转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计 学号： 中州大学电机及拖动课程设计 题目：转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计 姓名： 专业：电气自动化 班级： 指导老师：赵静 2014年6月10号- 摘要 该设计是转速负反馈的单闭环直流调速系统，目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有

2、良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统，对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速负反馈单闭环使用较多。在设计中用MATLAB软件对电流环和转速环的设计举例进行了仿真，通过比较说明了直流调速系统的特性。关键字： 转速负反馈 动态性能 ABSTRACThe design speed negative feedback is single closed-loop dc speed regulating system, the c

3、urrent speed regulation system is divided into ac speed regulation and dc speed control system, due to the wide scope of speed control of dc speed regulating system, small static rate, good stability and has a good dynamic performance, so in a long time, almost all high performance speed control sys

4、tem using dc speed regulating system, in order to improve the dynamic and static performance of dc speed regulating system, usually adopts closed loop control system, the control of motor speed index requirements is not high, the single closed loop system, according to the feedback in different ways

5、 can be divided into the speed feedback, current feedback, voltage feedback, etc.In a single closed-loop system, speed closed-loop used more negative feedback list.Using MATLAB software in your design, for example, the design of current loop and speed loop are simulated, through comparing the charac

6、teristics of the dc speed control syste KEYWORDS:SPEED BACK MATLAB D 目录摘要.Abstract.I1转速负反馈单闭环直流调速系的电路.1 1.1单闭环直流调速系统原理.2 1.2调节器的设计.4 1.3 调节器的计算. 5 2转速控制的要求和调速指标.6 2.1单闭环调速系统的调速范围以及静差率.5 2.2反馈控制规律.63转速负反馈单闭环直流调速的特性分析.11 3.1静态性能分析.9 3.2动态性能分析.114电路设计.12 4 .1 触发电路的选择.135心得体会.146致谢词.157参考文献.16 1转速负反馈单闭环

7、直流调速系的电路 1.1单闭环直流调速系统原理. 根据本设计要求，设计的系统为转速负反馈单闭环直流调速系统，其中转速为负反馈量。转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。一、只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。二、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。三、系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。 。 图1-1-1 转速负反馈单闭环直流调速系

8、统的组成上图1-1为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压nU，与给定电压*nU相比较后，得到转速偏差电压nUD，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压cU，用以控制电动机转速n。图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压dU。电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压nU，与给定电压*U相比较后，得到转速偏转电压nUD，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压CU，用以控制电动机

9、的转速，这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。 1.2调节器的设计 在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求动态校正方法有很多种，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正，其中串联校正比较简单，也容易实现。对

10、于带电力电子变换器的直流闭环系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就可以完成动态校正的任务。在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图，即开环对数频率特性的渐近线，利用它可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平衡性。稳定裕度大，意味着动态过程震荡弱，超调小。在定性地分析闭环系统性能时，通常从伯德图的高，中，低三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面： （1）中频段以dec20dB-的斜率

11、穿越dB0线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。（2）截止频率wc越高，则系统的快速线越好。（3）低频段的斜率陡，增益高，说明系统的稳态精度高。（4）高频段衰减越快，则高频特性负分贝值越低，这就说明系统抗高频噪声干扰的能力越强这四个方面是互相矛盾的，应根据实际需要，灵活的选取所需要的条件。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能使牺牲快速性；提高截止频率可以姜块系统的响应，又容易引入高频干扰。设计时往往须用多种手段，反复凑试。具体设计时，首先进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环调速系统。如果闭

12、环调速系统不稳定或者动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足所要求的性能指标 为了满足系统要求的静特性良好的要求，需要选择合适的调节器。采用比例放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。而比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 图1-2 图比例积分调节

13、线路图上图中的PI调节器原理图上可以看出，突加输入信号时，由于电容1C两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻1R，等效于一个放大系数为piK的比例调节器，在输出端立即呈现电压inpiUK，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。此后，随着电容1C被充电，输出电压exU开始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态时，1C两端电压等于exU，1R已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。由此可见，比例积分控制综合了比例和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差

14、。1.3 调节器的计算已知系统为不稳定的。设计PI调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。原始系统的开环传递函数为又，因此分母中的二次项可以分解为两个一次项之积。即又闭环系统的开环放大系数取为于是，原始闭环系统的开环传递函数为 三个转折频率为 2转速控制的要求和调速指标.2.1单闭环调速系统的调速范围以及静差率 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速；2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确

15、保产品质量；3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起制动尽量平稳。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。 1调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即其中maxn和minn一般都指电机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速 2静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落NnD，与理想空载转速0n之比，称作静差率s,即或者用

16、百分号表示显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。2.2反馈控制规律 显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。 1被调量有静差从原理图1-1中分析可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，只要所设置的放大器仅仅是一个比例放大器，即pK=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。因为闭环系统的稳能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的

17、。 2抵抗扰动,服从给定反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。扰动除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。调速系统的扰动源有：1）负载变化的扰动（使dI变化）。2）交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）。 3）电动机励磁的变化的扰动（造成Ce变化）。 4）放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）。 5）温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）。 6）检测误差的扰动（使a变化）。3系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度给定精度由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。如

18、果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度 3转速负反馈单闭环直流调速的特性分析3.1静态性能分析 开环调速系统存在的问题：至少有静态稳态误差（没有讨论跟随性能，抗扰性能等） 为了解决各种指标之间的矛盾，以满足较高的调速指标要求，故采用闭环控制. 即采用：引入被调量转速的负反馈，如图所示 图3-1：引入被调量转速的负反馈静态性方程：表示系统静态的各量之间的关系分析：定性分析，定量计算为突出主要矛盾，先做下如下

19、假定：（1） 忽略各种非线性因素，各环节的输出关系都是线性的；（2） 由可控直流电源供电的直流电动机的电枢电流时连续的（由电力电子技术可知，不连续时一般使得机械特性变为非线性）；（3） 忽略提供电压的直流电源的负载效应（4） 电机磁通为常数额定励磁条件下定义新的常数电动势转速比和电磁转矩比为各环节的静态输入输出关系：电机的开环机械特性： 电压比较环节： 控制器： 可控直流电源： 图3-1-1转速反馈单闭环系统静态结构开环系统特性与闭环系统静态悉比较： 图3-1-2开环系统特性与闭环系统静态悉比较结论：闭环系统可以获得比开环系统硬的 多的静态特性，在满足一定静差率的要求下，闭环系统大大提高了调速

20、范围，但是闭环系统必须设置检测装置和电压放器3.2动态性能分析 动态性能指标是指在给定控制信号和扰动信号作用下，控制系统输出在动态响应中的各项指标。理想的控制系统应该对给定控制信号的变化能够不失真地准确跟踪，具有很好的跟随性；同时对扰动信号具有很强的抗扰性，不受扰动的影响。因此，动态性能指标分成给定控制信号和扰动信号作用下这两类性能指标。 (1)给定控制信号作用下的动态主要性能指标。对直流调速系统来说，一般采用单位阶跃给定控制信号作用下系统输出响应的上升时间tr、调节时间tT（也称过渡过程时间）和超调量来衡量系统对给定控制信号作用下的动态性能指标。系统在单位阶跃给定 图3-2单位阶跃给定控信号

21、作用下的动态响应曲线上升时间tr。上升时间又称为响应时间，是从加上阶跃给定的时刻起到系统输出量第一次达到稳态值所需的时间。 调节时间tT。调节时间也称为过渡过程时间，是从加上阶跃给定的时刻起到系统输出量进入（并且不再超出）其稳态值的(2%5%)允许误差范围之内所需的最短时间。 超调量。超调量是指在动态过程中系统输出量超过其稳态值的最大偏差与稳态值之比，通常用百分数表示： 超调量用于表征系统的相对稳定性，超调量小就表示系统的稳定性好。tr用于表征系统动态过程的快速性，tr越小表示系统快速性越好。这两者往往是互相矛盾的，减少了超调量，就导致tr增加，也就延长了过渡过程时间。反之，加快过渡过程，减小

22、tr时间，却又增加了超调量。在实际应用中，应根据工艺的要求选择合适参数指标。 4电路设计4.1触发电路的选择晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：1) 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对感性和反电动势负载的变流器 应采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的起动、双星形带平衡电抗器电路的触发脉冲应宽于30o，三相全控桥式电路应采用宽于60o或采用相隔60o的双窄脉冲。2) 触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达。 3) 所提供的触发脉冲应不超

23、过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。4) 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。晶闸管可控整流电路就是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小，晶闸管的导通控制信号由触发电路提供，触发电路的类型按组成器件分为：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成触发电路和计算机数字触发电路等。其中集成触发器的可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，连线简单，故在此设计中使用集成触发器KJ004。6.1.2 KJ004的介绍KJ004是一种双列直插式集成电路，适用于单相、三相全控桥式晶闸管电力电子设备中作晶闸管的双路脉冲触发，

24、应用广泛，KJ004的基本设计特点有： 1）KJ004能够输出相位互差180的移相脉冲，可以方便的构成全桥式晶闸管触发器线路，刚好满足设计要求；2） KJ004负载能力大，移相范围好，正负半周脉冲相位均衡性好； 3）KJ004移相范围宽，对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。KJ004内部结构见图2所示，由图可见，该电路是由同步监测电路、锯齿波形成电路、偏移电路、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路组成。其工作原理：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RP1流出的充电电流和积分电容C1的取值，对于不同的偏移相位控制电压Vk，只要改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电

25、压VP，同时调节整个锯齿波斜率电位器RP1，便可以在不同的移相控制电压时获得整个移相范围内的移相，KJ004触发电路为正极性，即移相电压增大，导通角增大。图4.1 KJ004内部结构 心得体会 课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术的日新月异，转速、电流单闭环直流调速在当今电机调速系统应用中已经成为不可缺少的一部分。在生活中运用相当广泛。因此作为二十一世纪的大学生来说掌握这一技术是十分重要的。 回顾此次课程设计，我感慨颇多，从刚开始见到题不知如何下手，到抱着希望到图书馆找相应的资料，为了

26、解决这一问题而在自习室里专注的努力吮吸着书中的知识，到后来本课程设计的大致脉络成型，以及自己又经过数次的修改，最终，功夫不负有心人，苦尽而甘来，看着自己努力了许久终于有成果了，回想自己所付出的，心头乐意涌现了出来，深吸了一口气，感觉自己的心情是无比的舒畅，让人有种把酒临风，羽化而登仙的快感，此时感觉自己的付出过程也不是那么的辛苦了。 但是收获更多的是不仅巩固了自己所学的知识，还使我认识到只有理论知识是远远不够的只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得到结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力动手能力和独立思考能力。在此过程中遇到了很多问题，同时也发现了自己的不足之处，意识到

27、了自己对以前所学的知识理解的不深刻，掌握得不够牢固。了解到了理论知识和实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这也将对我今后的学习和工作产生影响。在老师所授予的知识的无形帮助下，在小组成员的共同相互鼓励下，顺利完成了这次的课程设计。由于我的能力有限，文中难免有不足的地方，希望老师给予批正和指导。 致谢词在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，我得到了许多人的帮助，终于游逆而解 首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更

28、加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。 其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。 最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学其实也收获到了在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可! 参考文献 1陈伯时.电力拖动自动控制.北京：机械工业出版社，20082冯信康，杨兴瑶.电力传动控制系统原理与应用.北京：水利水电出版社，19853周德泽.电气传动控制系统的设计.北京：机械工业出版社，19894林瑞光.电机与拖动基础.杭州：浙江大学出版社，20075李华德.电力拖动控制系统.北京：电子工业出版社，2006