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1直流电动机调速系统课程设计报告姓名:班级:电气优创0902学号:同组人:2目录第一章设计内容及要求.................................................................................31.设计内容:...........................................................................................32.设计要求:...........................................................................................3第二章双闭环直流调速系统设计.................................................................41.系统的组成...........................................................................................42.系统的原理图.......................................................................................53.系统的稳态结构框图和静特性...........................................................63.1系统稳态结构图........................................................................63.2系统静特性................................................................................63.3各变量稳态工作点和稳态参数的计算....................................74.双闭环直流调速系统的动态结构图...................................................85.调节器的设计.......................................................................................95.1电流调节器的设计....................................................................95.2转速调节器的设计................................................................136.调速系统的开环传递函数...............................................................17第三章单闭环直流调速系统设计.............................................................181.闭环调速系统的组成及其静特性...................................................182.静特性方程式...................................................................................193.稳态结构框图...................................................................................194.动态结构框图...................................................................................205.稳态参数计算...................................................................................216.判别系统的稳定性...........................................................................227.调速系统的开环传递函数...............................................................228.实验室实测结果.............................................................................239.电路控制图.......................................................................................2610.转速单闭环直流调速系统零件表.................................................29第四章设计总结及心得.............................................................................30第五章附录.................................................................................................31参考资料...............................................................................................313第一章设计内容及要求1.设计内容:1.1根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统。1.2根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统,并利用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统。2.设计要求:2.1根据设计要求完成单闭环、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γ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测试单闭环调速系统的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。3.设计参数:3.1直流电动机参数:PN=20W、UN=24V、IN=1.5A、nN=3000r/min、电枢电阻Ra=1.8Ω电枢电感La=9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35ms。3.2测速发电机参数:Un=80V,nN=3000r/min,PN=16W,IN=200mA,负载电阻R=400Ω。3.3PWM主电路:驱动频率f≥10kHz,R=2.7+1.8=4.5Ω。3.4设计指标:转速电流双闭环直流调速系统:U*n=10V,Uim=10V,Idm=1.5IN,σi≤5%,σn≤10%。4第二章双闭环直流调速系统设计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。52.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。63.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1.6节中所阐明的那样,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。7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4中虚线所示。3.3各变量稳态工作点和稳态参数的计算双闭环调速系统在稳态工作中,当两个调节器都不饱和时,各变量之间有下列关系8上述关系表明,在稳态工作点上,转速n是由给定电压U*n决定的;ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的;控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id,或者说,同时取决于U*n和IdL。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量,而PI调节器则不然,其输出量的稳态值与输入无关,而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值,它就能提供多少,直到饱和为止。鉴于这一特点,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,即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数:两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定,受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。由已知条件,带入公式(4)和公式(5),得4.双闭环直流调速系统的动态结构图rVrVnUmin/.0033.0min/300010max*nmAVAVIU/44.45.15.110dm*im95.调节器的设计作为工程设计方法,首先要使问题简化,突出主要矛盾。简化的基本思路是,把调节器的设计过程分作两步:第一步:选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。第二步:设计调节器的参数,以满足动态性能指标的要求。5.1电流调节器的设计5.1.1确定时间常数(1)整流装置滞后
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