电气工程课程设计：直流电机调速系统设计.doc

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 电气工程课程设计 题 目 直流电机调速系统设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 学生姓名 学生学号 指导教师 2012年 7月 18目 录1 设计要求12双闭环直流调速系统设计12.1系统的组成12.2系统的原理图23系统的稳态结构框图和静特性33.1系统稳态结构图33.2系统静特性33.3双闭环直流调速系统的动态结构图44电流调节器的设计44.1确定时间常数44.2选择电流调节器的结构44.3计算电流调节器的参数54.4计算调节器电阻和电容54.5计算电流调节器的参数64.6校验近似条件65转速调节器的设计75.1确定时间75.2计算转速调节器参数75.3检验近似条件85.4计算调节器电阻和电容85.5校核转速超调量96调速系统的开环传递函数9结论10参考资料111 设计要求2.1根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图。 2.2按工程设计方法设计双闭环转速电流双闭环直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量及GM、计算调节器参数、绘制系统动态及结构图。2.3设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图。2.4测试双闭环调速系统的PWM驱动信号波形、PWM电压波形、电机电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。2双闭环直流调速系统设计2.1系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调节系统可以在保证系统稳定的前提下实现无静差调速。但对于系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足要求了。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制是：起动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图2.1所示。把转速调节器的输出当作电流调机器的输入，再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里，称作内环；转速换在外，称作外环。这就形成了转速电流双闭环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统结构图2.1如下：图2.1转速、电流双闭环直流调速系统结构2.2系统的原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2.2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。双闭环直流调速系统原理图2.2如下：图2.2双闭环直流调速系统原理图3系统的稳态结构框图和静特性3.1系统稳态结构图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图3.1所示。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况： 饱和输出达到限幅值：当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值：当调节器不饱和时，正如所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 3.2系统静特性 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图3.1中虚线所示。 图3.1双闭环直流调速系统的静特性3.3双闭环直流调速系统的动态结构图绘制双闭环直流调速系统动态结构如图3.2所示：图3.2双闭环调速体统的动态结构图4电流调节器的设计4.1确定时间常数 （1）整流装置滞后时间常数Ts。驱动频率 f10kHz 时，PWM装置的延长时间。 （2）电流滤波时间常数Toi。 应有（1-2），因此取。 （3）电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取。 （4）电磁时间常数：。4.2选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 式中 Ki-电流调节器的比例系数； i-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： ,参照表1的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。4.3计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益:要求时,按表2可取 ，因此， PWM装置的放大系数： 于是，ACR的比例系数为：4.4计算调节器电阻和电容由图6，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 取90 ，取0.024 取0.006 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。如图4.1所示：图4.1含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器4.5计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益:要求时,按表2可取 ，因此， PWM装置的放大系数： 于是，ACR的比例系数为：4.6校验近似条件电流环截止频率：(1)PWM装置传递函数的近似条件： 满足近似条件。(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 满足近似条件。(3)电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。5转速调节器的设计5.1确定时间1) 电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则: 2) 转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取 .3) 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 5.2计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 则转速环开环增益 可得ASR的比例系数为式中电动势常数 5.3检验近似条件 转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件。 5.4计算调节器电阻和电容根据图7所示，取，则 取 取取 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图5.1所示：图5.1含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器5.5校核转速超调量当h=5时，查表3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。 设理想空载起动时，负载系数，已知， ， ，。当时，由表4查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 （6） 调速系统开环机械特性的额定稳态速为基准值，对应为额定转速。根据式（6）计算得 满足设计要求。 6调速系统的开环传递函数，其中代入以上求得的数据得应用MATLAB编程画伯德图，如图5.2所示：图5.2 直流双闭环调速系统伯德图结论1. 两个PI调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。2. 实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差。3. 双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似。4. 在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。参考资料 1陈伯时. 运动控制系统 M. 北京：机械工业出版社 2009.2陈治明. 电力电子器件 M. 北京：机械工业出版社 2004.3樊丽萍,王忠庆. 电力电子技术 M. 北京：中国林业出版社 2006.4袁德成,王玉德. 自动控制原理 M. 北京：北京大学出版社 2006.5付光杰，赵海龙. 电机与拖动 M. 北京：石油工业出版社 2011附录表1转速单闭环直流调速系统零件表名称个数名称个数运放upc45701电动机SS40E21运放Upc457415.1K电阻5比较器LM311210K电阻6与门74HC08120K电阻2非门TD62084112K电阻2光耦TLP25041.2M电阻1MOS管2SK26614300电阻4触发器74HC14122电阻1二极管1DL42A251电阻40.1电容73K电阻43300P电容1100K电阻10.47电容11M电阻11200P电容120K电位器10.01电容410K电位器11电容1直流稳压电源，导线等主电路图：控制电路图：东北石油大学课程设计任务书课程 电气工程课程设计 题目 直流电机调速系统设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 主要内容：根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图。按工程设计方法设计转速单闭环、转速电流双闭环直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量及GM、绘制系统动态及结构图。设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统。PWM电压波形、电机电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。参考资料：1陈伯时. 运动控制系统 M. 北京：机械工业出版社 2009.2陈治明. 电力电子器件 M. 北京：机械工业出版社 2004.3樊丽萍,王忠庆. 电力电子技术 M. 北京：中国林业出版社 2006.4袁德成,王玉德. 自动控制原理 M. 北京：北京大学出版社 2006.5付光杰，赵海龙. 电机与拖动 M. 北京：石油工业出版社 2011完成期限 2012.7.10至2012.7.18 指导教师 专业负责人 2011年 7 月 9 日东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称电气工程课程设计题目名称 直流电机调速系统设计 学生姓名 学号 指导教师姓名 职称讲师教授序号评价项目指 标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。202课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。453创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语：指导教师： 年 月 日