小功率直流調速系統(tǒng)設計無超調系統(tǒng)設計

課程設計任務、內容與步驟 21.1. 設計目標 2設計內容與步驟 2 直流電機相關參數(shù)的測算 2實驗步驟3 實驗注意事項]]]]]]]][]二]]二二二二二二二二二二二二二「3擬合曲線…. _4注意事項 4調速系統(tǒng)的總體設計 53.1 電流調節(jié)器 53.1. 轉速調節(jié)器 5系統(tǒng)原理圖 5直流電源的選擇 6PWM的等效傳遞函數(shù)…… 電流內環(huán)的設計 6 5.1. 電流環(huán)結構組成 6 5.2.電流環(huán)的仿真校正 6轉速外環(huán)的設計 9 …… 轉速環(huán)結構組成 9 轉速環(huán)PI調節(jié)器部分參數(shù)計算 9MATLAB仿真與調試 錯誤!未定義書簽。繪制系統(tǒng)框圖 10系統(tǒng)調試 11心得體會與收獲 錯誤!未定義書簽。無超調小功率直流調速系統(tǒng)設計設計任務、內容與步驟1.1設計目標設計一個無超調小功率直流調速系統(tǒng)，設計要滿足以下性能指標：（1） 電流最大超調量小于5%轉速無超調；（2） 轉速與電流調節(jié)器均為帶限幅輸出的調節(jié)器；（3） 階躍負載擾動作用下的恢復時間小于1S。1.2設計內容及步驟（1） 設計實驗內容及步驟，測定直流電機的各個參數(shù)，包括電樞回路電阻、電阻、電感、電磁時間常數(shù)及機電時間常數(shù)；（2） 按可逆調速的要求，選擇直流電源的形式，給出電路圖及輸出波形圖;不要求對具體的元件型號及參數(shù)進行選擇，也不要求對電源本身的控制電路（如可控硅整流的觸發(fā)電路與PWM整流的驅動電路）及相關的保護電路進行選擇；（3） 按各分組中性能指標額要求，設計轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的原理圖及動態(tài)結果圖；利用靜態(tài)特性圖確定反饋系數(shù)及各環(huán)節(jié)增益；利用動態(tài)結構圖進行校正，確定各調節(jié)器（控制器）的結構與參數(shù)；（4） 利用matlab進行仿真調試，觀察系統(tǒng)啟動過程中（即階躍響應）轉速誤差、電流誤差、點數(shù)回路電流及轉速的變化曲線，對參數(shù)進行適當調整，直至滿足性能指標要求。直流電機參數(shù)測算的實驗內容2.1實驗步驟（1） 電樞回路電阻的測量：采用伏安法測電阻，將電樞繞組當做簡單的電阻來測量，多次測量求平均值；（2） 電樞回路電感的測量:，采用伏安法測量，輸入電源采用交流電源輸入,求阻抗，利用公式X=VZ2-R2和L=X/（2,f）算電感值L；機電時間常數(shù)的測量：在示波器上測量測速發(fā)電機的輸出電壓，記錄多組電壓一時間數(shù)據(jù)，然后利用matlzb曲線擬合求電機時間常數(shù)。2.2實驗原理圖2.3實驗注意事項測量直流電機的電樞電阻時可以利用交流電源來測量，這樣可以同時將電樞的電感測量出來，以便計算電機的電磁時間常數(shù)和機電時間常數(shù)2.4曲線擬合x=[-2-1.92-1.90-1.84-1.8-1.74-1.68-1.6-1.56-1.50-1.40-1.24-1.08-0.88-0.52-0.320.160.760.961.01.321.56]y=[00.160.962.162.83.763.924.644.965.25.526.47.27.688.248.248.488.408.648.648.648.64]plot(x,y,'r','linewidth',2)holdon;y1=polyval(polyfit(x,y,3),x);holdon;plot(x,y1,'b-o','linewidth',2)t=-2:0.01:3;y=polyval(polyfit(x,y,3),x);Index=find(y>=0.632*max(y));T=x(min(Index))

102.4.測量計算所得到的參數(shù)表電樞電阻R41.21Q電樞電感L0.65H電磁時間常數(shù)Ce0.0158機電時間常數(shù)Tm0.11177額定轉速n1600r/min額定電流I1.2A額定電壓U220V額定功率P185W3調速系統(tǒng)的總體設計和原理分析按照控制對象確定電流調節(jié)器的類型及其參數(shù)；再根據(jù)電流調節(jié)器參數(shù)計算電流調節(jié)器的電路參數(shù)；當用電腦實現(xiàn)數(shù)字控制時，按照此參數(shù)設計數(shù)字調節(jié)

器。電流環(huán)設計完成后，把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉速環(huán)（外環(huán)）的一個組成部分，再用同樣的方法設計轉速環(huán)。3.1系統(tǒng)結構示意圖轉速一電流一電壓三閉環(huán)調速系統(tǒng)結構示意圖轉速一電流一電壓三閉環(huán)調速系統(tǒng)結構示意圖3.1電流調節(jié)器的設計一般來說，電流環(huán)應該以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統(tǒng)，若要其具有較好的抗擾性能，澤應校正成典型II型系統(tǒng)，代價是增大了電流的超調量。電流調節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化。對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。對電流調節(jié)器，在電流瞬變的過程中，電動勢基本不變，忽略反電動勢的近似條件是①＞3：丄。可把電流環(huán)等效成單位負反饋系統(tǒng)。a\TTml3.2轉速調節(jié)器的設計電流環(huán)用它的等效傳遞函數(shù)代替后，也可將轉速環(huán)等效為單位負反饋的形式，即把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內，并將濾波時間常數(shù)和電流環(huán)的時間常數(shù)近似為一個時間常數(shù)為T的小慣性環(huán)節(jié)。,nT=丄+T,n K0n

系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差的條件是：在負載擾動點之前必須含有一個積分環(huán)節(jié)。其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。由于測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波。4.電源的選擇本次設計采用的直流電源是PWM,它是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其是在對電機的轉速控制方面，可大大節(jié)省能量。而晶閘管相控整流電源需要在環(huán)內加裝平波電抗器，設計過程較為復雜，且PWM在工程中運用已相當普遍，故本次課程設計的直流電源采用PWM電源。4.1PWM系統(tǒng)的原理圖U5MC7815CU5MC7815C4.2PWM的等效傳遞函數(shù)用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關系為Ud0=KsUc.1(t-Ts)按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為Ws(s)=Udo(s)/Uc(s)=Kse^(-Ts)由于延遲時間常數(shù)很小，傳遞函數(shù)可以近似等效為Ws(s)=Udo(s)/Uc(s)=Ks/(TS+1)5.電流內環(huán)的設計

5.1電流環(huán)結構組成從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用I型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應跟隨性能為主，即應選用典型I型系統(tǒng)。圖2.3.1c表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng),顯然應采用PI型的電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成K("+1)W(s)=——i——i ACR TSi式中K――電流調節(jié)器的比例系數(shù)；Ti――電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。i為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇錯誤!未找到引用源。Ti=氣5.2電流調節(jié)器參數(shù)計算電流調節(jié)器傳遞函數(shù)為W(s)=K(，is€為了讓調節(jié)器零點與控制對象的ACR— ,sACRi大時間常數(shù)極點對消Ti=0.0158s電流環(huán)開環(huán)增益K贏電流環(huán)開環(huán)增益K贏=a63」5”)=- ciT￡iK,R263.1579x0.015297x44.31ACR比例系數(shù)K=h= =1.45934iK… 44x2.7778sT=T+T，開關頻率f=1000Hz￡iois濾波時間常數(shù)T=1/f=1/(1000Hz)=0.001s,s為了基本濾平電流，取電流濾波時間常數(shù)T=0.0009s，T=0.0019s；oi ￡iU* n* 5Ks="6=廣F==2.7778;dm得電流環(huán)傳遞函數(shù)為:

0.0252965sE,、K(€s+1)0.02232s+1.45934W(s),ii0.0252965sACR €si此時電流超調量b=4.3%,小于5%,符合系統(tǒng)要求。i5.3電流環(huán)結構圖及參數(shù)調試5.3MatIab調試結果6.轉速外環(huán)的設計6.1轉速環(huán)的特性由于需要實現(xiàn)轉速無靜差，而且在后面已經有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為KTs+1)w (s)= ——-錯誤！未找到引用源。ASR Ts錯誤！未找到引用源。n式中錯誤!未找到引用源。一轉速調節(jié)器的比例系數(shù)，錯誤!未找到引用源。一轉速調節(jié)器的超其時間常數(shù)在轉速變化過程中，轉速負反饋和轉速微分負反饋兩個信號一起與給定信號U*n相抵，將在比普通雙閉環(huán)系統(tǒng)更早一些的時刻達到平衡，開始退飽和。6,2轉速環(huán)參數(shù)計算轉速調節(jié)器的傳遞函數(shù)為w(s),七((+1)ACR €Sn根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，選取h，5，時間常數(shù)T,0.01s,則轉速環(huán)on小時間常數(shù)T+T=0.0038s+0.01s=0.0138s8n KonITOC\o"1-5"\h\zU… 5?, nm, =0.003125n 1600maxb,hT,5x0.0138,0.069n &nASR的比例系數(shù)K，(h+16CT 冬01^，10.3921n 2h?RT 2xsx0.003125x44.31x0.01388n轉速調節(jié)器閉環(huán)傳遞函數(shù)為：K(s+1) 10.3921(s+1)W (s),——n , acr€s 0.069snTT7,、 18.964(0.08s+1)W(s)， asr 0.08s7.仿真與調試過程7.1繪制系統(tǒng)框圖在MATLAB中依照原理圖選擇合適模塊完成系統(tǒng)框圖。注意轉速調節(jié)器不能用普通的傳遞函數(shù)模塊，而應采用比例積分分離器，且轉速調節(jié)器輸出端應加入限幅環(huán)節(jié)，以防止電機過流并使電機在啟動時實現(xiàn)線性啟動；電流調節(jié)器同樣要加以限幅，電流調節(jié)器輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，即使不希望電流調節(jié)器進入限幅。系統(tǒng)框圖如下：7.2系統(tǒng)調試系統(tǒng)調試的一般原則是：先內環(huán)后外環(huán)，因為如果內環(huán)性能稍差，不能完全滿足設計要求，還可以通過外環(huán)加以矯正，而對于外環(huán)相關參數(shù)的偏差，內環(huán)的調節(jié)能力明顯要差得多。因此，首先調試電流內環(huán)的相關參數(shù)，基本符合要求后再調整轉速外環(huán)的相關參數(shù)。電流內環(huán)的調試：調整ASR的比例系數(shù)和積分時間常數(shù)，使得電機在啟動過程中超調小于百分之五，且超調過后電流能馬上達到較大的恒定值并實現(xiàn)恒流啟動。增大ACR的比例系數(shù)會使電流環(huán)的超調增大，但對恢復時間影響不大；慢慢調整ACR的系數(shù)，直到電流輸出滿足要求7.3結果分析第I階段：電流上升階段，突加給定電壓Un后，通過兩個調節(jié)器的控制作用，使Ui,Uct,Udo和Id都上升。由于電動機機電慣性很大轉速n及反饋信號Un的增長較慢，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差數(shù)值較大，使輸出很快達到限幅值。轉速反饋信號的上升只要不超過給定值，則ASR一直處于限幅值,在ASR的限幅值作用下，ACR的輸出Uct也有一躍變，但因其參數(shù)的配合，Uct達不到其輸出的限幅值。Uct的突升，使晶閘管整流裝置輸出電壓Udo也突增至強迫電流Id迅速上升。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，ACR一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調節(jié)作用。第II階段：恒流升速階段，電流升到最大值，之后有微小超調，其超調小于5%，最后達到平穩(wěn)最大值，到轉速升到升到給定值為止，這階段ASR的輸入偏差一直為正，因此輸出一直是飽和的，負載轉矩恒定，則電動機的加速度恒定，轉速和電動勢都按線性規(guī)律增長。此時Id要略低于Imd。(3)第III階段：轉速調節(jié)階段，這個階段從電動機轉速上升到給定值開始。此時ASR的輸入偏差為零，但輸出由于積分的記憶作用還維持在限幅值，因此電動機仍在最大電流下加速，必然產生轉速超調。由于速度反饋環(huán)上串聯(lián)了微分環(huán)節(jié)，使得轉速無超調，滿足了實驗要求(2)。（4）第W階段：階躍擾動階段，在電流輸出的節(jié)點處加一階躍擾動為為額定電流,即1.2A,在擾動過后，電流迅速上升，同時，轉速下降。之后又達到穩(wěn)定值。8實驗心得與感想8.1.設計過程簡要回顧本次實驗由本組六個成員共同完成，相對其他小組來說，我們采用的是速度、電流雙閉環(huán)直流調速，比用三環(huán)要簡單，參數(shù)易設計些，首先是通過第一個上午的電機參數(shù)的測定與計算，暫且知道這些后，開始查找資料，對圖書館有限的資料，我們采取復印的辦法，讓每個人都能得到充足的資料。首先是確定設計思路，由于我們是對無超調直流電動機的調速設計，因此采用雙閉環(huán)直流調速。接下來查閱資料了解設計原理，包括電流源的選擇，電流環(huán)的設計，速度反饋環(huán)的設計。之后設計直流調速系統(tǒng)的原理圖，結構圖。確定好參數(shù)，就在計算機上用MATLAB上二次仿真平臺simulink來仿真。得出仿真圖形，根據(jù)各環(huán)節(jié)的設計原理調節(jié)各參數(shù)，使得到符合實驗要求的仿真圖。8.2.問題考究此次設計是以自動控制原理這門課程為基礎，為加深和鞏固知識而進行的一次十分有意義的課程設計。在設計過程中，遇到了很多問題，在和同學討論以及向老師請教的過程中一一得到解決。以前的理論知識基本上是空中樓