带电流截至负反馈的直流调速系统

1、运动控制原理实验报告带电流截止负反馈的直流调速系统实验原理2直流调速系统的分类和指标 2带电流截至负反馈调速系统的静特性4带电流截至负反馈调速系统的动态特性 4带电流截至负反馈调速系统的设计 5实验内容和过程 6晶闸管电动机系统的自然机械机械特性测试 6系统控制单元整定8系统静态性能测试9系统动态性能测试13实验结论与体会 17实验原理1. 直流调速系统的分类和指标 由于良好的起动制动性能和宽范围的平滑调速能力，直流电动机常被用于需要做快速 正反向拖动的领域中。 直流拖动系统的控制往往是通过控制转速来实现的， 由直流电动的电 动势平衡方程推出转速表达式n Ud0 I dl RaCeU 为电枢电

2、压 , Idl 为一定负载对应的电流 ,Ra 为电枢回路总电压电枢励磁磁通 Ce 电机的电动势参数可知直流电机有三种可用的调速方法，分别是调压（ U ）调速，弱磁（ ）调速和改变 串入电阻（ Ra ）调速。然而通过改变串入电阻阻值来调速不能实现无级调速，弱磁调速的 调速范围又太小，所以直流调速系统常采用调压调速的方式。对于一个建立好的直流调速系统， 可以从调速范围 （ D ），干扰造成的转速波动大小 （静 差率 s ）和调速系统的起动和制动时间这三个方面来衡量，这些参数有如下关系，D nmaxnminnN nminn NnN 下，调速范围越大，转这是的静差率最难满足系V M ）, 同样广泛使用

3、的还有其中 nN 为直流电机的转速降落， 是在电机负载从理想空载增加到额定值对应的转速降落， 可以作为衡量直流电机机械特性硬度的参量。调速范围和静差率两个概念也有密切的联系，同样的转速降落速越低对应的静差率也会大一些 ,两者满足D nNs nN （1 D）而真正衡量不同系统机械特性时我们用的是转速最低时的静差率，统的性能指标。本次实验使用的是晶闸管整流器-电动机调速系统的组合（带转速反馈的闭环直流调PWM -电动机的组合。 常用的 V M 系统有开环直流调速系统， 速系统（根据转速调节器 ASR的不同又分为比例和 P 比例积分 PI 调节），致力于解决过电流 问题的带电流截止负反馈的直流调速系

4、统 （同样分为有差和无差） 和能快速启动制动的双闭 环直流调速系统。 从开环系统到带转速反馈的调速系统， 同样电机的转速降落大大减小， 静差率减小， 调速范围扩大， 调节精度和系统抗干扰的能力增强， 比例积分调节还消除了系统的静态误差； 从单闭环转速反馈系统到双闭环转速电流， 直流电机可以实现最大恒流起动和 制动。在转速负反馈控制的调速系统中突加给定电压， 由于电机的惯性， 转速不可能立即上升， 反 馈电压尚未建立时， 转速调节器 ASR 的输入偏差电压很大， 电枢电流会很快升到其最大值， 此时电枢电流极易过流， 在制动和堵转时，电枢电流也容易过流。 为了限制电流， 系统需要 有自动限制电枢电

5、流的环节，也就是电流截至环节 通过三相电流互感器取出电动机电枢回路的电流Id, 当 I d大于临界截至电流 Idcr ,稳压管两端电压 U com大于 Idcr Rs时，稳压管 VST被击穿，电流负反馈加入，阻止电流的进一步上升。利用稳压管产生比较电压带电流截至负反馈的有静差调速系统的稳态结构图如下，电流较小时， Ui =0，调速系统只由转速负反馈调节，当 I dRs U com时，电流反馈电压 Ui I dRs Ucom电流反馈环节输入输出特性2. 带电流截至负反馈调速系统的静特性带电流截至负反馈的闭环系统稳定结构图带电流截至负反馈的闭环直流调速系统静特性分为 2 段I d I dcr 时，

6、 Rs 上的电压小于稳压管的击穿电压 U com ，电流反馈环没有接入，系统只受反馈转速环 ASR控制，此时K pK sU n*RIdCe(1 K ) Ce(1 K)d dcr 时，稳压管被击穿， 随即电流负反馈环节接入系统， 进一步减小输入放大器的偏差电压， 抑制了转速的进一步上升， 效果上如同串入了一个阻值为 K p K sRs的大电阻并提高电枢电压，结果使系统的机械特性变软，堵转电流减小KpKs(Un* U com) (R K pK sRs)Id nCe(1 K )Ce(1 K)直流调速系统的机械特性如图在电流较大时加入电流负反馈相当于在主回路中串入了一个值为阻，使系统的特性迅速下降，堵

7、转电流大大减小。K pK s Rs 的大电此时的堵转电流为KpKs(Un* U com) Un* UcomI dbdb R KpKsRsRs( KpKsRsR)实验中用到的直流调速系统属于有静差的调速系统。3. 带电流截至负反馈调速系统的设计设备：直流他励电动机的参数 ( 额定电压，电流，转速)U nom 220vI num1.1Annom 1450rpm电枢回路电阻Ra22平波电感电阻 RL12整流电源电阻Rn12晶闸管整流增益Ks135调节器电阻Ro22k稳压管稳压电压Uw6.9V性能指标和要求： 最大给定电压|Unm | 7v截至电流Idcr 1.1I nom 1.2A最大堵转电流I d

8、bl 1.4 I nom调速范围D 3 静差率 s 10%根据性能指标计算P 调节的电阻R1 和电流截至反馈回路的电阻 R2(1) 计算额定速降nclnnom sD (1s)53.704rpm(2) 计算系统开环增益IRK nomCenclKpKsCe6.07(3) 确定调节器比例系数KnnomCe (1 pK)I nom R1.5KsUn(4) 在最大堵转点时利用运放的特性计算电阻R0UctR1U im U wR2R1 33kR2 6.2k(5) 计算电流反馈系数I dcr5.75(6) 计算转速反馈系数dn0.165实验内容和过程1. 晶闸管电动机系统的自然机械机械特性测试L=700MH,

9、R=450 ,I=1A)，负( 1)连接晶闸管的直流电源电动机系统主电路及负载载电机励磁回路( R=900 ， I=)2）空载启动调节到空载转速 n0（ 1500 1600rmp ），加上负载将电机调整到额定工作点IaN ,nN ），在额定负载电流范围内测量出一条自然机械特性（5组数据）空载点额定点N1N2N3N4转速153714471510154515741610n(r /min )负载Idl(A)端电压224236239241243244U(V)3）计算出电机的自然机械特性为n Ud0 IdR 1629.9 -159.4I dCed4）利用端电压基本相等的 N1N4 和额定点绘制电机的一条

10、自然机械曲线220V)实验中负载电流较小的时候转速偏大，这是主要由于此时的电枢电压比理论值（实验中得到的曲线与偏大， 电机的机械特性曲线已经上移。随着电枢电流增大，转速增加， 实验曲线越来越接近。2. 系统控制单元整定（1）调试出满足系统要求的电流反馈强度 为了防止系统过流，电流负反馈环节发挥作用需有稳压管被击穿， UWI d 此时的负载电流 Idcr 1.1I nom 1.1A ， Id取稍大于 Idcr的 ，因此1.2InomUW稳压管击穿电压 U w为，所以单位为 V A ，取，同时由于电流截至环节产生电压的不 是电阻而是稳压管， 得物理意义不能理解为电阻。R通过调节电阻 p 3 可以调

11、节 ，先将给定电压降低到额定的三分之一，再加负载使电枢电流达到 Idcr ,调节 Rp3的阻值使电机转速刚好出现明显下降，这时的 值就对应了实验所需的截至电压。（ 2）确定截至稳压管的极性，连接电流反馈支路确定稳压管的极性可以通过测稳压管正反接时的电阻，选择 M 级电阻，接入电流反 馈端和主回路。（ 3）按实现计算出的 R1，R2 连接调节器和反馈回路由堵转点时的运放特性得出UnR0UctR1U im U wR2R1 33kR2 6.2k（ 4）调试出合适的速度反馈强度*加入转速负反馈， 将给定电压 Un 设置到额定给定 7V，再调节测速电阻和转速反馈电阻 RF 和 R0 , 使电机的转速达到

12、额定转速。3. 系统静态性能测试（ 1）给定电压 U n为最大值时是转速调到最大，在 1.1IN 范围内测量出一条静特性（给出5 组数据）组数12345转速 n /rpm14511467148514921497电枢电流 Id /A转速反馈电 Un /V77777电枢电压 U d /V234232229228225给定电压最大时系统理论上静特性方程应该为n 1626.9 159.4I d静特性测试实脸数据o O o OO 82 1O80O o O20转速n转速反慣电圧Un 巳枢电压Ud0.2040.608电枢电茨Id多建曲特曰恫科吁他我理论曲线实蛙理论俣差曲线 - J * 厂 r . 帚电決哉至

13、的岂滾员反渍坍速系统静芍性0506090 708o o o o o o o o O200(180160140120100806040E 百丘图中可以看到实验得到的电机静特性和计算出的特性曲线吻合度较高，误差不超过20 rpm ,此时电机运行在额定工作点，误差的主要来源是电压，转速等测量器的量化误差， 电机偶然受到的扰动等。加入转速环后，随着负载电流的增加 ，电机的转速降落明显减小，这主要是由于转速 环调节了电机工作电压的缘故， 转速下降时， 偏差使电机端电压提升， 抵消了大部分负载电 流上升带来的速降， 电机前的环节如晶闸管整流， 偏差放大器的放大系数越大， 这种抵消速 降的能力就越强。上图中

14、转速负反馈系统的静特性明显比电机自然机械特性要平，但仍有下降，这在比 例调节的负反馈系统中是不可避免的。随着电枢电流的增大，实验曲线的斜率也有增大，这种现象在下一个静态特性测试实 验（将给定电压降到最大给定值的1/3）后也有出现，这可能是端电压的影响，也有可能是电流反馈电压的影响， 端电压的变化速度幅度太大可能是比例调节的单闭环系统所无法跟踪 的，而电流反馈回路的漏电流在稳压管两段电压明显增大后也会对主回路早成影响， 还有可 能是电机本身的带负载后机械特性的变化。由于截至电流较大，测试静特性时没有选取截至电流和之后的点，如果一起绘出来，会 看到一条在截至电流后明显下降的曲线， 此时稳压管被击穿

15、， 电流反馈电压接入主回路， 起 到过流保护的作用。（2）给定电压 Un 3为最大值时是转速调到最大， 在0.6IN 范围内测量出一条静特性 （给出5 组数据）组数12345转速 n /rpm483475456413393电枢电流 Id /A转速反馈电压 Un /V电枢电压 U d /V8086106117127改变给定电压后的n 543.3 159.4I d将给定电压减小到最大给定的 1/3 时，此时得到了调速范围内的最低转速，此时电机出现了转速不稳定的现象， 电机的运行声音不连续， 电枢端电压明显波动，转速也在波动。在1/3 给 定 电 压 处 实 验 得 到 的 静 特 性 曲 线 和

16、理 论 的 静 特 性 曲 线 有 较 大 的 差 距 ( 50rpm 100rpm )，一方面是由于电机在较低转速时运行不稳定，另一方面有由两条曲 线存在系统误差可以看出，在单闭环外存在扰动，或许是电压给定的偏差造成。4.系统动态性能测试额定负载时，系统突加最大给定( n = 1450 )启动电机，用示波器测量并记录 Id 、n 的动态 响应波形。由 matlab 仿真得到的动态启动波形：电流 I d启动时的电枢电流（纵坐标格，横坐标格）转速 n电枢电流和转速的实验和仿真动态曲线基本趋势和时间是相同的，不过实验时，转速信号开始时有一个副跳变， 不知道是当时真的出现了一瞬间的反转还是转速信号受

17、到了副跳变 干扰。值得注意的是电枢电流的变化，电枢电流在达到峰值（左右）后迅速下降，一方面是由 于转速上升， 负载转矩和机械转矩的差变小， 甚至反号出现超调， 另一方面主要是电机的截 至限流作用，在系统中， 转速还没有达到设定值， 电枢电流就已经下降了， 这也增加了电机 的启动时间， 所以有人将带电流截至的负反馈调速系统改成了双闭环负反馈调速系统， 使启 动过程中转速调节器早早饱和， 电流反馈环作用， 从而将电枢电流保持在堵转电流附近， 大 大减少了启动，制动时间。实验结论与体会交流调速是自动控制原理和直流电机的交集，它将直流电机作为调速系统的一个环节， 通过拉普拉斯变换保留电机的动态特性， 同时融合晶闸管整流，电压放大， 限幅等环节，又 将这些环节加上负反馈， 用检测变送后的控制量 （转速， 电枢电流来控制前向通道上的各个 环节，达到一定的目的，如减少电源扰动，负载扰动的影响（单闭环转速负反馈） ，引入电 流负反馈，抑制过大的电枢电流（带电流截至的转速负反馈）