課程設計任務書

題

目

帶電流截至負反饋的轉速閉環的數字式直流調速系統

設

計

時

間

18周周四~20周周三

設

計

目的：

應用所學的交、直流調速系統的基本知識與工程設計方法，結合生產實際，確定系統的性能指標與實現方案，進行運動控制系統的初步設計。

應用計算機仿真技術，通過在MATLAB軟件上建立運動控制系統的數學模型，對控制系統進行性能仿真研究，掌握系統參數對系統性能的影響。

在原理設計與仿真研究的基礎上，應用PROTEL進行控制系統的印制板的設計，為畢業設計的綜合運用奠定堅實的基礎

設

計

要

求：

1.應詳細敘述控制系統各部件的方案選擇

2.應詳細敘述控制系統的設計過程及參數選擇的理由.3.設計報告應包括控制系統原理圖一份(用A3圖紙),并附系統工作原理說明.4.仿真結果曲線圖要有性能分析.5.設計報告應有自己的設計感想.6.設計報告除應交文字版外,還應遞交電子版.7.設計報告必須在1月10日前交.總體方案實現：

可控電源選擇脈寬調速系統，即采用直流PWM調速系統

主電路選用V-M系統，采用三相橋式全控整流電路，并增加抑制電流脈動的措施，為此設置平波電抗器。觸發電路采用三相集成觸發器。

確定整流裝置的放大倍數

設計電流調節器和轉速調節器，確定其參數，調節器結構

用protel99se繪制主電路原理圖

系統的matlab仿真運行，確定系統的仿真模型，轉速，電流仿真波形

指導教師評語：

一、設計目的應用所學的交、直流調速系統的基本知識與工程設計方法，結合生產實際，確定系統的性能指標與實現方案，進行運動控制系統的初步設計。

應用計算機仿真技術，通過在MATLAB軟件上建立運動控制系統的數學模型，對控制系統進行性能仿真研究，掌握系統參數對系統性能的影響。

在原理設計與仿真研究的基礎上，應用PROTEL進行控制系統的印制板的設計，為畢業設計的綜合運用奠定堅實的基礎。

二、設計參數

1、直流電動機（4）：

輸出功率為:10Kw，電樞額定電壓220V

電樞額定電流

55A，額定勵磁電流1A

額定勵磁電壓220V，功率因數0.85

電樞電阻0.1歐姆，電樞回路電感100mH

電機機電時間常數1S，電樞允許過載系數1.5

額定轉速1430rpm2、環境條件：

電網額定電壓:380/220V，電網電壓波動:10%

環境溫度:-40~+40攝氏度，環境濕度:10~90%

3、控制系統性能指標：

電流超調量小于等于5%

空載起動到額定轉速時的轉速超調量小于等于30%

調速范圍D＝20，靜差率小于等于0.03.三、系統方案選擇

1.可控電源選擇

直流電動機具有良好的起制動性能在廣泛范圍內可實現平滑調速，在需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。從生產機械要求控制的物理量來看，各種系統往往都通過控制轉速來實現的。因而直流調速系統是最基本的拖動控制系統。直流變電壓調速是直流調速系統用的主要方法，調節電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：

①轉電流機組

適用于調速要求不高、要求可逆運行的系統但其設備多、體積大、費用高、效率低。

②靜止可控整流器

可通過調節觸發裝置的控制電壓來移動觸發脈沖的相位從而實現平滑調速且控制作用快速性能好提高系統動態性能。

③PWM(脈寬調制變換器)或稱直流斬波器

利用直流斬波器或脈寬調制變換器產生可變平均電壓，與V—M系統相比，PWM系統在很多方面有較大的優越性：

主電路線路簡單，需要的功率器件少，開關頻率高；電流容易連續，諧波少，電機損耗及發熱都較小；低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬；若與快速響應的電動機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；功率開關器件工作在開關狀態，道通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率高；直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流高。因此，本設計應選擇脈寬調速，即采用直流PWM調速。

2.轉速負反饋的閉環直流調速系統的原理

該系統由轉速給定環節為Un*,放大倍數為KP的放大器、移相觸發器CF、晶閘管整流器和直流電動機M、測速發電機TG等組成。帶轉速負反饋的直流調速系統的穩態特性方程為:K=KPKSKa/Ce,KP為放大器放大倍數;KS為晶閘管整流器放大倍數;Ce為電動機電動勢常數;

為轉速反饋系數;R

為電樞回路總電阻。從穩態特性方程2.10

式可以看到,如果適當增大放大器放大倍數KP電機的轉速降△n

將減小,電動機有更好的保持速度穩定的性能。

為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用

P

I

調節器，這樣構成的雙閉環直流調速系統的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調節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。

電流截止負反饋

為了解決反饋閉環調速系統的起動和堵轉時電流過大問題,系統

中必須有自動限制電樞電流的環節。根據反饋控制原理,要維持哪一

個物理量基本不變,就應該引入那個物理量的負反饋。那么引入電流

負反饋,應該能夠保持電流基本不變,使它不超過允許值。但是這種作

用只應在起動和堵轉時存在,在正常運行時又得取消,讓電流自由地隨著負載增減,這樣的當電流大到一定程度時才出現的電流負反饋叫做電流截止負反饋,簡稱截流反饋。

為了實現截流反饋,須在系統中引入電流截止負反饋環節。如圖1所示,電流反饋信號取自串人電動機電樞回路的小阻值電阻RS,IdRS正比于電流。設Idcr為臨界的截止電流,當電流大于Idcr時將電流負反饋信號加到放大器的輸入端,當電流小于Idcr時將電流反饋切斷。為了實現這一作用,須引入比較電壓Ucom。圖1a中利用獨立的直流電源作比較電壓,其大小可用電位器調節,相當于調節截止電流。在IdRS與Ucom之間串接一個二極管VD,當IdRS>Ucom時,二極管導通,電流負反饋信號Ui即可加到放大器上去;當IdRS≤Ucom時,二極管截止,Ui即消失。顯然,在這一線路中,截止電流Idcr=Ucom/RS。

圖2-1b中利用穩壓管

VST的擊穿電壓Ubr作為比較電壓,線路要簡單得多,但不能平滑調節截止電流值。

圖1

電流截止負反饋環節

圖2

電流截止負反饋環節的輸入輸出特性

圖3

帶電流截止負反饋閉環調速系統的靜特性

電流截止負反饋環節的輸入輸出特性如圖2所示,它表明:當輸入信號(IdRs-Ucom)為正值時,輸出和輸入相等;當(IdRs-Ucom)為負值時,輸出為零。這是一個非線性環節(兩段線性環節),將它畫在方框中,再和系統的其它部分聯接起來,即得帶電流截截止負反饋的閉環調速系統穩態結構圖4,圖中Ui表示電流負反饋信號電壓,Un表示轉速負反饋信號電壓。

圖4

帶電流截止負反饋的閉環調速系統穩態結構圖

2雙閉環直流調速系統

雙閉環（轉速環、電流環）直流調速系統是一種當前應用廣泛，經濟，適用的電力傳動系統。它具有動態響應快、抗干擾能力強的優點。我們知道反饋閉環控制系統具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環調速系統可以在保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。但如果對系統的動態性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環系統中不能完全按照需要來控制動態過程的電流或轉矩。

在單閉環系統中，只有電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態波形。帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動時的電流和轉速波形如圖5-a所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。

在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這樣的理想起動過程波形如圖5-b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。

帶電流截止負反饋的單閉環調速系統的啟動過程

理想快速啟動過程

圖5

調速系統啟動過程的電流和轉速波形

實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變[1]，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節器的輸入端，到達穩態轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發揮主作用，因此我們采用雙閉環調速系統。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。

為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發裝置。從閉環結構上看，電流調節環在里面，叫做內環；轉速環在外面，叫做外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。

該雙閉環調速系統的兩個調節器ASR和ACR一般都采用PI調節器。因為PI調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態精度，使系統在穩態運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要求以穩和準為主，采用PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。

三

主電路設計

主電路和控制系統確定

主電路選用V-M系統，采用三相橋式全控整流電路，并增加抑制電流脈動的措施，為此設置平波電抗器，總電感量的計算公式為

L=0.693U2/Idmin,一般取Idmin為電動機額定電壓的5%-10%。觸發電路采用三相集成觸發器。

圖

晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）

圖

雙閉環直流調速系統電路原理圖

確定整流裝置的放大倍數

1)

為滿足調速系統的穩態性能指標，額定負載時的穩態速降為：

2）閉環系統應有的開環放大系數：

電動機的電動勢系數：

則開環系統額定速降為：

則閉環系統的開環放大系數應為：

3）計算轉速負反饋環節的反饋系數和參數

在轉速反饋系數α包含測速發電機的電動勢系數Cetg和其輸出電位器RP2的分壓系數α2，即α=α2Cetg

根據測速發電機的額定數據有：

試取α2=0.15，如測速發電機與主電動機直接連接，則在電動機最高轉速970r/min時，轉速反饋電壓為

穩態時很小，只要略大于即可，現有直流穩壓電源為15V，完全能夠滿足給定電壓的需要。因此，取=0.15是正確的。

于是，轉速負反饋系數的計算結果為：

電位器RP2的選擇方法如下：為了使測速發電機的電樞電壓降對轉速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則

此時RP2所消耗的功率為：

為了不致使電位器溫度很高，實選電位器的瓦數應為所消耗功率的一倍以上，故可將RP2選為10w，2kΩ的可調電位器。

4）計算運算放大器的放大系數和參數

根據調速指標要求，前已求出閉環系數應為K165.6，則運算放大器的放大系數Kp應為，取Kp為65

運算放大器的參數計算如下：

根據所用運算放大器的型號，取，則

晶閘管觸發整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯結，二次線電壓，電壓放大系數。

1、電流調節器的設計

1）

確定時間常數

A、整流裝置滯后時間常數，三相橋式電路的平均失控時間=0.0017s。

B、機電時間常數，電磁時間常數。

C、電流濾波時間常數。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有，因此取=2ms=0.002s。

D、電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取=+=0.0037s。

2）

選擇電流調節器結構

根據設計要求電流超調量，并保證穩態電流無差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可以用PI型電流調節器，其傳遞函數為

檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型I型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的。

3）

計算電流調節器參數

電流調節器超前時間常數:。

電流環開環增益：要求時，應取，因此。

于是，ACR的比例系數為

電流反饋系數

4)

校驗近似條件

電流環截止頻率：。

A、晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件

滿足近似條件。

B、忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件

滿足近似條件。

C、電流環小時間常數近似處理條件

滿足近似條件。

5）

計算調節器電阻和電容

按所用運算放大器取，各電阻和電容值為，取20。

按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標，滿足設計要求。

2、轉速調節器的設計

1）

確定時間常數

［1］

電流環等效時間常數1/,由上已取，則

［2］

轉速濾波時間常數，根據所用測速發電機紋波情況，取=0.01s。

［3］

轉速環小時間常數，按小時間常數近似處理，取。

2）

選擇轉速調節器結構

按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為

3）

計算轉速調節器參數

按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前

時間常數為

轉速開環增益

于是，ASR的比例系數為

4）

檢驗近似條件

轉速環截止頻率為

A、電流環傳遞函數簡化條件為，滿足近似條件。

B、轉速環小時間常數近似處理條件為，滿足近似條件。

5）

計算調節器電阻和電容

取，則

6）

校核轉速超調量

當h=5時，不能滿足設計要求。實際上，由于表中是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。

由已知有，Ce=0.15Vmin/r，當h=5時，查表可得

代入式

可得

能滿足設計要求。

六、系統的MATLAB仿真

1、系統仿真模型

2、轉速仿真波形

3、電流仿真波形

七、心得體會

本文主要對轉速閉環直流電機的調速系統進行分析并在MATLAB/SIMULINK

建立起仿真圖并進行仿真。介紹了轉速負反饋的閉環直流調速系統的原理,完成了轉速閉環調速系統的優點并建立其原理框圖和仿真圖。將建立的仿真圖在MATLAB軟件里面仿真得出直流電動機各物理量的波形。對波形進行分析得出轉速負反饋閉環調速系統的優點和不足。本論文具有很強的理論與實際意義。

通過本次設計，加強了我對單片機應用知識的掌握，同時了解了目前工業生產中數字化系統的重要性，鞏固了我的專業課知識，使自己受益匪淺。總之，通過本次設計不僅進一步強化了專業知識，還掌握了設計系統的方法、步驟等，為今后的工作和學習打下了堅實的基礎。

課程設計是我們專業課程知識綜合應用的實踐訓練，是我們邁向社會，從事職業工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎．

八、參考文獻

[1]陳伯石，電力拖動自動控制系統[M]，機械工業出版社，北京，2003

[2]顧繩谷，電機及拖動基礎上冊[M]，機械工業出版社，北京，2000

[3]陳治明，電力電子器件[M]，機械工業出版社，北京，1992

[4]王兆安，電力電子變流技術[M]，機械工業出版社，北京，2003

[5]張明勛.電力電子設備和應用手冊[M]，機械工業出版社，北京，1992

[6]顧繩谷.電機及拖動基礎下冊[M]，機械工業出版社，北京，2000