带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真 初始条件：1技术数据 直流电动机：PN=3KW , UN=220V , IN=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25堵转电流 Idbl=2IN , 截止电流 Idcr=1.5IN ，GD22三相全控整流装置：Ks=40 , Rrec=1. 3平波电抗器：RL=0. 3电枢回路总电阻 R=2.85 ，总电感 L=200mH , 2技术指标 稳态指标：无静差（静差率s2%, 调速范围 D10 ） 动态指标：系统稳定要求完成的主要任务: 1技术要

2、求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 根据指标要求进行动态校正，选择调节器的参数，并确定电流截止负反馈环节的相关参数， (3) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 2设计内容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 (2) 根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流截止负反馈的作用, (3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。 (4)

3、 绘制带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%（2） 根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%（3） 完成设计和文档整理。约占总时间的40%指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1主电路设计11.1变压器的参数计算与设计11.2主电路结构选择11.3晶闸管元件参数的计算21.4平波电抗器参数的设计与计算21.5保护电路的设计22带电流截止负反馈的

4、闭环直流调速系统控制电路32.1闭环调速控制系统32.2带电流截止负反馈闭环控制系统32.3调节器设定73参数计算与仿真83.1基本参数计算83.2电流截止负反馈环节参数计算与设计93.3调节器的参数设计103.4系统建模与仿真124总电气图195心得体会20参考文献21摘要 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的在对调速精度要求不高的，大功率容量的电机中的应用是非常广泛的，它具有控制简单方便，调速性能较好，设备成本低等的优点。  本次设计是基于对组成调速系统的两个主要部分：主电路，包括主回路方案的确定、元器件的参数计算和选型、触发电路和保护环节；控制电路，包括转速负反馈环节的参数计算

5、、电流截止负反馈环节的参数计算，电流检测环节和调节器的设计的分析、参数计算和设计，并且用仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。关键词：直流电机 电流截止负反馈 主电路 控制电路带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真 1主电路设计1.1变压器的参数计算与设计 变压器副边电压采用如下公式进行计算：已知，取，,则因此变压器的变比近似为：一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A变压器容量的计算S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2

6、U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA1.2主电路结构选择本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。1.3晶闸管元件参数的计算 晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的标值作为该器件的额定电压。考虑到一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍，据有效值相等的原则，晶闸管的额定电流一般选

7、取其通态平均电流的1.52倍。在三相桥式全控整流电路中，带纯阻性负载时，晶闸管两端承受的最小峰值为，带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=I，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A，晶闸管的额定电压UN=311-466V。1.4平波电抗器参数的设计与计算 在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对机械产生不利，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，在本设计中采用设置平波电抗器的方法。，取般取为电动机额定电流的5%-10%,这里取10% 则:1

8、.5保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上。对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路。2带电流截止负反馈的闭环直流调速系统控制电路2.1闭环调速控制系统将开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用PI调节器，就既保证动态性能，又能作到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定,其系统结构框图如图2.1所示电源UUds电动机触发电路整流电路_转速反馈 图2.1

9、 单闭环转速负反馈系统框图2.2带电流截止负反馈闭环控制系统在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题，在启动、制动过程和堵转状态时，电枢电流会过大。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起

10、作用控制转速。电流截止负反馈环节如图2.2中的（a）(b)(c)图： （a）利用独立直流电源作比较电压 （b） 利用稳压管产生比较电压（c）封锁运算放大器的电流截止负反馈环节图2.2电流截止负反馈的环节 图（a）中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。图（b）中利用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压，线路要简单得多，但不能平滑的调节电流值。图（c）是反馈环节与运放的连接电路。由系统稳态结构可写出该系统两段静特性的方程式：当时，引入电流负反馈，静特性变为： 静特性的几个特点：（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速大

11、，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致， 好像把理想空载转速提高到（3）两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（1）中，令 n = 0，得一般,因此（4）最大截止电流由给定条件知堵转电流 Idbl=2IN =35A, 截止电流 Idcr=1.5IN=26.25A（5） 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图及结构图如图2.3及图2.4KpKs1/CeRsRUfnUfiUgnIdRs-UbjnUcUnUdoUbj图2.3带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图图2.4含电流截止负反

12、馈的转速负反馈原理图2.3调节器设定 本次设计采用PI调节器即比例积分调节器既结构图用于实现系统的无静差调速系统。其结构图如下图2.5图2.5 PI调节器的结构图 比例积分调节器的控制传递函数为：式中 为PI调节器的比例放大系数；为PI调节器的积分时间常数。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时Un =0，只要历史上有过Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。 比例积分控制综合了比例控制与积分控制两种规律的优点，有克服了各自的缺点，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

13、差。而且比例积分的调节器还能提高系统的稳定性。 3参数计算与仿真3.1基本参数计算（1） 额定负载时的稳态速降应为:(2）闭环系统应有的开环放大系数：计算电动机的电动势系数：开环系统额定速降为：闭环系统的开环放大系数为：(3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数 设在额定转速下稳态时的给定电压为，则须有 故转速反馈环节的放大系数(4) 计算运算放大器的放大系数和参数运算放大器放大系数为:(5)判断系统的稳定性计算：由已知平波电抗器：RL=0. 3。电枢回路总电阻 R=2.85 ，总电感 L=200mH所以系统中各环节的时间常数： 电磁时间常数Tl: 机电时间常数Tm:晶闸管装置的滞后时间常数Ts

14、:0.00167S计算出开环放大系数应满足的稳定条件为K98.67，又因为K=122.48，所以系统不稳定。3.2电流截止负反馈环节参数计算与设计M+- UdId RsVDUi Ucom接放大器M 如图3.1.其工作原理是：利用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于可调截至（保护）电流值。当 时，二极管导通，电流截止负反馈信号加到放大器上去，从而使晶闸管系统输出电压减小，机械特性呈下垂特性；当时，二极管截止，消失。由所给的技术参数值可。为了减小所产生的功耗，选择为，可得。 图3.1电流截止负反馈环节图3.1电流截止负反馈环节 3.3调节器的参数设计本次设计利用PI调节器来校正

15、，原系统的传递函数如下：其中， ，由于因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，其所得伯德图如图3.2所示:图3.2系统校正前bode图PI调节器的传递函数为：由于原始系统不稳定，表现为放大系数K过大，截止频率过高，应该设法把他们压下来。因此，把校正环节的转折频率设置在远低于原始系统截止频率处,令,使校正装置的比例微分项与原始系统中时间常数最大惯性环节对消,从而选定。其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以的斜率穿越线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的对数幅频和相频特性的截止频率。这样，在处，应有根据以上两点，校正环节添加部分的对数特性就可以确定下来了

16、：取，为了使，取，在伯德图上查得相应的，因而因为 ，所以 ，于是PI调节器的传递函数为：最后选择PI调节器的阻容参数，选取，则，取，取校正后系统开环传递函数为：校正后所得伯德图如图3.3所示： 图3.3校正后bode图 由图3.3可以看出，校正后系统的幅值裕度和稳定裕度都满足稳定的条件，但截至频率变低，快速性被压低，显然这是一个稳定的方案，最终能使系统稳定。综上所述，转速调节器的类型和参数选择是正确的，即选为PI调节器，参数为，。3.4系统建模与仿真（1）单闭环直流系统的结构图图3.4单闭环直流系统仿真模型示波器的波形：图3.5单闭环直流系统仿真波形（2）加入PI调节器后仿真，经调整系数后仿真

17、图3.6 PI调节器控制的直流调速系统仿真模型示波器波形：图3.7 PI调节器控制的直流调速系统仿真波形（3） 加入电流截止负反馈后仿真：图3.8带电流截止负反馈PI调节器控制的直流调速系统仿真模型示波器波形：图3.9带电流截止负反馈PI调节器控制的直流调速系统仿真波形加入负载后仿真:图3.9加入负载后仿真模型示波器波形：图3.10加入负载后仿真波形4总电气图图4-1带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统电气原理总图5心得体会 本文主要对带电流截止负反馈转速单闭环直流电机的调速系统进行分析并在MATLAB/SIMULINK 建立起仿真图并进行仿真。介绍了带电流截止负反馈转速负反馈的闭环直流调速系统的原理, 完成了转速闭环调速系统的优点并建立其原理框图和仿真图。将建立的仿真图在MATLAB软件里面仿真得出转速与电流的波形。对波形进行分析调节PI调节器的参数。本论文具有很强的理论与实际意义。  通过本次设计，加强了我对SIMULINK应用知识的掌握，巩固了我的专业课知识，对理论知识有了进一步的理解，使自己受益匪浅。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。  课程设计是我们专业课