課程設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)(論文)題目: 無(wú)超調(diào)小功率直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 654313405 專 業(yè)_ 自動(dòng)化（工程方向） 學(xué) 號(hào)_ 654313405 班 級(jí)_ 2008 級(jí)2 班 指導(dǎo)教師 彭生祥 成 績(jī)_ 工程技術(shù)學(xué)院2011 年 1 月目 錄1.課程設(shè)計(jì)任務(wù)、內(nèi)容與步驟21.1.設(shè)計(jì)指標(biāo)21.2.設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟22.直流電機(jī)相關(guān)參數(shù)的測(cè)算33.調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3電流調(diào)節(jié)器33.1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器43.2.系統(tǒng)原理圖44.直流電源的選擇55.電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)55.1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)組成56.轉(zhuǎn)速外環(huán)的設(shè)計(jì)76.1.轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)組成76.2.轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器部分參數(shù)計(jì)算87.仿真與調(diào)試過(guò)程97.1

2、.繪制系統(tǒng)框圖97.2.系統(tǒng)調(diào)試108.心得體會(huì)與收獲118.1.鞏固了相關(guān)知識(shí)118.2.第一次將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐128.3.其他感想12無(wú)超調(diào)小功率直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 課程設(shè)計(jì)任務(wù)、內(nèi)容與步驟1.1. 設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)無(wú)超調(diào)小功率直流調(diào)速系統(tǒng)，要求滿足以下指標(biāo)：轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)，電流最大超調(diào)量小于5%；轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器均為帶限幅輸出的調(diào)節(jié)器；階躍負(fù)載擾動(dòng)作用下的恢復(fù)時(shí)間小于0.1S。1.2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟測(cè)定直流電機(jī)的各個(gè)參數(shù)，包括電樞回路電阻、電阻、電感、電磁時(shí)間常數(shù)及機(jī)電時(shí)間常數(shù)；按可逆調(diào)速的要求，選擇直流電源的形式，給出電路圖及輸出波形圖；不要求對(duì)具體的元件型號(hào)及參數(shù)進(jìn)行選擇，也不要求對(duì)

3、電源本身的控制電路（如可控硅整流的觸發(fā)電路與PWM整流的驅(qū)動(dòng)電路）及相關(guān)的保護(hù)電路進(jìn)行選擇；按各分組中性能指標(biāo)額要求，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的原理圖及動(dòng)態(tài)結(jié)果圖；利用靜態(tài)特性圖確定反饋系數(shù)及各環(huán)節(jié)增益；利用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行校正，確定各調(diào)節(jié)器（控制器）的結(jié)構(gòu)與參數(shù)；利用matlab進(jìn)行仿真調(diào)試，觀察系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中（即階躍響應(yīng)）轉(zhuǎn)速誤差、電流誤差、點(diǎn)數(shù)回路電流及轉(zhuǎn)速的變化曲線，對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直至滿足性能指標(biāo)要求；2. 直流電機(jī)相關(guān)參數(shù)的測(cè)算電樞回路電阻的測(cè)量：采用伏安法測(cè)電阻，將電樞繞組當(dāng)做簡(jiǎn)單的電阻來(lái)測(cè)量，并采用多次測(cè)量求平均值的方法；電樞回路電感的測(cè)量：與測(cè)量電阻類似，采用伏安

4、法測(cè)量，但輸入電源采用交流電源輸入，先求阻抗，再算電感值；機(jī)電時(shí)間常數(shù)的測(cè)量：在示波器上測(cè)量測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓，記錄一組電壓時(shí)間數(shù)據(jù)，然后曲線擬合求電機(jī)時(shí)間常數(shù)。電機(jī)參數(shù)列表電樞電阻21.6電樞電感0.646H機(jī)電時(shí)間常數(shù)0.10065電磁時(shí)間常數(shù)0.0029額定電壓220V額定電流1.2A額定功率185W額定轉(zhuǎn)速1600r/min3. 調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)

5、抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。由于電流檢測(cè)中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。3.1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。它對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。由于測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波。3.2. 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速,

6、故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如下所示：4. 直流電源的選擇應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的常用的直流電源有晶閘管相控整流電源和PWM控制與變換器，二者的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基本一致，但考慮到晶閘管相控整流電源需要在環(huán)內(nèi)加裝平波電抗器，設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜，且PWM在工程中運(yùn)用已相當(dāng)普遍，故本次課程設(shè)計(jì)的直流電源采用PWM控制與變換器。如下圖所示：5. 電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)5.1. 電流環(huán)結(jié)構(gòu)組成從穩(wěn)

7、態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2.3.1c可以看出，采用型系統(tǒng)就夠了。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)。圖2.3.1c 表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 （16）式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 （17）則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖所示的典型形式52.電流調(diào)節(jié)

8、器參數(shù)計(jì)算由公式（1-6）得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為，要求得具體參數(shù)，則需要知道及，為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 則由公式（1-8）可得到電流環(huán)放大系數(shù)，又由公式（1-12）有，則可得到 （2-1）其中，選取時(shí)間常數(shù),為了基本濾平電流，取電流濾波時(shí)間常數(shù)，則有；;，;則可求得則有電流環(huán)傳遞函數(shù)為： （2-2）此時(shí)電流超調(diào)量=4.32%，小于5%，符合系統(tǒng)要求。6. 轉(zhuǎn)速外環(huán)的設(shè)計(jì)6.1. 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)組成由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，而且在后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)

9、，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （122）式中 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超其時(shí)間常數(shù)在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，加入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，和普通的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比，在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)上并聯(lián)了微分電容和濾波電阻，即在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)帶濾波的轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號(hào)。在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋兩個(gè)信號(hào)一起與給定信號(hào)相抵，將在比普通雙閉環(huán)系統(tǒng)更早一些的時(shí)刻達(dá)到平衡，開(kāi)始退飽和。其結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)形式如下圖所示：6.2. 轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器部分參數(shù)計(jì)算由公式（1-22）可知轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，又由式（1-21）及（1-23）可求得 （2-3）按跟隨性能和抗擾性能

10、都較好的原則選取，則可得由公式（1-24）及（1-25）可求轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益K及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的比例系數(shù)，其中 (2-4)其中Tm=0.52s；;；則可求得，則求得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （2-5）在退飽和的情況下，計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)有（2-6）在h=5時(shí)有=81.2%；=1.5；=0.07s； =0.0012s；=0.133；空載啟動(dòng)時(shí)有；即可求得由此可見(jiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量很大，不滿足不需要超調(diào)量的要求，故需加入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)。轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋部分參數(shù)計(jì)算式中用小數(shù)表示允許的超調(diào)量。本次設(shè)計(jì)中=0，故其中h=5,=0.016，所以7. 仿真與調(diào)試過(guò)程7.1. 繪制系統(tǒng)框圖在MATLA

11、B中依照原理圖選擇合適模塊完成系統(tǒng)框圖。注意轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不能用普通的傳遞函數(shù)模塊，而應(yīng)采用比例積分分離器，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出端應(yīng)加入限幅環(huán)節(jié)，以防止電機(jī)過(guò)流并使電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)線性啟動(dòng)；電流調(diào)節(jié)器同樣要加以限幅，電流調(diào)節(jié)器輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，即使不希望電流調(diào)節(jié)器進(jìn)入限幅。系統(tǒng)框圖如下：7.2. 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，因?yàn)槿绻麅?nèi)環(huán)性能稍差，不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，還可以通過(guò)外環(huán)加以矯正，而對(duì)于外環(huán)相關(guān)參數(shù)的偏差，內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)能力明顯要差得多。因此，首先調(diào)試電流內(nèi)環(huán)的相關(guān)參數(shù)，基本符合要求后再調(diào)整轉(zhuǎn)速外環(huán)的相關(guān)參數(shù)。電流內(nèi)環(huán)的調(diào)試：調(diào)整ASR的比例系數(shù)和積

12、分時(shí)間常數(shù)，使得電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中超調(diào)小于百分之五，且超調(diào)過(guò)后電流能馬上達(dá)到較大的恒定值并實(shí)現(xiàn)恒流啟動(dòng)。增大ACR的比例系數(shù)會(huì)使電流環(huán)的超調(diào)增大，但對(duì)恢復(fù)時(shí)間影響不大；慢慢調(diào)整ACR的系數(shù)，直到電流輸出滿足要求，如下圖所示：轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)試：在電流內(nèi)環(huán)基本確定時(shí)，開(kāi)始調(diào)試轉(zhuǎn)速外環(huán)的參數(shù)。增大微分時(shí)間常數(shù)可以減小轉(zhuǎn)速的超調(diào)，但是過(guò)大又會(huì)使系統(tǒng)震蕩；增大ACR的比例系數(shù)則使系統(tǒng)加負(fù)載之后的恢復(fù)時(shí)間減少，同時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差有所減?。贿m當(dāng)提高積分飽和的門限值可以明顯減小穩(wěn)態(tài)誤差，但過(guò)大會(huì)使轉(zhuǎn)速環(huán)變得明顯超調(diào)。調(diào)整以上參數(shù)，直到轉(zhuǎn)速和電流的輸出波形都基本符合要求，如下圖所示：8. 心得體會(huì)與收獲8.1. 學(xué)到的新

13、知識(shí)要實(shí)現(xiàn)電流超調(diào)小于百分之五的同時(shí)轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)，必須同時(shí)有電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋兩條反饋。即必須同時(shí)有轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，由于最終目的是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速環(huán)必須在外。無(wú)論是電流環(huán)還是轉(zhuǎn)速環(huán)，均需要加入濾波環(huán)節(jié)，以濾除環(huán)內(nèi)的噪聲干擾，并使系統(tǒng)的型別滿足要求。實(shí)際的比例積分器都是帶有限幅環(huán)節(jié)的，故所用到的PI調(diào)節(jié)器均需要帶有限幅環(huán)節(jié)，才能切合實(shí)際，即使我們不希望ACR的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)入限幅狀態(tài)；ASR的限幅還有保護(hù)電機(jī)并使電機(jī)線性啟動(dòng)的作用。調(diào)速系統(tǒng)的電源如選用晶閘管相控整流電源，則需要在環(huán)內(nèi)加裝平波電抗器，否則會(huì)使系統(tǒng)很難調(diào)整到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。在反饋回路中加入測(cè)速反饋有可能使系統(tǒng)無(wú)超調(diào)。8.2.

14、 鞏固了相關(guān)知識(shí)雖然這次課程設(shè)計(jì)只是對(duì)所學(xué)的電機(jī)原理與拖動(dòng)技術(shù)和自動(dòng)控制原理等的相關(guān)知識(shí)的一次較為簡(jiǎn)單的運(yùn)用，但依然是對(duì)我們的一次嚴(yán)峻考驗(yàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)電機(jī)工作原理、啟動(dòng)過(guò)程和機(jī)械特性等知識(shí)幾乎都沒(méi)有多少印象了，而對(duì)于自動(dòng)控制原理里面的系統(tǒng)型別與穩(wěn)定性的關(guān)系、PI調(diào)節(jié)器系數(shù)選擇對(duì)系統(tǒng)特性的影響和測(cè)速反饋對(duì)系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性的影響等知識(shí)也掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計(jì)要求我們必須回歸課本，熟練掌握并運(yùn)用相關(guān)知識(shí)。8.3. 第一次將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐以前都是在做題時(shí)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，這次課程設(shè)計(jì)要求將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，更加考驗(yàn)我們對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，同時(shí)提高了我們對(duì)知識(shí)的梳理與匯總、學(xué)習(xí)新知識(shí)以及靈活運(yùn)用搜索引擎及數(shù)字圖書館的電子資源等能力，對(duì)獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力也有很高的要求。8.4. 其他感想五天的課程設(shè)計(jì)并不像曾經(jīng)想象的那樣枯燥無(wú)味，幾乎都是在歡聲笑語(yǔ)中度過(guò)，即使有時(shí)會(huì)因?yàn)楫?dāng)天的任務(wù)可能無(wú)法完成而有些慌亂，因?yàn)槲掖_信我們十一個(gè)人的團(tuán)隊(duì)是一個(gè)優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)。這五天中，大家相互合作，共同發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并、探討問(wèn)題并集合全隊(duì)的力量解決問(wèn)題，最終完基本成本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)。隊(duì)友間的默契配合及互相幫助以及老師不辭辛勞的指導(dǎo)和無(wú)私幫助都使我感動(dòng)；大家幽默的話語(yǔ)則使課程設(shè)計(jì)的過(guò)程變得輕松快樂(lè)?？傊@次課程設(shè)計(jì)給我我大學(xué)