直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、成績(jī)電氣控制與PLC課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).Translate DC motor speed Control system design學(xué)生姓名王杰學(xué) 號(hào)20130503213學(xué)院班級(jí)信電工程學(xué)院 13自動(dòng)化專業(yè)名稱電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師肖理慶2016年6月14日徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目 錄1 ××11.1 ××××××11.1.1 ××××11.1.2 ××××11.2 ×××&#

2、215;××11.2.1 ××××12 ×××××22.1 ××××××22.1.1 ××××23 ×××××43.1 ××××××43.1.1 ××××4參考文獻(xiàn)5附錄6附錄16附錄26目錄編至三級(jí)標(biāo)題，參考文獻(xiàn)、附錄同樣按第一層次（章）

3、的編輯要求處理，另起新頁(yè)，與正文一起順序用阿拉伯?dāng)?shù)字編頁(yè)。目錄中各章題序及標(biāo)題用小四號(hào)黑體，其余用小四號(hào)宋體。131 直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)模型1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)速方法根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)可知，直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓的平衡方程為： 式(1.1)公式中：為電樞電壓；為電樞電動(dòng)勢(shì)；為電樞電流與電阻乘積。由于電樞反電勢(shì)為電路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故： 式(1.2)式中：為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；為磁通勢(shì)；為轉(zhuǎn)速。由此得到轉(zhuǎn)速特性方程如下： 式(1.3) 由式（1.3）可以看出,調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下三種方法：1.改變電樞回路的電阻R電樞回路串電阻調(diào)速。屬于有級(jí)調(diào)速，且不易構(gòu)成自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，

4、電樞外串電阻上的功耗大，系統(tǒng)效率低，故一般不予采用。2.減弱勵(lì)磁磁通弱磁調(diào)速?？梢詷?gòu)成無(wú)極調(diào)速，但只能在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以上做小范圍的升速，不能作為主導(dǎo)調(diào)速方法。3.調(diào)節(jié)電樞電壓降壓調(diào)速?？梢詷?gòu)成無(wú)極調(diào)速，且調(diào)速范圍大、控制性能好。而且，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得直流電源輸出電壓能夠非常容易地實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。因此，降壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)速方法。1.2 直流電機(jī)調(diào)速控制的傳遞函數(shù)在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中通常是以他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象,其等效控制電路如圖1-1所示。圖1-1他勵(lì)直流電機(jī)等效控制電路1.2.1 電流與電壓的傳遞函數(shù)由上述電路圖，得出其相應(yīng)的動(dòng)態(tài)方程： 式(1.4)式中：L為

5、電樞回路電感；為，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。公式變換后得： 式(1.5)式中：,為電機(jī)電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)。對(duì)兩邊同時(shí)拉氏變換后，整理可得電流與電壓的傳遞函數(shù)： 式(1.6)1.2.2 電動(dòng)勢(shì)與電流的傳遞函數(shù)由已學(xué)可知，單軸系統(tǒng)的運(yùn)用方程為: 式(1.7) 由于輸出轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為： 式(1.8)若忽略空載轉(zhuǎn)矩，則式(1.8)可簡(jiǎn)化為： 式(1.9)其中，有： 式(1.10) 式(1.11)且,故可得： 式(1.12) 式中：是電力拖動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)選用的是永磁直流電機(jī)，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電樞電流的比例函數(shù)，其方程式為： 式(1.13) 式(1.

6、14)式中:為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，且；為電機(jī)極對(duì)數(shù)；為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)。因?yàn)殡姌蟹措妱?shì)即為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故: 式(1.15)由式（1.12），式（1.13），式（1.14），式（1.15）可得： 式(1.16)對(duì)兩邊同時(shí)拉氏變換后，整理可得電動(dòng)勢(shì)與電流的傳遞函數(shù)： 式(1.17)式中：為電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。根據(jù)式（1.6）和式（1.16），對(duì)其兩式在零初始條件下取拉普拉斯變換可得到如圖1-2所示他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的方框圖。圖1-2他勵(lì)直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)方框圖由此可得，當(dāng)外界負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，他勵(lì)直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為： 式(1.18)1.3 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法選擇常見的直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)有模擬系統(tǒng)和數(shù)

7、字控制系統(tǒng)之分，其中模擬系統(tǒng)又有不同精度條件下的開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。而采用以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，其硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫漂的影響；其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，更改起來(lái)靈活方便。本文結(jié)合所學(xué)知識(shí)，為了同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo),采用了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，即引入電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等反饋量的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。1.3.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖1-3 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖所示，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改

8、變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)極調(diào)速，有一些用途。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。也就是說(shuō)，靜差率不能太大，精度不能太低，而這開環(huán)系統(tǒng)往往不能達(dá)到。1.3.2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖1-4 速度閉環(huán)控制直流調(diào)速控制系統(tǒng)由前述分析可知，開環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速指標(biāo)要求，因此必須采取閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-4所示的是，轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其是一種結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速控制是動(dòng)態(tài)性能的控制，相比開環(huán)系統(tǒng)，速度閉環(huán)控制的控制精度及控制穩(wěn)定性要好得多，但缺乏對(duì)于靜態(tài)電流I的有效控制，故這類系統(tǒng)被稱之為“有

9、靜差”調(diào)速系統(tǒng)。1.3.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖1-4 雙閉環(huán)控制直流調(diào)速控制系統(tǒng)由前述分析可知，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指有：（1）轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)；（2）電流負(fù)反饋環(huán)，使系統(tǒng)在充分利用電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳的過(guò)渡過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)控制中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器（ACR）調(diào)節(jié)電流，兩者之間串聯(lián)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)為給定信號(hào)與轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的偏差，電流調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)來(lái)自于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與電樞電流檢測(cè)信號(hào)的偏差。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速

10、和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。1.3.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）1.3.3.1 電流調(diào)節(jié)器（ACR）1.4 直流電機(jī)的可逆運(yùn)行由于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式何,可見改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向有兩種方法：一是改變電樞電流的方向,即需改變電動(dòng)機(jī)電樞供電電壓的極性：二是改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通的方向,即改變勵(lì)磁電流的方向,這則需要改變勵(lì)磁電壓的極性。相應(yīng)的線路圖如下所示：圖1-6 電樞反接可逆線路圖圖1-7 勵(lì)磁反接可逆線路圖如上面所示圖，直流電機(jī)可逆運(yùn)行的電路，采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián),實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反方向運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí),由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時(shí),由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套

11、觸發(fā)裝置控制,都能靈活地控制電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)和升、降速。由于電樞回路電感小,時(shí)間常數(shù)小,反向過(guò)程進(jìn)行得快,因此適用于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和要求過(guò)渡過(guò)程盡量短的拖動(dòng)機(jī)械上。但是這種方案需要兩套容量較大的用于主回路的晶閘管整流裝置,往往投資較大。相對(duì)應(yīng)的是，勵(lì)磁功率只占電動(dòng)機(jī)額定功率的1%5%,顯然反接勵(lì)磁所需的晶閘管裝置容量要小得多,這樣對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī),勵(lì)磁反接的方案投資較少、在經(jīng)濟(jì)上是比較便宜的。但是由于勵(lì)磁繞組的電感較大,勵(lì)磁反向的過(guò)程要比電樞反向慢得多,只適用于對(duì)快速性要求不高,正、反轉(zhuǎn)不太頻繁的大容量可逆系統(tǒng)。 圖1-4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性1.2 ××

12、;××××1.2.1 電流與電壓的傳遞函數(shù)3 PLC在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用在PLC問(wèn)世以前，繼電器控制系統(tǒng)被廣泛用于電力傳動(dòng)系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著科技不斷發(fā)展，特種機(jī)械對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的邏輯控制提出更高的要求和繼電器控制系統(tǒng)益暴露的缺點(diǎn)形成了鮮明的對(duì)比，以往的繼電器控制系統(tǒng)采用的是硬接線的方式，其體積大、可靠性差、運(yùn)行速度慢，尤其是當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，就必須重新設(shè)計(jì)和安裝，這樣既浪費(fèi)了時(shí)間又耗費(fèi)了大量的資金.為了改變由繼電器控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)而給電力傳動(dòng)系統(tǒng)的邏輯控制帶來(lái)的不足，PLC控制系統(tǒng)幵始在電力傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，與繼電器控制系統(tǒng)相比

13、，PLC控制系統(tǒng)擁有很大的優(yōu)勢(shì)，下表展示出了PLC邏輯控制系統(tǒng)與繼電器邏輯控制系統(tǒng)對(duì)比情況。表3-1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別比較項(xiàng)目繼電器控制可編程邏輯控制器(PLC) 控制邏輯硬件接線多，體積大，連線復(fù)雜軟件邏輯，體積小，接線少，控制靈 活 控制速度通過(guò)觸點(diǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制，動(dòng)作速度受繼電器硬件限制，一般幾十毫秒由半導(dǎo)體電路實(shí)現(xiàn)控制，指令執(zhí)行時(shí) 間短，一般為微妙級(jí)定時(shí)控制有時(shí)間繼電器控制，精度差 由集成電路實(shí)現(xiàn)，精度高設(shè)計(jì)與施工設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試必須按照順序進(jìn)行，周期長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，施工與程序設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，周期短可靠性和維護(hù)性繼電接觸器壽命短無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可靠性高，有自診 斷功能 價(jià)格使

14、用繼電器、接觸器等元件，價(jià)格低 使用大規(guī)模集成電路，價(jià)格高 PLC具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、擴(kuò)展容易、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常被作為大功率直流調(diào)速系統(tǒng)的中央控制器。PLC能控制大功率直流電動(dòng)機(jī)的起停、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，監(jiān)視系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)等，通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法去調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。2 ×××××2.1 ××××××2.1.1 ××××2.1.1.1 ××××&

15、#215;××××××表題置于表上，居中，表題及表內(nèi)文字宋體五號(hào)，單倍行距。××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

16、5;×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

17、5;×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

18、5;×××見表2-1。表2-1 合金鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能材料名稱化學(xué)成分（）力學(xué)性能CMnCr其他抗拉強(qiáng)度bN/mm2屈服強(qiáng)度s/N/mm2彈性模量E/N/mm2伸長(zhǎng)率/布氏硬度/HBS×××××。××××××××××××××××××××××××××

19、5;×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

20、5;×××××××××××××××××××××××見表2-2。表2-2 國(guó)家選定的非國(guó)際單位制單位量的名稱單位名稱單位符號(hào)換算關(guān)系和說(shuō)明 時(shí) 間 分 小時(shí) 天（日）minhd1min=60s1h=60min=3 600s1d=24h=86 400s 平面角 角秒 角分 度()()(°)1=(/648 000)rad(為圓周率)160(/10 800)rad1

21、°=60=(/180) rad 旋轉(zhuǎn)速度 轉(zhuǎn)每分r/min1r/min=(1/60)s-1表格允許下頁(yè)接寫，表題可省略，表頭應(yīng)重復(fù)寫，并在右上方寫“續(xù)表××”。 續(xù)表2-2量的名稱單位名稱單位符號(hào)換算關(guān)系和說(shuō)明 長(zhǎng) 度 海里n mile1n mile=1 852m(只用于航程) 速 度 節(jié)kn1 kn =1 n mile/h=(1 852/3 600)m/s(只用于航程) 質(zhì) 量 噸原子質(zhì)量單位tu1t=103kglu1.660 565 5×10-27kg 體 積 升L,(l)1L=1 dm3=10-3m3能 電子伏eV1eV1.602 189 2

22、15;10-19J 級(jí) 差 分貝dB 線密度 特克斯tex1 tex=lg/km×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××&#

23、215;××××××××××××××××××××××見式(2.1)。 式(2.1)公式另起一行，單倍行距，居中書寫，公式的編號(hào)用圓括號(hào)括起來(lái)放在公式右邊行末。式中 表示已建類似項(xiàng)目的費(fèi)用；表示擬建項(xiàng)目的費(fèi)用；表示已建類似項(xiàng)目的生產(chǎn)能力；表示擬建項(xiàng)目的生產(chǎn)能力；表示不同時(shí)期、不同地點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目的造價(jià)調(diào)整系數(shù)；X 表示生產(chǎn)能力指數(shù)。公式中第一次出現(xiàn)的量應(yīng)給予注釋，注釋的轉(zhuǎn)行應(yīng)與破折號(hào)

24、“”后第一個(gè)字對(duì)齊。3 ×××××3.1 ××××××3.1.1 ××××3.1.1.1 ××××××××××××××××××××××××××××××

25、×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××