《直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)

直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)生姓名 :學(xué)號:學(xué)班專業(yè)：動化專業(yè)：動化指導(dǎo)教師：2012年12月5日TOC\o"1-5"\h\z.前言??????????????????. 3.設(shè)計(jì)參數(shù)????????????????????????4.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的組成 ???????????????????? .?5系統(tǒng)的原理圖 ??????????????????? .? 6系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 ??????????? .??8系統(tǒng)靜特性 ??????????????? ..???? 8各變量穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 ???????? .?? 9.設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ?????? ...?10調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ?????????????????? .?..10電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ??????????????? .?..?10確定時(shí)間常數(shù) ???????? ? ??? .?? ..?10TOC\o"1-5"\h\z選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) ? .? .? .?.? .? .? .? .? ? ..? .11計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) ?.?.?.?.?.?.?.? ?..?.?.11校驗(yàn)近似條件 ?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.? ? .?.?.12計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電容和電阻 .? .? ..? .? ..? .? ? .? .13轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ?????????? ??? .?? 14確定時(shí)間常數(shù) ?????????? ???????? 14選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) ?????? ???????? 14計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù) ??????? ??????? 144.3.44.3.4校驗(yàn)近似條件 14計(jì)算調(diào)速調(diào)節(jié)器的電容和電阻 ??????????? 15校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 ???? ...?????????????? 17.調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)的數(shù)字仿真 ???????????? 1?8雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ????????????? 18系統(tǒng)仿真模型 ???????????????? ...??? 19仿真結(jié)果 ????????????????? ...???? 19心得??????????????????????????2 07．參考文獻(xiàn) ???????????????? ..?? .???? ..21前言20世紀(jì)90年代前的大約 50年的時(shí)間里，直流電動機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動控制的電動機(jī)， 直流電動機(jī)的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式， 使得電動機(jī)具有優(yōu)良的起動， 制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機(jī)不斷受到交流電動機(jī)及其它電動機(jī)的挑戰(zhàn)， 但至今直流電動機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。 因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動控制理論和工程設(shè)計(jì)的方法對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，通過在DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制試驗(yàn)裝置上的調(diào)試 ,并應(yīng)用 MATLAB軟件對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正以達(dá)到滿足控制指標(biāo)的目的。 電力電子器件的不斷進(jìn)步，為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。智能功率模塊（ IPM）的廣泛應(yīng)用，使得新型電動機(jī)自動控制系統(tǒng)的體積更小， 可靠性更高。 傳統(tǒng)直流電動機(jī)的整流裝置采用晶閘管， 雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)勢， 但其控制復(fù)雜， 對散熱要求也較高。電力電子器件的發(fā)展， 使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（GTR）得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件， 其性能優(yōu)良， 以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制 （PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢。設(shè)計(jì)參數(shù)直流電動機(jī)參數(shù)：功率 PN=555K，額定電壓W UN=750V，額定電流 IN=760A，nN=3000r/min，電樞繞組電阻 Ra=0.9Ω，主電路總電阻 R=0.14Ω，晶閘管裝置放大系數(shù) Ks=75,電磁時(shí)間常數(shù) Tl=0.031ms,機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=0.112ms,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) Ton=0.02s,過載倍數(shù) =1.5，電流給定最大值 Uim=10V，速度給定最大值 U*n=10V。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用 PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖 1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)機(jī)器的輸入，再把電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速換在外，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。3.23.2系統(tǒng)的原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖 2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)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(biāo)出的， 并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。 圖中還標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)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(diào)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。3.33.3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 3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(diào)節(jié)器就可以了。 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達(dá)到限幅值：當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)， 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(diào)節(jié)器退出飽和； 換句話說， 飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和——輸出未達(dá)到限幅值：當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， 正如1.6節(jié)中所闡明的那樣，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。3.3.1系統(tǒng)靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)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(hù)。這就是采用了兩個(gè) PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)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(diǎn)飄移而采用“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如圖 4中虛線所示。3.43.4各變量穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中， 當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)， 各變量之間有下列關(guān)系上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n是由給定電壓 U*n決定的；ASRU*i是由負(fù)載電流 IdL決定的；控制電壓 Uc的大小則同時(shí)取決于 n和Id，或者說，同時(shí)取決于 U*n和IdL。4）和公式（ 5），得*nm 0.027V.min/rnmax 375r/minmax*Uim 10V 0.0087V/AIdm1.5 760A設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)第一步：選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) ,使系統(tǒng)典型化并滿足穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度。第二步：設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)PWM裝置的延長時(shí)間 Ts=0.1ms=0.0001s。（2）電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi=0.002s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 T∑i。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037s。（4）電磁時(shí)間常數(shù) Tl=0.031ms。選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求 i5%，電流環(huán)控制對象是雙慣性型的， 因此可用 PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WACRWACRKi(is1)式中KiTl0.031sTi0.0037s檢查對電源電壓的抗擾性能： l 8.37,參照表Ti0.0037sI型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

表1典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)i Tl0.031s電流開環(huán)增益 :要求i5%時(shí),按表2可取KITi0.5，因此， KI0.5KI0.5 135.1s1ITi I0.0037sPWM裝置的放大系數(shù)： K75s于是， ACR的比例系數(shù)為：KIiRKIiRKiKs135.1 0.0310.140.9750.0087表2典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

4.2.4校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率： ciKI135.1s(1)PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件：3Ts 3Ts 30.0017s1196.1sci滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：TOC\o"1-5"\h\z11 1滿足近似條件。3 3 50.91s1ci滿足近似條件。TmTl 0.1120.031 ci電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件111 1 1180.8s3TsToi 3 0.00170.002滿足近似條件。4.2.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖 6，按所用運(yùn)算放大器取 R0=40k，各電阻和電容值為RiKiR00.940K 36K,取36KCii0.031s0.008F，取0.008FRi36KCi 4Toi 40.002s0.2F取0.2FoiR0 40K ,按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 i4.3% 5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

6含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.3.1確定時(shí)間1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) 1/KI。由前述已知， KITi 0.5，則 :KI2Ti2 0.0037s0.0074KI2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) Ton，根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況， 取 Ton 0.02s（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) Tn。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Tn2TiTon0.0074s0.02s0.0274s4.3.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為１５１５WASRWASR(s)Kn(ns1)4.3.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)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(shí)間常數(shù)為nhTn50.0274s0.137s則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益h1 51 2 2KN 2 2 2s 159.8sN 2h2T n2 252 0.02742可得 ASR的比例系數(shù)為Kn(h1)Kn(h1)CeTm

2hRTn(51)0.00871.820.112250.0270.140.027410.3式中電動勢375375CeUNINRa 7507600.09V.min/r1.82V.min/re4.3.4檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為cnKNKNn159.80.137s1 21.9s1114.3.4檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為cnKNKNn159.80.137s1 21.9s111）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1cn5Ti5T1i50.1003754.1s-1Wcn滿足簡化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為111 132TiTon 320.0037 0.0227.40cn滿足近似條件。4.3.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖7所示，取 R040k，則Rn KnR010.340K 412K取412KCnn0.1373F0.034F取0.03FnRn 412 1034T 40.02Conon .3F0.002F取0.002FonR0 40 1036含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4.4校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表 3典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得， n37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)理想空載起動時(shí)，負(fù)載系數(shù) Z0，已知IN 760A，nN 375r/min，5，R0.14 ，Ce1.82Vmin/r Tm0.112s，.Tn0.0274s。當(dāng)h5時(shí)，由表 4查得， Cmax/Cb 81.2%而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降

CnbC nNT6）6）n 2 (Z)nCbn* Cb n*Tm調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速INR7600.14nN r/min58.46r/min;*n為基準(zhǔn)值，對應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速N C*n為基準(zhǔn)值，對應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速nN3000r/min。根據(jù)式（ 6）計(jì)算得 n0.20% 10%滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)的數(shù)字仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.2系統(tǒng)仿真模型開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型5.3仿真結(jié)果雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線心得在這次課程設(shè)計(jì)過程中， 碰到的難題就是對相關(guān)參數(shù)的計(jì)算， 因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)中沒能很好的系統(tǒng)的總結(jié)電機(jī)相關(guān)知識。 在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中貫穿的計(jì)算過程沒能很好的把握。 在今后要認(rèn)真學(xué)習(xí)， 對直流電機(jī)的參數(shù)和自控系統(tǒng)課程進(jìn)行補(bǔ)充。 為以