效的方發(fā)就是采用轉(zhuǎn) 速負(fù)反饋構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本文通過(guò)利用Matlab仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)， 包括單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理、對(duì)

2、所設(shè)計(jì)系統(tǒng) 的靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行分析、根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)設(shè) 計(jì)調(diào)節(jié)器、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的具體要求設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的Simulink仿真模型，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)定性開環(huán)閉環(huán)負(fù)反饋靜差二、總體方案設(shè)計(jì)1、控制原理設(shè)計(jì)如下的原理圖：I三相電源輸出電流反饋I八勺過(guò)流保護(hù)#i圖1、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，該系 統(tǒng)的控制對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī)，被控對(duì)象是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，品閘管 同步脈沖觸發(fā)電路用來(lái)調(diào)節(jié)品閘管的控制角，晶閘管觸發(fā)及整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，測(cè)速模塊把測(cè)得的轉(zhuǎn)速反饋到輸入 中。采用變電壓調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的無(wú)極平滑調(diào)速。

3、本系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器、 電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)和測(cè)速反饋組成。圖中將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào) 作為反饋信號(hào)，經(jīng)速度變換后接到電流調(diào)節(jié)器的輸入端，與給定 的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓 Uct用作控制整流橋 的觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到品閘管的門極和陰極之間。 通過(guò)改變脈沖相位來(lái)改變?nèi)嗳卣鞯妮敵鲭妷?，達(dá)到控制電 機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著給定電壓變化，即反饋控制的 閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏 差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。這里，電壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，主電路 用品閘管可控整流器調(diào)節(jié)對(duì)電機(jī)的電源供給。所以，

4、更具體的原理圖如下：圖2、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具體原理圖2、控制結(jié)構(gòu)圖有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結(jié)構(gòu) 圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖3、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖三、各部件相關(guān)參數(shù)選擇1、V M系統(tǒng)簡(jiǎn)介管閘管一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱 V-M系統(tǒng))，其簡(jiǎn)單原理圖 如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或 更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相 位，即可改變整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：(1.)由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系 統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。(2.)元件對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流以

5、及過(guò)高的 du/dt和di/dt都 十分敏感，其中任一指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元 件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在 選擇元件時(shí)還應(yīng)有足夠的余量。圖4 V M系統(tǒng)2、比例放大器運(yùn)算放大器用作比例放大器(也稱比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器)，如圖5, Uin和Uex為放大器的輸入和輸出電壓，Rbai為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響 放大系數(shù)為Ro6UexKp exp 503、UPE環(huán)節(jié)的原理圖設(shè)計(jì)該環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)的計(jì)算。UPE環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖6:(a)準(zhǔn)確的(b)近似的整流電路：采用三相橋式全控整流。21三相橋式全控整流電路原理圖如圖所

6、示。三相橋式全控整流電 路是由三相半波可控整流電路演變而來(lái)的，它由三相半波共陰極 接法(VT1, VT3, VT5刑三相半波共陽(yáng)極接法(VT1, VT6, VT2)的 串聯(lián)組合。其工作特點(diǎn)是任何時(shí)刻都有不同組別的兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，構(gòu) 成電流通路。接線圖中晶閘管的編號(hào)方法使每個(gè)周期內(nèi)6個(gè)管子的組合導(dǎo)通順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6四、參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)算系統(tǒng)框圖，就可以用已知的傳遞函數(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)要求中 給定的參數(shù)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩套參數(shù)的計(jì)算。以便于后續(xù) 步驟利用經(jīng)典控制論對(duì)系統(tǒng)的分析。為了方便以下的計(jì)算，每個(gè)參數(shù)都采用統(tǒng)一的符號(hào)，這里先 列出設(shè)計(jì)要求中給出的參數(shù)及大?。弘妱?dòng)

7、機(jī)：PN=10kwUn=220vIdN=55AnN=1000rpmR=0.5Q晶閘管整流裝置：二次線電壓 E2i=230vKs=44主回路總電阻：R=1Q測(cè)速發(fā) 電機(jī)：PNc=23.1kwUnc=110vIdN=0.21AnNc=1900rpm系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分：飛輪矩GD2=10Nm2電樞回路總電感量：要求在主回路電流為額定值10%時(shí)，電 流仍連續(xù)生產(chǎn)機(jī)械：D=10 s0 5%1、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算A、空載到額定負(fù)載的速降A(chǔ) nN 由公式：（其中D, s已知）D nNs（1 s）得：AnN05.26rpmB、系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)K 由公式：n RId 可算出Ce =0.1925林田） 得：K=53.3（

8、由公 CeUn IdN RanNWs(s)G測(cè)速反饋環(huán)節(jié)放大系數(shù)a測(cè)速發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：Unc/ n Nc=0.0579 Vmin/r測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電位器R巳分壓系數(shù)a2 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，人為選定a2=0.2WJ a=Gc a2=0.01158注：R松的選擇主要從功耗方面考慮，以不致過(guò)熱為原則D、運(yùn)算放大器的放大系數(shù)Kp由公式 K JKJ（其中a即a）Kp >20.14Ce取Kp=21 （若向小方向取，可能影響快速性，由于后加限幅電路, 略大無(wú)妨）此處的近似，使k由53.3變?yōu)?5.582、動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算在經(jīng)典控制論中，動(dòng)態(tài)分析基于確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，所以 要求出傳遞函數(shù)并根據(jù)已知求的傳遞函

9、數(shù)中的未知參數(shù)，再用勞 斯判據(jù)得出系統(tǒng)穩(wěn)定性，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上再加校正以優(yōu)化系統(tǒng)， 使穩(wěn)、準(zhǔn)、快指標(biāo)平衡在要求范圍內(nèi)的值上。構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動(dòng)機(jī)。不同 電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是TsS 1Ks只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù) Ks和Ts的數(shù)值不同而已。直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)：假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為：山。RId L 半 E,dt如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為：2GD dnT e T L375 dt額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為：Te CmId ,E Cen一包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N-m；GD2電力拖動(dòng)系統(tǒng)

10、折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量,N-m230 一一CmTl30Ce -電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，N-m/A; 冗L電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s；R2-GD-R電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s375CeCm整理以上各式得：Ud0 EI d I dLR(Id當(dāng)dtTm dER dt式中Idl工工為負(fù)載電流。Cm在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳 遞函數(shù)為：1Id(s)RUd0(s) E(s)T1S 1電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為：E(s) RI d(s) IdL(S)TmS整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖8所示圖8直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測(cè)速反 饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是

11、瞬時(shí)的，因此它們的傳遞函數(shù) 就是它們的放大系數(shù)，即：放大器：Wa(S)Uc(s)Un(S)KP，測(cè)速反饋：Wfn(S)Un(S)n(s)知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系 組合起來(lái)，即各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表示成結(jié)構(gòu)圖形式，就可以畫 出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。由圖可見(jiàn)，電 力電子變換器是一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一 階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作 是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 9所示：圖9、反饋控制單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖可見(jiàn)，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是:KW(s) 2(Ts

12、S 1)(TmTiS2 TmS 1)式中K = KpKs / Ce ,其中,Ts晶閘管裝置滯后時(shí)間常數(shù)Tm機(jī)電時(shí)間常數(shù)Ti:電磁時(shí)間常數(shù)主電路電感值L根據(jù)要求在主回路電流為額定值10%時(shí)，電流仍連續(xù)。 結(jié)合抑制電流脈動(dòng)的措施中關(guān)于 L的討論，得：公式：UL 0.693-U I dminU230其中，整流變壓器副邊額定相電壓(二次相電壓U2 早 筆 132.8V得：L=0.017H33其他未知參數(shù)計(jì)算電磁時(shí)間常數(shù)Tl - 0.017 0.017s R 1.0機(jī)電時(shí)間常數(shù)% GD2R ”上 0.075 s375CeCm 375 0.1925 30 0.1925對(duì)于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后

13、時(shí)間常數(shù)為0.00167 s系統(tǒng)傳函為：Ts =W (s)55.58(0.00167s 1)(0.001275s2 0.075s 1)五、穩(wěn)定性分析穩(wěn)定是系統(tǒng)首要的條件，一切的分析只有建立在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上才 有意義。1、基于經(jīng)典自控理論得分析根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)KpKsKpKs/CeWci(s)-1-_ _ 2_(Tss 1)(TmTisTms 1)KpKs /Ce(Tss1)(TmTis2 Tms 1)TmTiTs 3s1 KCe(1 K)Tm(Ti Ts) 2 s1 KTm-Jss 11 Kp s e特征方程TmTTs =3 Tm(TsTs) 2TmsTss 1 0應(yīng)用三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維

14、茨判據(jù),系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是代入整理得:a0 0, a10, a20, a30, aa2 a0a30Tm(Ti Ts)1 K所以：K Tm(T1Ts) TsTTs把所得參數(shù)代入TmTK0(Tl Ts)(Tm Ts)(1 K )TlTs2Tm(Tl。Ts2TTs49.4就是說(shuō)，k小于49.4系統(tǒng)才穩(wěn)定。但是，按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求計(jì)算出的要 K > 53.3 它們是矛盾的。所以，當(dāng)前的系統(tǒng)是不滿足要求的。2、用 Simulink 仿真Simulink仿真連接圖輸出示波器波形當(dāng)前系統(tǒng)輸出曲線輸出示波器波形：很明顯系統(tǒng)振蕩（由于沒(méi)加限幅，電流早已過(guò)大，電機(jī)已毀，實(shí)際中是不存在的六、系統(tǒng)校正

15、為了滿足要求，還保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般采用加調(diào)節(jié)器 校正的方法來(lái)整定系統(tǒng)。1、調(diào)節(jié)器的選擇PI調(diào)節(jié)器：比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī) 律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。比例部 分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，保持系 統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。這是當(dāng)給定電壓恒定時(shí)，閉環(huán)系 統(tǒng)起到抑制作用，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速穩(wěn)定在一定的范圍 之中。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并驗(yàn)證，本系統(tǒng)加PI調(diào)節(jié)器可滿足要求，調(diào)節(jié)器的 傳遞函數(shù)為：Simulink中創(chuàng)建的模型:0.049s 1Wpi0.088s轉(zhuǎn)速波形:系統(tǒng)的階躍響應(yīng):查看階躍響應(yīng)的菜單最大轉(zhuǎn)速：1130r

16、pm調(diào)節(jié)時(shí)間：0.293s超調(diào)量：11.3B3 i '/fewer lot siSO 口史tuuI 二Fl Ite Edit 妙 In己 gw Jdelp-s'k與Step0 ISLl Vtevvel-口 Reall-Tirre UpJate圖7、單位階躍響應(yīng)由下圖可見(jiàn)，電樞電流峰值達(dá)到了250多安，實(shí)際電機(jī)允許的瞬間最大電壓為額定值的 1.5倍，即82.5A,所以此系統(tǒng)還需加限流裝置。電機(jī)電樞電壓及轉(zhuǎn)速曲線2、限流裝置的選擇：當(dāng) 1 dRsUcom 時(shí)二極管截止，I dRsUcom 時(shí)二極管導(dǎo)通;電流負(fù)反饋信號(hào)Ui即可加到放大器上去，因此，截止電流1 dcrUcom/Rs ,

17、堵轉(zhuǎn)電流1 dblUcomUn Rs聯(lián)立上式 1 dcrU8m，Rs(1.11.2)I N dbl (Ucom Un)Rs(1.52)1 n電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如上圖11所示：Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取Idbl (Ucom Un). Rs(1.52)1 n從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電 流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取IdcrUcom/Rs(1.11.2)I n 本系統(tǒng)限流值應(yīng)為：82.5A七、系統(tǒng)驗(yàn)證1、分析系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)程序：k=692670;d=conv(conv(1 0,1 38.5),1 600);s1=tf(k,d);mag,phas,w=bod

18、e(s1);figure(1);margin(mag,phas,w);sisotool(sl)仿真結(jié)果：其中：Bode DiagramGm = 26E d日（at 152 radr5ec, Ph = &*.&deg （卅 25 ra*邙即:增益余度:Gm=26.6dB幅值穿越頻率：c=152rad/sec相角余度：y =54.5相角穿越頻率：g=25rad/sec系統(tǒng)為1型，速度誤差系數(shù)：Kv=co =22、Simulink仿真系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行情況系統(tǒng)可以作如下連接:Ait給定：11.58j ”7,聾片口下n鼻臣/飛a超調(diào)15.28%峰值時(shí)間0.285s調(diào)節(jié)時(shí)間0.5s可見(jiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速穩(wěn)定在1000rpm,符合要求。八、小結(jié)通過(guò)對(duì)單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的全面設(shè)計(jì)，復(fù)習(xí)和鞏固 了自動(dòng)控制原理、電力拖