单闭环直流调速系统-课程设计

综合课程设计说明书

题目：单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿 真（一）

学院：机电与汽车工程学院

专业班级：电气工程与自动化专业（1）班 姓名： 学号： 指导教师：

目录

第一章 概述·······································2 第二章 调速控制系统的性能指标·····················3 2.1 直流电动机工作原理·······················4 2.2 电动机调速指标···························4 2.3 直流电动机的调速·························5 2.4 直流电机的机械特性·······················5 第三章 单闭环直流电动机系统·······················6 3.1 V-M系统简介······························6 3.2 闭环调速系统的组成及静特性···············7 3.3反馈控制规律·····························8 3.4 主要部件·································9 3.5 稳定条件································11 3.6 稳态抗扰误差分析························12 第四章 单闭环直流调速系统的设计及仿真············14 4.1 参数设计································14 4.2 参数计算及MATLAB仿真···················15 第五章 总

结·······································24 参考文献

2

第一章概述

电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。

单闭环直流电机调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、电动机-发动机、闭环控制系统等组成，我们可以通过改变晶闸管的控制角来调节转速，本文就单闭环直流调速系统的设计及仿真做以下介绍。

3

第二章调速控制系统的性能指标 2.1 直流电动机工作原理 一、直流电机的构成

(1)定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置； (2)转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴； (3)气隙

二、直流电机的励磁方式

按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电动机四种。直流电动机中，在电磁转矩的作用下，电机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的生产方向旋转时，电机向负载输出机械功率。 2.2 电动机调速指标

稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而且在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。

动态性能指标:主要是平稳性和抗干扰能力。 （1）调速范围：生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速Nmax与最低转速Nmin之比称为调速范围，用D表示。即 D=Nmax

Nmin（2）静差率：调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由

4

理想空载增加到规定负载时，所对应的转速降落?n与理想转速n0 之比，用s表示，即 s=

?nn0?100%=

n0?n?100% n0（3）调速方向:指调速后转速比原来的高还是低，有上调和下调之分。

（4）调速的平滑性：它由一定调速范围内能得到的转速级数来说明。调速可分为有级调速和无级调速。 2.3 直流电动机的调速

本文以他励直流电动机为例来说明直流电机的调速，他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，在励磁电压Uf的作用下，励磁绕组中通过励磁电流

If，从而产生磁通?。在电枢电压Ua的作用下，电枢绕组中

通过电枢电流Ia。他励直流电动机的转速公式：

n=

ECE?=U?IR

CE?式中U为他励电动机的电枢电压；I为电枢电流；E为电枢电动势；R为电枢回路的总电阻；n为电机的转速；?为励磁磁通；CE为由电机结构决定的电动势系数。

他励电机的调速方式有三种：电枢回路串电阻的变电阻调速、改变电枢电压的变电压调速、减小气隙磁通量的弱磁调速。在实际应用中，我们通常采用变电压调速。 2.4 直流电机的机械特性

他励直流电动机中转速和转矩之间的关系为

5

n=UaCE??RaT?n0??n?n0??T 2CECT?UaCE?式中n0为电动机的理想空载转速，其值为n0?

?是机械特性的斜率，?n是转速差。他励直流电机的固

有特性曲线如图所示：

第三章单闭环直流电动机系统 3.1 Ｖ－Ｍ系统简介

晶闸管－电动机调速系统（简称V-M系统），其简单原理图如下：

图中ＶＴ是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相

6

或者更多相，半波、全波、半控、全控等类型。

优点:通过调节触发装置ＧＴ的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。

缺点：１、由于晶闸管的单相导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

2、元件对过电压、过电流以及过高的du和di都十分敏

dtdt感，其中任意指标超过允许值都可能使元件在短时间内损坏，因此必须有保护装置和散热条件。 3.2 闭环调速系统的组成及静特性

转速反馈控制的闭环调速系统，其原理图如下：

a、忽略各种非线性因素，假定各环节的输入输出都是 线性的。

b、假定只工作在系统开环机械特性的连续段。 c、忽略直流电机和电位器的内阻。 电压比较环节：?Un?Un??Un

放大器：Uc?Kp?Un（Kp--放大器的电压放大系数） 晶闸管整流与触发装置：Ud0?KsUc（Ks-晶闸管整流与触发装 置的电压放大系数）

7

V-M系统开环机械特性：n?Ud0?IdR

Ce测速发电机：Utg??n（?-测速反馈系数，单位为Vmin/r） 因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式为

n??KpKsUn?IdRCe(1?KpKs?/Ce)?IdR

Ce(1?K)Ce(1?K)??KpKsUn式中K?KpKs?/Ce为闭环系统的开环放大系数，这里是以

1n作为电动机环节的放大系数的。 ?UCe静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。根据各环节的稳态关系画出闭环系统的稳态结 构图如图所示:

3.3 反馈控制规律

从上面分析可以看出，闭环系统的开环放大系数k对系统的稳定性影响很大，k值越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广，即k越大，稳态性能就越好，然而，设计的放大器为比例放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降为?nd?只有K??时其值为0，而这是不可能的。 3.4 主要部件

8

RId，

Ce(1?K)

1、比例放大器：运算放大器用做比例放大器，图为调节器的原理图及输出特性：

Uin和Uex为放大器的输入和输出电压，Rcef为同相输入端的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响，放大系数为:

Kp?UexR1?UinR0

2、比例积分放大器

在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高，中，底三个频段，频段的界限是大致的，一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI调节器，采用运算放大器的PI调节器如图所示.

Wpi(s)?R1R0Ucs(s)1Kpi?s?1 ?Kpi??Uin(s)?s?sKpi?--PI调节器比例放大部分的放大系数；

调节器的积分时间常数；

9

??R0C--PI

此传递函数也可以写成如下形式：

Wpi(s)??1s?1?s?1 ?Kpi1?s?1s式中?1?Kpi??R1C1--PI调节器的超前时间常数。

在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性如图所示

将P调节器换成PI调节器，在原始系统上新添加部分的传递函数为

Kpi?s?11 Wpi(s)?KpKp?s由图可以看出比例积分的物理意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以保证一定的快速控制作用，但是小于稳定性能指标所要求的比例放大系数。因为快速性被压低了。换来稳定性的保证。

作为控制器，比利积分调节器兼顾了快速影响和消除静差两方面的要求：作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。 2、额定励磁下直流电动机

Ud0?RId?LdId?E（主电路、假定电流连续） dtE?Cen（额定励磁下的感应电动势）

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tf36.html