转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计

1、学号：中州大学电机与拖动课程设计题目：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、稳定性好以与 具有良好的动态性能，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

2、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 desig n speed n egative feedback is sin gle closed-loop de speedregulatingsystem, the eurrent speed regulation system is dividedinto ae speed regulationand de speed eontrol system, due to thewide seope of speed eontrol of de speed regulating sys

3、tem, small statie rate, good stability and has a good dyn amie performa nee, so in a long time, almost all high performa nee speed eon trol system usingde speed regulating system, in order to improve the dynamie and statie performaneeof de speed regulatingsystem, usually adoptselosed loop eontrol sy

4、stem, the eontrol of motor speed index requireme nts is not high, the sin gle elosed loop system, aeeord ing to the feedbaek in different ways can be divided into the speed feedbaek, eurrent feedbaek, voltage feedbaek, ete.In a single elosed-loop system, speed elosed-loop used more n egative feedbae

5、k list.Us ingMATLAB software in your desig n, for example,the design of eurrent loop and speed loop are simulated, through eompari ng the eharaeteristies of the de speed eon trol systeKEY WORDS:SPEED BACKMATLAB D目录摘要Abstract1转速负反馈单闭环直流调速系的电路 11.1单闭环直流调速系统原理21.2调节器的设计41.3调节器的计算52转速控制的要求和调速指标 62.1单闭环调

6、速系统的调速范围以与静差率 52.2反馈控制规律63转速负反馈单闭环直流调速的特性分析 113.1静态性能分析93.2动态性能分析114电路设计124 .1触发电路的选择135心得体会146致谢词157参考文献161 转速负反馈单闭环直流调速系的电路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

7、， 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带转速负反馈的团环直济调速糸统原理框團-发路 他电定 给£I-11全整CL'_-1Jr图1-1-1转速负反馈单闭环直流调速系统的组成上图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nU ，经过

8、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 nU ，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 他电力电子幵关器件，如 GTO、IGCT等；对于特大容

9、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，一般米用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，即幵环对数频率特性的 渐近

10、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的斜率穿越dBO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c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

11、，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

12、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

13、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幵始积分，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。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。原始系统的幵环传递函数为W(s

14、)K(Ts1)(TmTiS2 TmS 1)又Ts 0.005s,T0.03s,Tm 0.132s,在这里，Tm4Tl，因此分母中的二次项(TmTis2 TmS 1)可以分解为两个一次项之积。即 TmT s2 TmS 1 0.00396s2 0.132s 1 (0.086s 1)(0.046s 1)又闭环系统的幵环放大系数取为K 31.39于是，原始闭环系统的幵环传递函数为W(s)31.39(0.086s 1)( 0.041s 1)(0.005s 1)三个转折频率为丄T224.4s 10.026sT30.00167 s200s2 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与静

15、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

16、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Nn，与理想空载转速On之比，称作静差率s,即或者用百分号表示显然，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

17、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，闭环系统的幵环放 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。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。扰动一一除给定信号外，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

18、扰尤动（使dl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一一由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。如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。检测精度一一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

19、反馈单闭环直流调速的特性分析3.1静态性能分析幵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：弓I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

20、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流比s家竄(V(NmfA)E严匚脚IT E产（:川严 cqc,nf 在静态下f Tc = CJj各环节的静态输入输出关系:电机的幵环机械特性：电压比较环节:控制器：可控直流电源:% =心呵% - KZQU = an律态结构图（虚框内为电机模型）£U你十静特性方程n=a转遠负反馈单闭坏系统静态结构 心心 RU G（i + K） ” C（l + K） 柠U翻一 W图3-1-1转速反馈单闭环系统静态结构只考虑给定作用时的闭环系统CJ1+ R只考虑扰动作用时的闭环系统幵环系统特性与闭环系统静态悉比较:KKaK=£7 e'R

21、IFl 1 1 5（24;rBcrI; ; ; ; 11pI C当理想空载转速相同，即叩Cll+当要求的静差率一定护 久二(1 + K)州. 当给定电压相同时，“眾结论：闭环系统可以获得比幵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

22、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C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）其稳态值的土（2%5%）允许误差范 围之内所需的最短时间。 超调量。超调量c是指在动态过程中系统输出量

23、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：r（ <»） 二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 tr时间，却又增加了超调量C。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

24、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 30 o ，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 3 5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达 1 2A/ s。3) 所提供的触发脉冲应不超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、温度稳定性与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，

25、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 。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， 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，

26、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、移相电压与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、RPi流出的充电电流和积分电容 Ci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

27、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， 以与自己又经过数 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