帶電流截至負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、重慶大學(xué)本科學(xué)生課程設(shè)計(jì)（論文）運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師： 學(xué) 生： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 班 級： 設(shè)計(jì)日期： 重慶大學(xué)自動化學(xué)院2014年9月課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評定成績表項(xiàng)目分值優(yōu)秀(100>x90)良好(90>x80)中等(80>x70)及格(70>x60)不及格(x<60)評分參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)態(tài)度15學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)時(shí)間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項(xiàng)工作學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù)學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計(jì)時(shí)間，按期

2、完成各項(xiàng)工作學(xué)習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù)學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工作作風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn),不能保證設(shè)計(jì)時(shí)間和進(jìn)度技術(shù)水平與實(shí)際能力25設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有很強(qiáng)的實(shí)際動手能力、經(jīng)濟(jì)分析能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，文獻(xiàn)查閱能力強(qiáng)、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信設(shè)計(jì)合理、理論分析與計(jì)算正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有較強(qiáng)的實(shí)際動手能力、經(jīng)濟(jì)分析能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研比較合理、可信設(shè)計(jì)合理，理論分析與計(jì)算基本正確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有一定的實(shí)際動手能力，主要文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研比較可信設(shè)計(jì)基本合理，理論分析與計(jì)算無大錯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無大錯設(shè)計(jì)不合理，理論分析與計(jì)算有原則錯

3、誤，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠，實(shí)際動手能力差，文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研有較大的問題創(chuàng)新10有重大改進(jìn)或獨(dú)特見解，有一定實(shí)用價(jià)值有較大改進(jìn)或新穎的見解，實(shí)用性尚可有一定改進(jìn)或新的見解有一定見解觀念陳舊論文(計(jì)算書、圖紙)撰寫質(zhì)量50結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，層次清晰，語言準(zhǔn)確，文字流暢，完全符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙非常工整、清晰結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計(jì)算機(jī)打印成文；圖紙工整、清晰結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達(dá)到規(guī)范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰結(jié)構(gòu)基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)范化要求；圖紙比較工整

4、內(nèi)容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文字表達(dá)不清，錯別字較多，達(dá)不到規(guī)范化要求；圖紙不工整或不清晰指導(dǎo)教師評定成績：指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄1 實(shí)驗(yàn)原理11.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的分類和指標(biāo)11.2 帶電流截至負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性41.3 帶電流截至負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)52 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程62.1 晶閘管電動機(jī)系統(tǒng)的自然機(jī)械機(jī)械特性測試62.2 系統(tǒng)控制單元整定82.3 系統(tǒng)靜態(tài)性能測試92.4 系統(tǒng)動態(tài)性能測試143 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與心得體會174 參考文獻(xiàn)181 實(shí)驗(yàn)原理1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的分類和指標(biāo)由于良好的起動制動性能和寬范圍的平滑調(diào)速能力，直流電動機(jī)常被用于需要做快速正反向拖動的領(lǐng)域中。直流拖動系統(tǒng)

5、的控制往往是通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，由直流電動的電動勢平衡方程推出轉(zhuǎn)速表達(dá)式 為電樞電壓 ,為一定負(fù)載對應(yīng)的電流,為電樞回路總電壓 電樞勵磁磁通 電機(jī)的電動勢參數(shù)可知直流電機(jī)有三種可用的調(diào)速方法，分別是調(diào)壓（）調(diào)速，弱磁（）調(diào)速和改變串入電阻（）調(diào)速。然而通過改變串入電阻阻值來調(diào)速不能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍又太小，所以直流調(diào)速系統(tǒng)常采用調(diào)壓調(diào)速的方式。對于一個建立好的直流調(diào)速系統(tǒng)，可以從調(diào)速范圍（），干擾造成的轉(zhuǎn)速波動大?。o差率）和調(diào)速系統(tǒng)的起動和制動時(shí)間這三個方面來衡量，這些參數(shù)有如下關(guān)系， 其中為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速降落，是在電機(jī)負(fù)載從理想空載增加到額定值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，可以作為衡量直

6、流電機(jī)機(jī)械特性硬度的參量。調(diào)速范圍和靜差率兩個概念也有密切的聯(lián)系，同樣的轉(zhuǎn)速降落下，調(diào)速范圍越大，轉(zhuǎn)速越低對應(yīng)的靜差率也會大一些,兩者滿足 而真正衡量不同系統(tǒng)機(jī)械特性時(shí)我們用的是轉(zhuǎn)速最低時(shí)的靜差率，這是的靜差率最難滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)使用的是晶閘管整流器-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組合（),同樣廣泛使用的還有-電動機(jī)的組合。常用的系統(tǒng)有開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的不同又分為比例和比例積分調(diào)節(jié)），致力于解決過電流問題的帶電流截止負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)（同樣分為有差和無差）和能快速啟動制動的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。從開環(huán)系統(tǒng)到帶轉(zhuǎn)速反饋的調(diào)速系統(tǒng)，同樣電機(jī)的轉(zhuǎn)速降落大大

7、減小，靜差率減小，調(diào)速范圍擴(kuò)大，調(diào)節(jié)精度和系統(tǒng)抗干擾的能力增強(qiáng)，比例積分調(diào)節(jié)還消除了系統(tǒng)的靜態(tài)誤差；從單閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)到雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流，直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)最大恒流起動和制動。 V-M觸發(fā)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制的調(diào)速系統(tǒng)中突加給定電壓，由于電機(jī)的慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即上升，反饋電壓尚未建立時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓很大，電樞電流會很快升到其最大值，此時(shí)電樞電流極易過流，在制動和堵轉(zhuǎn)時(shí)，電樞電流也容易過流。為了限制電流，系統(tǒng)需要有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)，也就是電流截至環(huán)節(jié)。通過三相電流互感器取出電動機(jī)電樞回路的電流, 當(dāng)大于臨界截至電流,穩(wěn)壓管兩端電壓大于時(shí)，穩(wěn)壓管被擊穿，電流負(fù)反饋加入，

8、阻止電流的進(jìn)一步上升。 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 帶電流截至負(fù)反饋的有靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下，電流較小時(shí)，=0，調(diào)速系統(tǒng)只由轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)節(jié)，當(dāng)時(shí)，電流反饋電壓 電流反饋環(huán)節(jié)輸入輸出特性1.2 帶電流截至負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 帶電流截至負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)圖 帶電流截至負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性分為2段 時(shí)，上的電壓小于穩(wěn)壓管的擊穿電壓，電流反饋環(huán)沒有接入，系統(tǒng)只受反饋轉(zhuǎn)速環(huán)控制，此時(shí) 時(shí)，穩(wěn)壓管被擊穿，隨即電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)接入系統(tǒng)，進(jìn)一步減小輸入放大器的偏差電壓，抑制了轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步上升，效果上如同串入了一個阻值為的大電阻并提高電樞電壓，結(jié)果使系統(tǒng)的機(jī)械特性變軟，堵轉(zhuǎn)電流減小 直流調(diào)

9、速系統(tǒng)的機(jī)械特性如圖 在電流較大時(shí)加入電流負(fù)反饋相當(dāng)于在主回路中串入了一個值為的大電阻，使系統(tǒng)的特性迅速下降，堵轉(zhuǎn)電流大大減小。 此時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流為 ()實(shí)驗(yàn)中用到的直流調(diào)速系統(tǒng)屬于有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。 1.3 帶電流截至負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)備：直流他勵電動機(jī)的參數(shù)(額定電壓，電流，轉(zhuǎn)速） 電樞回路電阻 平波電感電阻 整流電源電阻 晶閘管整流增益 調(diào)節(jié)器電阻 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電壓 性能指標(biāo)和要求： 最大給定電壓 截至電流 最大堵轉(zhuǎn)電流 調(diào)速范圍 靜差率 根據(jù)性能指標(biāo)計(jì)算P調(diào)節(jié)的電阻和電流截至反饋回路的電阻.(1)計(jì)算額定速降 (2)計(jì)算系統(tǒng)開環(huán)增益 (3)確定調(diào)節(jié)器比例系數(shù) (4)在最大堵轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)利用運(yùn)

10、放的特性計(jì)算電阻 (5)計(jì)算電流反饋系數(shù) (6)計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程 2.1 晶閘管電動機(jī)系統(tǒng)的自然機(jī)械機(jī)械特性測試（1）連接晶閘管的直流電源電動機(jī)系統(tǒng)主電路及負(fù)載（L=700MH,R=450,I=1A），負(fù)載電機(jī)勵磁回路（R=900，I=0.5A） （2）空載啟動調(diào)節(jié)到空載轉(zhuǎn)速（），加上負(fù)載將電機(jī)調(diào)整到額定工作點(diǎn)（,），在額定負(fù)載電流范圍內(nèi)測量出一條自然機(jī)械特性（5組數(shù)據(jù)）空載點(diǎn)額定點(diǎn)N1N2N3N4轉(zhuǎn)速()153714471510154515741610負(fù)載()0.111.050.80.70.60.5端電壓()224236239241243244（3）計(jì)算出電機(jī)的自然機(jī)械特

11、性為 （4）利用端電壓基本相等的N1N4 和額定點(diǎn)繪制電機(jī)的一條自然機(jī)械曲線 實(shí)驗(yàn)中負(fù)載電流較小的時(shí)候轉(zhuǎn)速偏大，這是主要由于此時(shí)的電樞電壓比理論值（220V）偏大，電機(jī)的機(jī)械特性曲線已經(jīng)上移。隨著電樞電流增大，轉(zhuǎn)速增加，實(shí)驗(yàn)中得到的曲線與實(shí)驗(yàn)曲線越來越接近。2.2 系統(tǒng)控制單元整定（1）調(diào)試出滿足系統(tǒng)要求的電流反饋強(qiáng)度為了防止系統(tǒng)過流，電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)發(fā)揮作用需有穩(wěn)壓管被擊穿，此時(shí)的負(fù)載電流 ，取稍大于的1.2A ，因此 穩(wěn)壓管擊穿電壓為6.9V，所以 單位為 ，取5.75，同時(shí)由于電流截至環(huán)節(jié)產(chǎn)生電壓的不是電阻而是穩(wěn)壓管，得物理意義不能理解為電阻。通過調(diào)節(jié)電阻可以調(diào)節(jié)，先將給定電壓降低到額定的

12、三分之一，再加負(fù)載使電樞電流達(dá)到,調(diào)節(jié)的阻值使電機(jī)轉(zhuǎn)速剛好出現(xiàn)明顯下降，這時(shí)的值就對應(yīng)了實(shí)驗(yàn)所需的截至電壓。（2）確定截至穩(wěn)壓管的極性，連接電流反饋支路確定穩(wěn)壓管的極性可以通過測穩(wěn)壓管正反接時(shí)的電阻，選擇級電阻，接入電流反饋端和主回路。（3）按實(shí)現(xiàn)計(jì)算出的連接調(diào)節(jié)器和反饋回路由堵轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)的運(yùn)放特性得出 （4）調(diào)試出合適的速度反饋強(qiáng)度加入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，將給定電壓設(shè)置到額定給定7V，再調(diào)節(jié)測速電阻和轉(zhuǎn)速反饋電阻和,使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。2.3 系統(tǒng)靜態(tài)性能測試 （1）給定電壓為最大值時(shí)是轉(zhuǎn)速調(diào)到最大，在范圍內(nèi)測量出一條靜特性（給出5組數(shù)據(jù)） 組數(shù)12345轉(zhuǎn)速/rpm145114671485149

13、21497電樞電流/A1.00.80.60.50.4轉(zhuǎn)速反饋電/V77777電樞電壓/V234232229228225給定電壓最大時(shí)系統(tǒng)理論上靜特性方程應(yīng)該為 圖中可以看到實(shí)驗(yàn)得到的電機(jī)靜特性和計(jì)算出的特性曲線吻合度較高，誤差不超過20,此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在額定工作點(diǎn)，誤差的主要來源是電壓，轉(zhuǎn)速等測量器的量化誤差，電機(jī)偶然受到的擾動等。 加入轉(zhuǎn)速環(huán)后，隨著負(fù)載電流的增加 ，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降落明顯減小，這主要是由于轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)了電機(jī)工作電壓的緣故，轉(zhuǎn)速下降時(shí)，偏差使電機(jī)端電壓提升，抵消了大部分負(fù)載電流上升帶來的速降，電機(jī)前的環(huán)節(jié)如晶閘管整流，偏差放大器的放大系數(shù)越大，這種抵消速降的能力就越強(qiáng)。 上圖中轉(zhuǎn)速負(fù)

14、反饋系統(tǒng)的靜特性明顯比電機(jī)自然機(jī)械特性要平，但仍有下降，這在比例調(diào)節(jié)的負(fù)反饋系統(tǒng)中是不可避免的。 隨著電樞電流的增大，實(shí)驗(yàn)曲線的斜率也有增大，這種現(xiàn)象在下一個靜態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)（將給定電壓降到最大給定值的1/3）后也有出現(xiàn)，這可能是端電壓的影響，也有可能是電流反饋電壓的影響，端電壓的變化速度幅度太大可能是比例調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)所無法跟蹤的，而電流反饋回路的漏電流在穩(wěn)壓管兩段電壓明顯增大后也會對主回路早成影響，還有可能是電機(jī)本身的帶負(fù)載后機(jī)械特性的變化。 由于截至電流較大，測試靜特性時(shí)沒有選取截至電流和之后的點(diǎn)，如果一起繪出來，會看到一條在截至電流后明顯下降的曲線，此時(shí)穩(wěn)壓管被擊穿，電流反饋電壓接入

15、主回路，起到過流保護(hù)的作用。（2）給定電壓為最大值時(shí)是轉(zhuǎn)速調(diào)到最大，在范圍內(nèi)測量出一條靜特性（給出5組數(shù)據(jù)）組數(shù)12345轉(zhuǎn)速/rpm483475456413393電樞電流/A0.20.40.60.81.0轉(zhuǎn)速反饋電壓/V2.32.32.32.32.3電樞電壓/V8086106117127 改變給定電壓后的 將給定電壓減小到最大給定的1/3時(shí)，此時(shí)得到了調(diào)速范圍內(nèi)的最低轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的現(xiàn)象，電機(jī)的運(yùn)行聲音不連續(xù)，電樞端電壓明顯波動，轉(zhuǎn)速也在波動。在1/3給定電壓處實(shí)驗(yàn)得到的靜特性曲線和理論的靜特性曲線有較大的差距（)，一方面是由于電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)定，另一方面有由兩條曲線

16、存在系統(tǒng)誤差可以看出，在單閉環(huán)外存在擾動，或許是電壓給定的偏差造成。2.4 系統(tǒng)動態(tài)性能測試 額定負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)突加最大給定（n = 1450）啟動電機(jī)，用示波器測量并記錄Id、n的動態(tài)響應(yīng)波形。由matlab仿真得到的動態(tài)啟動波形： 電流 啟動時(shí)的電樞電流（縱坐標(biāo)-2.00V/格，橫坐標(biāo)-0.1s/格）轉(zhuǎn)速 電樞電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)和仿真動態(tài)曲線基本趨勢和時(shí)間是相同的，不過實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速信號開始時(shí)有一個副跳變，不知道是當(dāng)時(shí)真的出現(xiàn)了一瞬間的反轉(zhuǎn)還是轉(zhuǎn)速信號受到了副跳變干擾。 值得注意的是電樞電流的變化，電樞電流在達(dá)到峰值（1.1V左右）后迅速下降，一方面是由于轉(zhuǎn)速上升，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩的差變小，甚

17、至反號出現(xiàn)超調(diào)，另一方面主要是電機(jī)的截至限流作用，在系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速還沒有達(dá)到設(shè)定值，電樞電流就已經(jīng)下降了，這也增加了電機(jī)的啟動時(shí)間，所以有人將帶電流截至的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)改成了雙閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，使啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器早早飽和，電流反饋環(huán)作用，從而將電樞電流保持在堵轉(zhuǎn)電流附近，大大減少了啟動，制動時(shí)間。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與心得體會 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，各種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備等已經(jīng)成為當(dāng)今自動化應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十

18、一世紀(jì)的大學(xué)生來說掌握這方面的開發(fā)技術(shù)是十分重要的。交流調(diào)速是自動控制原理和直流電機(jī)的交集，它將直流電機(jī)作為調(diào)速系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，通過拉普拉斯變換保留電機(jī)的動態(tài)特性，同時(shí)融合晶閘管整流，電壓放大，限幅等環(huán)節(jié)，又將這些環(huán)節(jié)加上負(fù)反饋，用檢測變送后的控制量（轉(zhuǎn)速，電樞電流來控制前向通道上的各個環(huán)節(jié)，達(dá)到一定的目的，如減少電源擾動，負(fù)載擾動的影響（單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋），引入電流負(fù)反饋，抑制過大的電樞電流（帶電流截至的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋），提高起動制動的快速性（雙閉環(huán)系統(tǒng)），等等。 在查閱資料的過程中，我學(xué)會了許多書本上學(xué)不到的東西。首先，我再一次的加深鞏固了對已有的知識的理解及認(rèn)識；其次，我第一次將運(yùn)動控制系統(tǒng)知識運(yùn)用到了實(shí)際設(shè)計(jì)，使得所學(xué)知識在更深的層次上得到了加深。在這次實(shí)驗(yàn)中，我先是復(fù)習(xí)去年電機(jī)拖動的相關(guān)知識，利用負(fù)載特性曲線和電機(jī)自然特性曲線在交點(diǎn)處平衡測出了電機(jī)的自然機(jī)械特性。然后開始一個環(huán)節(jié)一個環(huán)節(jié)地整定系統(tǒng)，整定電流反饋系數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，加入電流截至環(huán)節(jié)，計(jì)算給定通道和反饋通道的電阻值等，構(gòu)造能運(yùn)轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)。 測試靜特性曲線相對簡單，在這個過程中，我親身體會了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的工作，