電氣工程課程設計直流電機調速系統(tǒng)設計

1、<p>　　東 北 石 油 大 學</p><p>　　課 程 設 計</p><p>　　2012年 7月 18</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 設計要求1</b></p><p>　　2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計

2、1</p><p>　　2.1系統(tǒng)的組成1</p><p>　　2.2系統(tǒng)的原理圖2</p><p>　　3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性3</p><p>　　3.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖3</p><p>　　3.2系統(tǒng)靜特性3</p><p>　　3.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖4&l

3、t;/p><p>　　4電流調節(jié)器的設計4</p><p>　　4.1確定時間常數(shù)4</p><p>　　4.2選擇電流調節(jié)器的結構4</p><p>　　4.3計算電流調節(jié)器的參數(shù)5</p><p>　　4.4計算調節(jié)器電阻和電容5</p><p>　　4.5計算電流調節(jié)器的參數(shù)6&l

4、t;/p><p>　　4.6校驗近似條件6</p><p>　　5轉速調節(jié)器的設計7</p><p><b>　　5.1確定時間7</b></p><p>　　5.2計算轉速調節(jié)器參數(shù)7</p><p>　　5.3檢驗近似條件8</p><p>　　5.4計算調節(jié)器電

5、阻和電容8</p><p>　　5.5校核轉速超調量9</p><p>　　6調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)9</p><p><b>　　結論10</b></p><p><b>　　參考資料11</b></p><p><b>　　1 設計要求</b&g

6、t;</p><p>　　2.1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。 </p><p>　　2.2按工程設計方法設計雙閉環(huán)轉速電流雙閉環(huán)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γ及GM、計算調節(jié)器參數(shù)、繪制系統(tǒng)動態(tài)及結構圖。</p><p>　　2.3設計采用模擬調節(jié)器及

7、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。</p><p>　　2.4測試雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的PWM驅動信號波形、PWM電壓波形、電機電流波形、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。</p><p>　　2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)的組成</b></p>

8、;<p>　　轉速、電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)是應用最廣性能很好的直流調速系統(tǒng)。采用PI調節(jié)的單個轉速閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)無靜差調速。但對于系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高的系統(tǒng)，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。</p><p>　　為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電

9、流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達到的控制是：起動過程只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；達到穩(wěn)態(tài)轉速后只有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮作用。</p><p>　　為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可以在系統(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，如圖2.1所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調機器的輸入，再把電流調節(jié)器的輸出去控

10、制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里，稱作內環(huán)；轉速換在外，稱作外環(huán)。這就形成了轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構圖2.1如下：</p><p>　　圖2.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)的原理圖</b></p><p>　　為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個

11、調節(jié)器一般都采用PI 調節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2.2所示。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。圖中還標出了兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖2.2

12、如下：</p><p>　　圖2.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性</p><p>　　3.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構圖，如圖3.1所示。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調節(jié)器就可以了。分析靜

13、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：</p><p>　　飽和——輸出達到限幅值：當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(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)。</p><p>　　不飽和——輸出未達到限幅值：當調節(jié)器不飽和時，正如所闡明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)

14、態(tài)時總是零。 </p><p><b>　　3.2系統(tǒng)靜特性</b></p><p>　　雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到 Idm 后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。</p><p>　　這就是采用了兩個PI調

15、節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。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飄移而采用 “準PI調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如圖3.1中虛線所示。 </p><p>　　圖3.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　3.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖</p><

16、;p>　　繪制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2雙閉環(huán)調速體統(tǒng)的動態(tài)結構圖</p><p><b>　　4電流調節(jié)器的設計</b></p><p><b>　　4.1確定時間常數(shù)</b></p><p>　?。?）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。驅動頻率 f≥1

17、0kHz 時，PWM裝置的延長時間。</p><p>　?。?）電流濾波時間常數(shù)Toi。 應有（1-2），因此取。</p><p>　?。?）電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i。按小時間常數(shù)近似處理，取。</p><p>　?。?）電磁時間常數(shù)：。</p><p>　　4.2選擇電流調節(jié)器的結構</p><p>　　根據(jù)設計要

18、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</p><p>　　式中 Ki------電流調節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　τi-----電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能： ,參照表1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

19、基本確定電流調節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設計。</p><p>　　4.3計算電流調節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。</p><p>　　電流開環(huán)增益:要求時,按表2可取 ，</p><p><b>　　因此， </b></p><p>　　PWM裝置的放大系數(shù)：

20、 </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p>　　4.4計算調節(jié)器電阻和電容</p><p>　　由圖6，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為</p><p>　　取90 </p><p>　　，取0.024

21、 </p><p>　　取0.006 </p><p>　　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4.1所示：</p><p>　　圖4.1含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器</p><p>　　4.5計算電流調節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調節(jié)器超前時間常數(shù)

22、：。</p><p>　　電流開環(huán)增益:要求時,按表2可取 ，</p><p><b>　　因此， </b></p><p>　　PWM裝置的放大系數(shù)： </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p><b

23、>　　4.6校驗近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　(1)PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　(2)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：</p>

24、;<p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件。</p><p><b>　　5轉速調節(jié)器的設計</b></p><p><b>　　5.1確定時間</b>&

25、lt;/p><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由前述已知，，則:</p><p>　　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 .</p><p>　　轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 </p><p>　　5.2計算轉速調節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性

26、能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 </p><p><b>　　則轉速環(huán)開環(huán)增益</b></p><p>　　可得ASR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　式中電動勢常數(shù) </b></p

27、><p><b>　　5.3檢驗近似條件</b></p><p><b>　　轉速截止頻率為</b></p><p>　?。?）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為</p><p><b>　　滿足簡化條件。</b></p><p>　?。?）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條

28、件為</p><p>　　滿足近似條件。 </p><p>　　5.4計算調節(jié)器電阻和電容</p><p>　　根據(jù)圖7所示，取，則</p><p>　　取 </p><p><b>　　取</b></p><p>&l

29、t;b>　　取 </b></p><p>　　含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器如圖5.1所示：</p><p>　　圖5.1含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器</p><p>　　5.5校核轉速超調量</p><p>　　當h=5時，查表3典型II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，由于按線

30、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。</p><p>　　設理想空載起動時，負載系數(shù)，已知，，，， ， ，。當時，由表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 </p><p>　?。?） </p><p>　　調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速&l

31、t;/p><p>　　為基準值，對應為額定轉速。</p><p>　　根據(jù)式（6）計算得 </p><p><b>　　滿足設計要求。 </b></p><p>　　6調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p><b>　　，其中</b></p>

32、;<p>　　代入以上求得的數(shù)據(jù)得</p><p>　　應用MATLAB編程畫伯德圖，如圖5.2所示：</p><p>　　圖5.2 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)伯德圖</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　1. 兩個PI調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定

33、了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。</p><p>　　2. 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飄移而采用 “準PI調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。</p><p>　　3. 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。</p&g

34、t;<p>　　4. 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 Un ，經過放大器 A，產生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動機轉速 n。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1]陳伯

35、時. 運動控制系統(tǒng) [M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2009.</p><p>　　[2]陳治明. 電力電子器件 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2004.</p><p>　　[3]樊麗萍,王忠慶. 電力電子技術 [M]. 北京：中國林業(yè)出版社 2006.</p><p>　　[4]袁德成,王玉德. 自動控制原理 [M]. 北京：北京大學出版社 2006.<

36、/p><p>　　[5]付光杰，趙海龍. 電機與拖動 [M]. 北京：石油工業(yè)出版社 2011</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　表1轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)零件表</p><p><b>　　主電路圖：</b></p><p><b>　　控

37、制電路圖：</b></p><p>　　東北石油大學課程設計任務書</p><p>　　課程 電氣工程課程設計 </p><p>　　題目 直流電機調速系統(tǒng)設計 <

38、;/p><p>　　專業(yè) 電氣工程及其自動化 姓名 學號 </p><p><b>　　主要內容：</b></p><p>　　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。按工程設計方法設計轉速單閉環(huán)、轉速電流雙閉環(huán)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

39、成系統(tǒng)動態(tài)校正、計算系統(tǒng)的穩(wěn)定余量γ及GM、繪制系統(tǒng)動態(tài)及結構圖。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)。PWM電壓波形、電機電流波形、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。</p><p><b>　　參考資料：</b></p><p>　　[1]陳伯時. 運動控制系統(tǒng) [M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2009.</

40、p><p>　　[2]陳治明. 電力電子器件 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社 2004.</p><p>　　[3]樊麗萍,王忠慶. 電力電子技術 [M]. 北京：中國林業(yè)出版社 2006.</p><p>　　[4]袁德成,王玉德. 自動控制原理 [M]. 北京：北京大學出版社 2006.</p><p>　　[5]付光杰，趙海龍. 電機與拖動

41、 [M]. 北京：石油工業(yè)出版社 2011</p><p>　　完成期限 2012.7.10至2012.7.18 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　專業(yè)負責人 </p><p>　　2011年 7 月 9 日</