直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　學(xué)生姓名: </p><p>　　學(xué) 號(hào): </p><p>　　班 級(jí): </p><p>　　專 業(yè)：

2、 自 動(dòng) 化 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2012年12月5日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.前言………………………………………………............................

3、....3</p><p>　　2.設(shè)計(jì)參數(shù)………………………………………………………………4</p><p>　　3.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　3.1.系統(tǒng)的組成…………………………………………………….…5</p><p>　　3.2.系統(tǒng)的原理圖………………………………………………….…6</p>&l

4、t;p>　　3.3.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性…………………………….……8</p><p>　　3.3.1.系統(tǒng)靜特性………………………………………..…………8</p><p>　　3.4.各變量穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算…………………….……9</p><p>　　4.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</p>

5、<p>　　4.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)………………………………………………...…10</p><p>　　4.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)……………………………………….…..…10</p><p>　　4.2.1 確定時(shí)間常數(shù)…………………….........…....……….……..…10</p><p>　　4.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)….….….….….

6、….….….….....…..….11</p><p>　　4.2.3 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)….….….….….….….….....…..….….11</p><p>　　4.2.4 校驗(yàn)近似條件….….….….….….….….….….….......….….….12</p><p>　　4.2.5 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電容和電阻.….…..….…..….…......

7、….….13</p><p>　　4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)…………………………....……….……......14</p><p>　　4.3.1 確定時(shí)間常數(shù)…………………………....……………………14</p><p>　　4.3.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)………………....……………………14</p><p>　　4.3.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速

8、調(diào)節(jié)器的參數(shù)…………………....…………………14</p><p>　　4.3.4校驗(yàn)近似條件……………………………….………………14</p><p>　　4.3.5 計(jì)算調(diào)速調(diào)節(jié)器的電容和電阻……………………………15</p><p>　　4.4 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量…………...……………………………………17</p><p>　　5. 調(diào)

9、速系統(tǒng)性能指標(biāo)的數(shù)字仿真……………………………….....…18</p><p>　　5.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖…………………………………18</p><p>　　5.2 系統(tǒng)仿真模型…………………………………………...………19</p><p>　　5.3 仿真結(jié)果……………………………………………...…………19</p><p>

10、;　　6心得……………………………………………………………………20</p><p>　　7．參考文獻(xiàn)…………………………………………..…….…………..21</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　20世紀(jì)90年代前的大約50年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能</p><p>　　實(shí)現(xiàn)高

11、性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互獨(dú)立并且</p><p>　　正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。</p><p>　　盡管近年來直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電</p><p>　　動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€</p>&

12、lt;p>　　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</p><p><b>　　高的調(diào)速方法。</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動(dòng)控制理論和工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流調(diào)速</p><p>　　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(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，</p>&

13、lt;p>　　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</p><p>　　件對(duì)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</p><p>　　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，</p><p>　　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)

14、用，使得新</p><p>　　型電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的整流裝置采</p><p>　　用晶閘管，雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)勢(shì)，但其控制復(fù)雜，對(duì)散熱要求</p><p>　　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</p><p>　　（GTR）得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由

15、于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的</p><p>　　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）</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢(shì)。</p><p><b>　　設(shè) 計(jì) 參 數(shù)</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率PN=555KW，額定電

16、壓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。</p><p>　　3. 雙

17、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)的組成</b></p><p>　　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(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電

18、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(jí)）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)。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)的原理圖</p><p>

19、;　　為了獲得良好的靜、動(dòng)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

20、出電壓Udm。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性</p><p>　　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：</p><p>　　飽和——輸出達(dá)到限幅值

21、：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(hào)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)。</p><p>　　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。 </p><p>　　3.3.1系統(tǒng)靜特性</p><p>　

22、　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(dòng)保護(hù)。</p><p>　　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

23、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。 </p><p>　　3.4 各變量穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　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 </p><p>　　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；ASR的輸出量U*i是由負(fù)載電流 I

24、dL 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。 </p><p>　　由已知條件，帶入公式（4）和公式（5），得</p><p>　　4.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</p><p>　　4.1 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　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)

25、定和穩(wěn)態(tài)精度。</p><p>　　第二步：設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。</p><p>　　4.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 確定時(shí)間常數(shù)</p><p>　　PWM裝置的延長(zhǎng)時(shí)間Ts=0.1ms=0.0001s。</p><p>　?。?）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s

26、。</p><p>　?。?）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</p><p>　　T∑i= Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037s。</p><p>　?。?）電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.031ms。</p><p>　　4.2.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求

27、，電流環(huán)控制對(duì)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</p><p>　　式中 Ki------電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　τi-----電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ,參照表1的典型I型系統(tǒng)動(dòng)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)。</p>

28、<p>　　表1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　4.2.3 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。</p><p>　　電流開環(huán)增益:要求時(shí),按表2可取 ，</p><p>　　因此， </p><p>　　PWM裝置的放大系數(shù)

29、： </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p>　　表2典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p>　　4.2.4 校驗(yàn)近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><

30、;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(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件

31、 滿足近似條件。</p><p>　　4.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　由圖6，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為</p><p>　　取36 </p><p>　　，取0.008 </p><p&g

32、t;　　取0.2 </p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　圖6含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1 確定時(shí)間</p><p>　?。?）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/

33、KI。由前述已知，，則:</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 </p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 </p><p>　　4.3.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函

34、數(shù)式為</p><p>　　4.3.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　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 </p><p><b>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益</b></p><p>　　可得ASR的比例系數(shù)為</p>&

35、lt;p>　　式中電動(dòng)勢(shì)常數(shù) </p><p>　　4.3.4 檢驗(yàn)近似條件</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為</b></p><p>　?。?）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為</p><p><b>　　， 滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p>　?。?）轉(zhuǎn)

36、速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　4.3.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　根據(jù)圖7所示，取，則</p><p>　　取 取 , 取 </p><p>　　圖6 含給定濾波

37、與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　4.4 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　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，，不能滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，已知，，，， ，。當(dāng)時(shí)，由表4查得，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 </p><p>　?。?）

38、 </p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速</p><p>　　為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速。</p><p>　　根據(jù)式（6）計(jì)算得 </p><p><b>　　滿足設(shè)計(jì)要求。 </b></p><p>　　5. 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)的數(shù)字仿真&

39、lt;/p><p>　　5.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　5.2 系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p><b>　　5.3 仿真結(jié)果</b></p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線</p><p><

40、;b>　　心 得</b></p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)過程中，碰到的難題就是對(duì)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(shí)。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(duì)直流電機(jī)的參數(shù)和自控系統(tǒng)課程進(jìn)行補(bǔ)充。為以后的工作做鋪墊，在完成課程設(shè)計(jì)的同時(shí)我也在復(fù)習(xí)一遍電機(jī)拖動(dòng)和自控系統(tǒng)這兩門課程，把以前一些沒弄懂的問題基本掌握了。</p>&l

41、t;p>　　對(duì)于一個(gè)電路的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該對(duì)它的理論知識(shí)很了解，這樣才能設(shè)計(jì)出性能好的電路。整流電路中，開關(guān)器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關(guān)鍵的，開關(guān)器件和觸發(fā)電路選擇的好，對(duì)整流電路的性能指標(biāo)影響很大。</p><p>　　總之這次電路的設(shè)計(jì)和仿真，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的功能要求。在以后的實(shí)踐中，我將繼續(xù)努力學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)方面的理論知識(shí)，并理論聯(lián)系實(shí)際，爭(zhēng)取在電路設(shè)計(jì)方面能有所提升，為以后更好的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。&l

42、t;/p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　王華強(qiáng). 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法的探討. 荊門職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2002, 7(3): 32-39</p><p>　　胡貞, 魏麗娜, 宋正勛. 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究. 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào). 2000, 23(2): 37-39</p>

43、;<p>　　陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)．第2版．機(jī)械工業(yè)出版社，2001：48-54 24－28　76 56-57 76-86</p><p>　　韓璐. 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其SIMULINK的仿真. 船海工程. 2003, (2): 30-33</p><p>　　于桂珍. 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法. 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào). 2000, 23(2): 48-51