双闭环不可逆直流调速系统设计.docx

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双闭环不可逆直流调速系统设计

机电传动课程设计

课题名称：

双闭环不可逆直流调速系统设计

系院：

机械与电气工程学院

专业：

09机械电子工程

组长：

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组员;******

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指导老师：

******

题目

双闭环不可逆直流调速系统设计

一、控制要求：

1.了解双闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元元部件的原理

2.掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定

3.研究调节器参数对系统动态性能的影响

二、课题要求：

1.各控制单元调试

2.测定电流负反馈系数β、转速反馈系数α

3.测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f（Id）

4.闭环控制特性n=f（Ug）

5.观察、记录系统动态波形

三、答辩基本问题：

1．双闭环不可逆直流调速系统原理

2．要求按照原理图进行接线并测定和计算相关数据

摘 要

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。

该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。

与单向异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。

按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。

笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用。

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕阻，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

关键词：

双闭环，异步电动机，晶闸管，转速调节器，电流调节器，

目录

一、双闭环不可逆直流调速系统的设计

1、双闭环直流调速系统的介绍与背景..................6

2、课题分析........................................7

3、双闭环直流调速系统的动态数学模型...............8

4、调节器的设计....................................8

5.设计方案，线路..................................9

6．控制单元调试...................................10

7．参数测定与分析.................................11

二、课程设计心得体会.................................12

三、参考文献..........................................13

一、双闭环不可逆直流调速系统的设计

1、双闭环直流调速系统的介绍与背景

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。

这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。

有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。

20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。

尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。

因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。

直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。

2、课题分析

本次课程设计的第一个课题是双闭环不可逆直流调速系统，

本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。

该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。

但电机的开环运行性能远远不能满足要求。

按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。

转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。

可要实现高精度和高动态性能的控制，不尽要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。

由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。

因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

。

图中U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压；ASR—转速调节器；ACR—电流调节器；TG—测速发电机；TA—电流互感器；UPE—电力电子变换器

3、双闭环直流调速系统的动态数学模型

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。

双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。

图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。

双闭环直流调速系统的动态结构框图

4、调节器的设计

为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：

1。

保证转速在设定后尽快达到稳速状态；

2。

保证最优的稳定时间；

3。

减小转速超调量。

为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要

转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为

1．转速调节器的作用：

1）使转速n跟随给定电压Um*变化，稳态无静差；

2）对付在变化起抗扰作用；

3）其输出限幅决定允许的最大电流。

2．电流调节器的作用：

1）对电网电压波动起及时抗扰作用；

2）起动时保证获得允许的最大电流；

3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压Um*变化；

4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护最用。

如果故障消失，系统能够自动恢复正常

5.设计方案，线路

许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于启动，制动，反转的过渡过程中，因此启动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。

为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。

双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合作用，可获得良好的静，动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主要环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以3电网电压扰动对转速的影响。

实验原理框图如下;\

启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速（Ug=Un），并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器退出饱和，最后稳定在”略低于给定转速值下运行。

系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。

“速度调节器”和“电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。

“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制amax的目的。

系统接线图;

6．控制单元调试

一.移相控制电压Uct调节范围的确定

直接将DJK04给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，三相全控整流输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。

当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值时，此时Ud接近为输出最高电压值Ud`，一般可确定三相全控整流输出允许范围的最大值Umax=0.9Ud`,调节Ug使得三相全控整流输出等于Umax，此时将对应的Ug的电压值记录下来，Umax=Ug`，即Ug允许调节范围为0~Umax。

如果我们把输出限幅定为Umax的话，则三相全控整流输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。

二.调节器的调零

将DJK04中调节器I所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到调节器I的4和5两端，用导线将5、6短接，使调节器成为P（比例）调节器。

用万用表的毫伏挡测量调节器I的7端的输入，调节面板上的调零电位器RP3，使之电压尽可能接近于零。

将DJK04中调节器II所有输入端接地，再将DJK08的可调电阻13K接到调节器II的8、9两端，用导线将9、10短接，使调节器II成为P（比例）调节器。

用万用表的毫伏档测量调节器II的11端，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。

1.调节器正负限幅值的调整

把调节器I的5、6短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入5、6两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将调节器I所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的3端，当加+5的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为-6V，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于零。

把调节器I的9、10短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入9、10两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将调节器I所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的4端，当加+5的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为尽可能接近于零，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器I的输出正限幅为Umax。

7．参数测定与分析

1.电流负反馈系数β和转速反馈系数α

双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相似，根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数

转速反馈系数

电流反馈系数

本设计中电流调节器输出正限幅值为10V，负限幅值为0V；转速调节器输出正限幅值为10V，负限幅值为0V。

根据已知参数可求得

转速反馈系数

为：

电流反馈系数

为：

另外由

根据电机参数得

2.开环外特性的测定

①DJK02-1控制电压Uc由DJK04上的给定输出Ug直接接入，三相全控整流电路接入电动机，Ld用DJK02上的200mH，直流发电机接负载电阻R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

②按下启动按钮，先接到通励磁电源，然后该转速时反馈电压Ug，使电动启动升速，转速到达1200rpm。

③增大负载（即减小负载电阻R阻值），使得电动机电流Id=Ied，可测出该系统的开环外特性n=f（Id），记录于下表：

n（rpm）

300

500

700

900

1100

1300

1500

Id（A）

0.25

0.30

0.34

0.39

0.43

0.53

0.49

U（V）

50

80

109

139

168

227

198

3．机械特性n=f（Id）的测定

A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=1200rpm，然后接入发电机负载电阻R，逐渐改变负载电阻，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n=（Id），并记录如下表：

n（rpm）

500

700

900

1100

1300

1500

Id（A）

0.48

0.52

0.55

0.61

0.62

0.66

表1-2

B、降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表：

n（rpm）

300

500

700

900

1100

1300

1500

Id（A）

0.15

0.16

0.20

0.23

0.27

0.32

0.34

表1-3

C、调节Ug及R，使Id=Ieq，n=1200rpm，逐渐降低Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f（Ug）

n（rpm）

300

500

700

900

1100

1300

1500

U（V）

0.33

0.38

0.44

0.47

0.49

0.52

0.56

表1-4

4.系统动态特性的观察

用慢扫描示波器观察动态波形。

在不同的系统参数下调节器I的增益和积分电容，调节器II的增益和积分电容、转速变换的滤波电容，用示波器观察，记录下列动态波形。

①突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id（“电流反馈与过滤保护的”的“2”端）波形和转速n（“转换变换”的”3”端）波形；

②突加额定负载（20%Ied→100%Ied）时电动机电枢波形和转速波形；

③突降负载（100%Ied→20%Ied）时电动机的电枢电流波形和转速波形。

。

三．课程设计心得体会

这次课程设计是本学期的第三个却也是最后一个课程设计，与前两次的课程设计想比，此次的课程设计是完全不同的一次体验。

在本次设计开始的第一天，我们就在老师的指导下，开始了实验，这是前两个课程设计所没有的经历，这也给我了我们跟过实践的机会，而非过多的拘泥于理论阶段中。

我们小组的六名组员在每一次的实验中，都共同的在实验室认真努力的熟悉知识点，克服苦难点，找出创新点。

并且，我们在业余的时间里，在网上，图书馆中参考了许多先关的资料，这也对我们能顺利完成这项任务有重大的作用！

本课程设计综合运用了自动控制原理、机电传动控制、电子技术与控制技术等的知识，为了更好的完成设计，我们又重新复习了一遍原来所学的知识，加深了对知识的理解，提高了对知识的应用能力，同时使我认识到了各个课程之间是紧密联系的两周的时间里，我们对双闭环不可逆调速系统与双闭环三相异步电机调速系统有了进一步的理解和运用，加深了对电机调速的应用。

总之，在设计过程中，我们不仅学到了以前从未接触过的新知识，接触到了课本中未曾涉及的领域，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅，同时感谢在设计中提供帮助的老师和同学们。

四.参考文献

[1]冯清秀邓星钟机电传动控制第5版华中科技大学出版社

[2]李友善.自动控制原理.北京：

机械工业出版社

[3]黄坚自动控制原理及其应用第二版高等教育出版社

[4]王兆安刘进军电力电子技术第5版机械工业出版社

[5]黄俊王兆安电力电子变流技术第三版机械工业出版社

[6]莫正康电力电子应用技术第三版机械工业出版社

[7]张东力陈丽兰仲伟峰直流拖动控制系统机械工业出版社