電氣工程課程設計：直流電機調速系統(tǒng)設計

1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 電氣工程課程設計 題 目 直流電機調速系統(tǒng)設計 院 系 電氣信息工程學院電氣工程系 專業(yè)班級 電氣 學生姓名 學生學號 指導教師 2012年 7月 18目 錄1 設計要求12雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計12.1系統(tǒng)的組成12.2系統(tǒng)的原理圖23系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性33.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖33.2系統(tǒng)靜特性33.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖44電流調節(jié)器的設計44.1確定時間常數(shù)44.2選擇電流調節(jié)器的結構44.3計算電流調節(jié)器的參數(shù)54.4計算調節(jié)器電阻和電容54.5計算電流調節(jié)器的參數(shù)64.6校驗近似條件65轉速調節(jié)器的設計75.1確定時間75.

2、2計算轉速調節(jié)器參數(shù)75.3檢驗近似條件85.4計算調節(jié)器電阻和電容85.5校核轉速超調量96調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)9結論10參考資料111 設計要求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。 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)定余量及gm、計算調節(jié)器參數(shù)、繪制系統(tǒng)動態(tài)及結構圖。2.3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)，繪制控制電路及主電路電路圖。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

3、饋波形和直流電動機轉速及控制電路各單元的相關波形。2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)的組成轉速、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。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

4、反饋發(fā)揮作用。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：圖2.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構2.2系統(tǒng)的原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(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。

5、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如下：圖2.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性3.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖為了分析雙閉環(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

6、了。分析靜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： 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)。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)態(tài)時總是零。 3.2系統(tǒng)靜特性 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。 這就是

7、采用了兩個pi調節(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。 圖3.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性3.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖繪制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構如圖3.2所示：圖3.2雙閉環(huán)調速體統(tǒng)的動態(tài)結構圖4電流調節(jié)器的設計4.1確定時間常數(shù) （1）整流裝置滯后時間常數(shù)ts。驅動頻率 f10khz 時，pwm裝置的延長時間。 （2）電流濾波時間常數(shù)toi。 應有（1-2），因此取。 （3）

8、電流環(huán)小時間常數(shù)之和ti。按小時間常數(shù)近似處理，取。 （4）電磁時間常數(shù)：。4.2選擇電流調節(jié)器的結構根據(jù)設計要求，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 式中 ki-電流調節(jié)器的比例系數(shù)； i-電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。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，因此基本確定電流調節(jié)器按典型i型系統(tǒng)設計。4.3計算電流調節(jié)器的參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益:要求時,按表2可取 ，因此， pwm裝置的放大系數(shù)： 于是，acr的比例系數(shù)為：4.4計算調節(jié)器電阻和

9、電容由圖6，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為 取90 ，取0.024 取0.006 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：圖4.1含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調節(jié)器4.5計算電流調節(jié)器的參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益:要求時,按表2可取 ，因此， pwm裝置的放大系數(shù)： 于是，acr的比例系數(shù)為：4.6校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：(1)pwm裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足近似條件。(2)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足近似條件。(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件。5轉速調節(jié)器的設計5.1確定時間1) 電流

10、環(huán)等效時間常數(shù)1/ki。由前述已知，則: 2) 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 .3) 轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 5.2計算轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則asr的超前時間常數(shù)為 則轉速環(huán)開環(huán)增益 可得asr的比例系數(shù)為式中電動勢常數(shù) 5.3檢驗近似條件 轉速截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件。（2）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 滿足近似條件。 5.4計算調節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖7所示，取，則 取 取取 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：圖5.1含給定濾波與反饋濾波的pi型轉速調節(jié)器5.5校

11、核轉速超調量當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。 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 （6） 調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速為基準值，對應為額定轉速。根據(jù)式（6）計算得 滿足設計要求。 6調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，其中代入以上求得的數(shù)據(jù)得應用matlab編程畫伯德圖，如圖5.2所示：圖5.2 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)伯德圖結論1. 兩個pi調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的

12、，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。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。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。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

13、制電壓uc ，用以控制電動機轉速 n。參考資料 1陳伯時. 運動控制系統(tǒng) m. 北京：機械工業(yè)出版社 2009.2陳治明. 電力電子器件 m. 北京：機械工業(yè)出版社 2004.3樊麗萍,王忠慶. 電力電子技術 m. 北京：中國林業(yè)出版社 2006.4袁德成,王玉德. 自動控制原理 m. 北京：北京大學出版社 2006.5付光杰，趙海龍. 電機與拖動 m. 北京：石油工業(yè)出版社 2011附錄表1轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)零件表名稱個數(shù)名稱個數(shù)運放upc45701電動機ss40e21運放upc457415.1k電阻5比較器lm311210k電阻6與門74hc08120k電阻2非門td62084112k

14、電阻2光耦tlp25041.2m電阻1mos管2sk26614300電阻4觸發(fā)器74hc14122電阻1二極管1dl42a251電阻40.1電容73k電阻43300p電容1100k電阻10.47電容11m電阻11200p電容120k電位器10.01電容410k電位器11電容1直流穩(wěn)壓電源，導線等主電路圖：控制電路圖：東北石油大學課程設計任務書課程 電氣工程課程設計 題目 直流電機調速系統(tǒng)設計 專業(yè) 電氣工程及其自動化 姓名 學號 主要內容：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

15、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。參考資料：1陳伯時. 運動控制系統(tǒng) m. 北京：機械工業(yè)出版社 2009.2陳治明. 電力電子器件 m. 北京：機械工業(yè)出版社 2004.3樊麗萍,王忠慶. 電力電子技術 m. 北京：中國林業(yè)出版社 2006.4袁德成,王玉德. 自動控制原理 m. 北京：北京大學出版社 2006.5付光杰，趙海龍. 電機與拖動 m. 北京：石油工業(yè)出版社 2011完成期限 2012.7.10至2012.7.18 指導教師 專業(yè)負責人 2011年 7 月 9 日東北石油大學課程設計成績評價表課程名稱電氣工程課程設計題目名稱 直流電機調