直流電機調速系統(tǒng)設計

PAGEIV PAGEIV東北石油大學課程設計課程課程電氣工程課程設計題目直流電機調速系統(tǒng)設計院系電氣信息工程學院電氣工程系專業(yè)班級電氣學生姓名學生學號指導教師電氣工程課程設計（報告）

目錄1設計要求 12雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計 12.1系統(tǒng)的組成 12.2系統(tǒng)的原理圖 23系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性 33.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖 33.2系統(tǒng)靜特性 33.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 44電流調節(jié)器的設計 44.1確定時間常數(shù) 44.2選擇電流調節(jié)器的結構 44.3計算電流調節(jié)器的參數(shù) 54.4計算調節(jié)器電阻和電容 54.5計算電流調節(jié)器的參數(shù) 64.6校驗近似條件 65轉速調節(jié)器的設計 75.1確定時間 75.2計算轉速調節(jié)器參數(shù) 75.3檢驗近似條件 85.4計算調節(jié)器電阻和電容 85.5校核轉速超調量 96調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 9結論 10參考資料 11電氣工程課程設計（報告）1設計要求2.1根據設計要求完成雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)設計計算、判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、繪制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖。2.2按工程設計方法設計雙閉環(huán)轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的調節(jié)器，選擇調節(jié)器結構、利用伯德圖完成系統(tǒng)動態(tài)校正、計算系統(tǒng)的穩(wěn)定余量γ及GM、計算調節(jié)器參數(shù)、繪制系統(tǒng)動態(tài)及結構圖。2.3設計采用模擬調節(jié)器及MOSFET功率器件實現(xiàn)的轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)，繪制控制電路及主電路電路圖。2.4測試雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的PWM驅動信號波形、PWM電壓波形、電機電流波形、轉速反饋波形和直流電動機轉速及控制電路各單元的相關波形。2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)的組成轉速、電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)是應用最廣性能很好的直流調速系統(tǒng)。采用PI調節(jié)的單個轉速閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)無靜差調速。但對于系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高的系統(tǒng)，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。所以，我們希望達到的控制是：起動過程只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；達到穩(wěn)態(tài)轉速后只有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮作用。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可以在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖2.1所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調機器的輸入，再把電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里，稱作內環(huán)；轉速換在外，稱作外環(huán)。這就形成了轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構圖2.1如下：圖2.1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構2.2系統(tǒng)的原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2.2所示。圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還標出了兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖2.2如下：圖2.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性3.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構圖，如圖3.1所示。它可以很方便地根據上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調節(jié)器就可以了。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值：當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。不飽和——輸出未達到限幅值：當調節(jié)器不飽和時，正如所闡明的那樣，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。3.2系統(tǒng)靜特性雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達到Idm后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用“準PI調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如圖3.1中虛線所示。圖3.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性3.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖繪制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構如圖3.2所示：圖3.2雙閉環(huán)調速體統(tǒng)的動態(tài)結構圖4電流調節(jié)器的設計4.1確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。驅動頻率f≥10kHz時，PWM裝置的延長時間。（2）電流濾波時間常數(shù)Toi。應有（1-2），因此取。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i。按小時間常數(shù)近似處理，取。（4）電磁時間常數(shù)：。4.2選擇電流調節(jié)器的結構根據設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中Ki電流調節(jié)器的比例系數(shù)；τi電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：,參照表1的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設計。4.3計算電流調節(jié)器的參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益:要求時,按表2可取，因此，PWM裝置的放大系數(shù)：于是，ACR的比例系數(shù)為：4.4計算調節(jié)器電阻和電容由圖6，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為取90，取0.024取0.006按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。如圖4.1所示：圖4.1含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器4.5計算電流調節(jié)器的參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益:要求時,按表2可取，因此，PWM裝置的放大系數(shù)：于是，ACR的比例系數(shù)為：4.6校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：(1)PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件：滿足近似條件。(2)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：滿足近似條件。(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。5轉速調節(jié)器的設計5.1確定時間電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由前述已知，，則:轉速濾波時間常數(shù)，根據所用測速發(fā)電機紋波情況，取.轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取5.2計算轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為則轉速環(huán)開環(huán)增益可得ASR的比例系數(shù)為式中電動勢常數(shù)5.3檢驗近似條件轉速截止頻率為（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件。（2）轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足近似條件。5.4計算調節(jié)器電阻和電容根據圖7所示，取，則取取取含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器如圖5.1所示：圖5.1含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器5.5校核轉速超調量當h=5時，查表3典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標得，，不能滿足設計要求。實際上，由于按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。計算超調量。設理想空載起動時，負載系數(shù)，已知，，，，，，。當時，由表4查得，而調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降（6）調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速為基準值，對應為額定轉速。根據式（6）計算得滿足設計要求。6調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，其中代入以上求得的數(shù)據得應用MATLAB編程畫伯德圖，如圖5.2所示：圖5.2直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)伯德圖結論1.兩個PI調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。2.實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用“準PI調節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。3.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似。4.在反饋控制的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓Un，與給定電壓U*n相比較后，得到轉速偏差電壓Un，經過放大器A，產生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc，用以控制電動機轉速n。參考資料[1]陳伯時.運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社2021.[2]陳治明.電力電子器件[M].北京：機械工業(yè)出版社2021.[3]樊麗萍,王忠慶.電力電子技術[M].北京：中國林業(yè)出版社2021.[4]袁德成,王玉德.自動控制原理[M].北京：北京大學出版社2021.[5]付光杰，趙海龍.電機與拖動[M].北京：石油工業(yè)出版社2021附錄表1轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)零件表名稱個數(shù)名稱個數(shù)運放upc45701電動機SS40E21運放Upc457415.1K電阻5比較器LM311210K電阻6與門74HC08120K電阻2非門TD62084112K電阻2光耦TLP25041.2M電阻1MOS管2SK26614300電阻4觸發(fā)器74HC14122電阻1二極管1DL251電阻40.1電容73K電阻43300P電容1100K電阻10.47電容11M電阻11200P電容120K電位器10.01電容410K電位器11電容1直流穩(wěn)壓電源，導線等主電路圖：控制電路圖：東北石油大學課程設計任務書課程電氣工程課程設計題目直流電機調速系統(tǒng)設計專業(yè)電氣工程及其自動化姓名學號主要內容：根據設計要求完成雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)設計計算、判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、繪制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖。按工程設計方法設計轉速單閉環(huán)、轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的調節(jié)器，選擇調節(jié)器結構、利用伯德圖完成系統(tǒng)動態(tài)校正、計算系統(tǒng)的穩(wěn)定余量γ及GM、繪制系統(tǒng)動態(tài)及結構圖。設計采用模擬調節(jié)器及MOSFET功率器件實現(xiàn)的轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)。PWM電壓波形、電機電流波形、轉速反饋波形和直流電動機轉速及控制電路各單元的相關波形。參考資料：[1]陳伯時.運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社2021.[2]陳治明.電力電子器件[M].北京：機械工業(yè)出版社2021.[3]樊麗萍,王忠慶.電力電子技術[M].北京：中國林業(yè)出版社2021.[4]袁德成,王玉德.自動控制原理[M].北京：北京大學出版社2021.[5]付光杰，趙海龍.電機與拖動[M].北京：石油工業(yè)出版社2021完成期限指導教師專業(yè)負責人電氣工程課程設計（報告）PAGE1東北石油大學課程設計成績評價表課程名稱電氣工程課程設計題目名稱直流電機調速系統(tǒng)設計學生姓名學號指導教師姓名職稱講師教授序號評價項目指標滿分評分1工作量、工作態(tài)度和出勤率按期圓滿的完成了規(guī)定的任務，難易程度和工作量符合教學要求，工作努力，遵守紀律，出勤率高，工作作風嚴謹，善于與他人合作。202課程設計質量課程設計選題合理，計算過程簡練準確，分析問題思路清晰，結構嚴謹，文理通順，撰寫規(guī)范，圖表完備正確。453創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一些改進或有一定應用價值。54答辯能正確回答指導教師所提出的問題。30總分評語：指導教師：年月日

社會實踐報告系別：班級：學號：姓名：作為祖國未來的事業(yè)的繼承人，我們這些大學生應該及早樹立自己的歷史責任感，提高自己的社會適應能力。假期的社會實踐就是很好的鍛煉自己的機會。當下，掙錢早已不是打工的唯一目的，更多的人將其視為參加社會實踐、提高自身能力的機會。許多學校也積極鼓勵大學生多接觸社會、了解社會，一方面可以把學到的理論知識應用到實踐中去，提高各方面的能力；另一方面可以積累工作經驗對日后的就業(yè)大有裨益。進行社會實踐，最理想的就是找到與本專業(yè)對口單位進行實習，從而提高自己的實戰(zhàn)水平，同時可以將課本知識在實踐中得到運用，從而更好的指導自己今后的學習。但是作為一名尚未畢業(yè)的大學生，由于本身具備的專業(yè)知識還十分的有限，所以我選擇了打散工作為第一次社會實踐的方式。目的在于熟悉社會。就職業(yè)本身而言，并無高低貴賤之分，存在即為合理。通過短短幾天的打工經歷可以讓長期處于校園的我們對社會有一種更直觀的認識。實踐過程：自從走進了大學，就業(yè)問題就似乎總是圍繞在我們的身邊，成了說不完的話題。在現(xiàn)今社會，招聘會上的大字報都總寫著“有經驗者優(yōu)先”，可還在校園里面的我們這班學子社會經驗又會擁有多少呢？為了拓展自身的知識面，擴大與社會的接觸面，增加個人在社會競爭中的經驗，鍛煉和提高自己的能力，以便在以后畢業(yè)后能真正真正走入社會，能夠適應國內外的經濟形勢的變化，并且能夠在生活和工作中很好地處理各方面的問題，我開始了我這個假期的社會實踐-走進天源休閑餐廳。實踐，就是把我們在學校所學的理論知識，運用到客觀實際中去，使自己所學的理論知識有用武之地。只學不實踐，那么所學的就等于零。理論應該與實踐相結合。另一方面，實踐可為以后找工作打基礎。通過這段時間的實習，學到一些在學校里學不到的東西。因為環(huán)境的不同，接觸的人與事不同，從中所學的東西自然就不一樣了。要學會從實踐中學習，從學習中實踐。而且在中國的經濟飛速發(fā)展，又加入了世貿，國內外經濟日趨變化，每天都不斷有新的東西涌現(xiàn)，在擁有了越來越多的機會的同時，也有了更多的挑戰(zhàn)，前天才剛學到的知識可能在今天就已經被淘汰掉了，中國的經濟越和外面接軌，對于人才的要求就會越來越高，我們不只要學好學校里所學到的知識，還要不斷從生活中，實踐中學其他知識，不斷地從各方面武裝自已，才能在競爭中突出自已，表現(xiàn)自已。在餐廳里,別人一眼就能把我人出是一名正在讀書的學生,我問他們?yōu)槭裁?他們總說從我的臉上就能看出來,也許沒有經歷過社會的人都有我這種不知名遭遇吧!我并沒有因為我在他們面前沒有經驗而退后,我相信我也能做的像他們一樣好.我的工作是在那做傳菜生,每天9點鐘-下午2點再從下午的4點-晚上8:30分上班,雖然時間長了點但,熱情而年輕的我并沒有絲毫的感到過累,我覺得這是一種激勵,明白了人生,感悟了生活,接觸了社會,了解了未來.在餐廳里雖然我是以傳菜為主,但我不時還要做一些工作以外的事情，有時要做一些清潔的工作，在學校里也許有老師分配說今天做些什么，明天做些什么，但在這里，不一定有人會告訴你這些，你必須自覺地去做，而且要盡自已的努力做到最好，一件工作的效率就會得到別人不同的評價。在學校，只有學習的氛圍，畢竟學校是學習的場所，每一個學生都在為取得更高的成績而努力。而這里是工作的場所，每個人都會為了獲得更多的報酬而努力，無論是學習還是工作，都存在著競爭，在競爭中就要不斷學習別人先進的地方，也要不斷學習別人怎樣做人，以提高自已的能力！記得老師曾經說過大學是一個小社會，但我總覺得校園里總少不了那份純真，那份真誠，盡管是大學高校，學生還終歸保持著學生的身份。而走進企業(yè)，接觸各種各樣的客戶、同事、上司等等，關系復雜，但我得去面對我從未面對過的一切。記得在我校舉行的招聘會上所反映出來的其中一個問題是，學生的實際操作能力與在校理論學習有一定的差距。在這次實踐中，這一點我感受很深。在學校，理論的學習很多，而且是多方面的，幾乎是面面俱到；而在實際工作中，可能會遇到書本上沒學到的，又可能是書本上的知識一點都用不上的情況。或許工作中運用到的只是很簡單的問題，只要套公式似的就能完成一項任務。有時候我會埋怨，實際操作這么簡單，但為什么書本上的知識讓人學得這么吃力呢？這是社會與學校脫軌了嗎？也許老師是正確的，雖然大學生生活不像踏入社會，但是總算是社會的一個部分，這是不可否認的事實。但是有時也要感謝老師孜孜不倦地教導，有些問題有了有課堂上地認真消化，有平時作業(yè)作補充，我比一部人具有更高的起點，有了更多的知識層面去應付各種工作上的問題，作為一名大學生，應該懂得與社會上各方面的人交往，處理社會上所發(fā)生的各方面的事情，這就意味著大學生要注意到社會實踐，社會實踐必不可少。畢竟，很快我就不再是一名大學生，而是社會中的一分子，要與社會交流，為社會做貢獻。只懂得紙上談兵是遠遠不及的，以后的人生旅途是漫長的，為了鍛煉自己成為一名合格的、對社會有用的人才.很多在學校讀書的人都說寧愿出去工作，不愿在校讀書；而已在社會的人都寧愿回校讀書。我們上學，學習先進的科學知識，為的都是將來走進社會，獻出自己的一份力量，我們應該在今天努力掌握專業(yè)知識，明天才能更好地為社會服務。實踐心得：雖然這次的實踐只有短短的幾天，而且從事的是比較簡單的服務工作，但是通過與各種各樣的人接觸，還是讓我學會了很多道理。首先是明白了守時的重要性。工作和上學是兩種完全不同的概念，上學是不遲到很多時候是因為懼怕老師的責怪，而當你走上了工作崗位，這里更多的是由于自己內心的一種責任。這種責任是我學會客服自己的惰性，準時走上自己的崗位。這