含有电流截止负反馈地转速负反馈直流调速系统设计

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运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统

运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统

U
*
im
,转速外环呈开环状态,
转速的变化对系统不再产生影响。在这种情况下,电流负反
馈环起恒流调节作用,转速线性上升,从而获得极好的下垂
特性,如图 3-5中的AB段虚线所示。
第二十一页,编辑于星期三:九点 二十二分。
第 3章 转速、电流双闭环直流调速系统
此时,电流
I
d
U* im ?
?
I dm
,Idm 为最大电流,是由设
差调节。
第二十页,编辑于星期三:九点 二十二分。
第 3章 转速、电流双闭环直流调速系统
1) 转速调节器饱和
在电动机刚开始起动时,突加阶跃给定信号 U*n,由于
机械惯性,转速 n很小,转速负反馈信号 Un很小,则转速偏
差电压 ΔUn=U*n-Un>0很大,转速调节器 ASR 很快达到饱和
状态, ASR的输出维持在限幅值
图 3-5 双闭环直流调速系统的静特性
第二十三页,编辑于星期三:九点 二十二分。
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
2) 转速调节器不饱和
当转速n达到给定值且略有超调时 (即n>n0),ΔUn=
U*n-Un<0,则转速调节器 ASR的输入信号极性发生改变,
ASR 退出饱和状态,转速负反馈环节开始起转速调节作用,
用以调节起动电流并使之保持最大值,使得转速线性变化, 迅速上升到给定值; 在电动机稳定运行时,转速调节器退 出饱和状态,开始起主要调节作用,使转速随着转速给定信 号的变化而变化,电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流 以平衡负载电流。
第六页,编辑于星期三:九点 二十二分。
第 3章 转速、电流双闭环直流调速系统
器ACR和转速调节器 ASR的输入电压偏差一定为零,因此,

带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真

带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真

潇湘学院《课程设计报告》题目:带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真专业:电气工程及其自动化班级:姓名:学号:指导教师:陈敏初始条件:1.技术数据输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A额定励磁电压110V 功率因数0.85电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH电机机电时间常数2S电枢允许过载系数1.5额定转速 1430rpm2.技术指标稳态指标:无静差(静差率s≤2%, 调速范围 D≥10 )动态指标:系统稳定要求完成的主要任务:1.技术要求:(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节,负载电机不可逆运行,具有较宽的调速范围(D ≥10),系统在工作范围内能稳定工作(2) 根据指标要求进行动态校正,选择调节器的参数,并确定电流截止负反馈环节的相关参数,(3) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续2.设计内容:(1) 根据题目的技术要求,分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成,画出系统组成的原理框图(2) 根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流截止负反馈的作用,(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形,并由仿真波形通过MATLAB 来进行调节器的参数调节。

(4) 绘制带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的电气原理总图(要求计算机绘图)(5) 整理设计数据资料,课程设计总结,撰写设计计算说明书目录摘要 (3)1.闭环调速控制系统构成 (5)1.1 主电路 (5)1.2 原理框图 (5)2带电流截止负反馈的转速负反馈的分析 (6)2.1电流截止负反馈的提出 (6)2.2 电流截止负反馈环节 (7)2.3 带电流截止负反馈调速系统结构框图和静特性 (8)3 参数设计 (10)3.1整体分析 (10)3.2稳定性参数计算和判断 (10)3.3 转速调节器校正 (11)3.3.1 PI调节器结构 (11)3.3.2 调节器的选择 (12)3.4 电流截止负反馈参数设计 (16)4. 电流MATLAB仿真 (17)4.1 将设计的参数进行仿真 (17)4.2 调节器参数调整 (18)5.电气总图 (19)6.结束语 (20)参考文献 (20)摘要为了提高直流调速系统的动态、静态性能,通常采用闭环控制系统(主要包括单闭环、双闭环)。

双闭环直流调速系统的设计

双闭环直流调速系统的设计

双闭环直流调速系统设计一、系统组成与数学建模1)系统组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可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)联接如下图所示。

L+-图中,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用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,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

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P I 调节器,这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。

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U c为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。

2)数学建模图中W ASR(s)和W ACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

如果采用PI调节器,则有ss K s W i i iACR 1)(ττ+= ss K s W n n nASR 1)(ττ+=二、 设计方法采用工程设计法 1、设计方法的原则: (1)概念清楚、易懂; (2)计算公式简明、好记;双闭环直流调速系统的动态结构图(3)不仅给出参数计算的公式,而且指明参数调整的方向; (4)能考虑饱和非线性控制的情况,同样给出简单的计算公式; (5)适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

2、工程设计方法的基本思路:(1)选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。

(2)设计调节器的参数,以满足动态性能指标的要求。

一般来说,许多控制系统的开环传递函数都可表示为∏∏==++=n1i irm1j j )1()1()(s T ss K s W τ上式中,分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点,或者说,系统含有 r 个积分环节。

根据 r=0,1,2,……等不同数值,分别称作0型、I 型、Ⅱ型、……系统。

转速、电流双闭环直流调速系统

转速、电流双闭环直流调速系统

第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性采用PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是,如果对系统的动态性能要求较高,单闭环系统就难以满足需要,这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。

电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。

在起动过程中,始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统以最大的加速度起动,到达稳态转速时,立即让电流降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。

这样的理想起动过程波形示于图2-1b 。

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dm I 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。

应该在起动过程中只有电流负反馈,没有转速负反馈,达到稳态转速后,又希望只要转速负反馈,不再让电流负反馈发挥作用。

2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,如图2-2所示。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用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,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器,图2-3。

两个调节器的输出都是带限幅+TG nASRACRU*n+ -U nU iU*i+-U cTAM+-U dI dUPE-MT图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —测速发电机TA —电流互感器 UPE —电力电子变换器内外ni2作用的,转速调节器ASR 的输出限幅电压*im U 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cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。

带电流截止负反馈的转速单闭环可逆调速系统设计心得

带电流截止负反馈的转速单闭环可逆调速系统设计心得

带电流截止负反馈的转速单闭环可逆调速系统设计心得在设计带有电流截止负反馈的转速单闭环可逆调速系统时,我获得了一些有价值的心得。

这种系统通常用于电机控制,通过闭环反馈来实现对电机转速的精确控制。

首先,设计一个合适的电流截止负反馈环路非常重要。

电流截止是一种常用的控制策略,通过将电流与设定值进行比较,然后根据比较结果调整控制信号来实现对转速的控制。

在设计负反馈环路时,需要注意选择合适的比例和积分增益来实现稳定的控制。

其次,选择合适的转速控制策略也是至关重要的。

常见的转速控制策略包括PID 控制、模糊控制和神经网络控制等。

根据实际需求和系统特点,选择最适合的控制策略能够提高系统的控制性能和稳定性。

此外,设计合适的传感器和测量电路也是设计可逆调速系统的重要一环。

转速传感器的准确性对于精确控制转速至关重要。

在选择传感器时,需要考虑其测量范围、精度和响应速度等因素。

最后,合理设计控制回路,并对系统进行充分的仿真和实验。

通过仿真和实验可以验证设计的合理性和系统的性能。

在仿真和实验中,可以对系统进行各种工况的测试,以确保系统在各种条件下都能稳定工作。

总结起来,设计带有电流截止负反馈的转速单闭环可逆调速系统需要考虑多个因素,包括负反馈环路设计、转速控制策略选择、传感器选择和系统仿真与实验。

通过综合考虑这些因素,可以设计出高性能和稳定的转速控制系统。

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统

实验八带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统一、实验目的(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。

(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试方法及电流截止负反馈的整定。

(3)通过实验,加深理解负反馈原理及转速负反馈电流截止负反馈的在调速系统中的作用。

二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标,通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。

对调速指标要求不高的场合,采用单闭环系统,而对调速指标较高的则采用多闭环系统。

按反馈的方式不同可分为转速反馈,电流反馈,电压反馈等。

在单闭环系统中,转速单闭环使用较多。

在本装置中,转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号,经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端,与“给定”的电压相比较经放大后,得到移相控制电压U Ct,用作控制整流桥的“触发电路”,触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间,以改变“三相全控整流”的输出电压,这就构成了速度负反馈闭环系统。

电机的转速随给定电压变化,电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定,速度调节器采用P(比例)调节对阶跃输入有稳态误差,要想消除上述误差,则需将调节器换成PI(比例积分)调节。

这时当“给定”恒定时,闭环系统对速度变化起到了抑制作用,当电机负载或电源电压波动时,电机的转速能稳定在一定的范围内变化。

在电流单闭环中,将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端,与“给定”的电压相比较,经放大后,得到移相控制电压U Ct,控制整流桥的“触发电路”,改变“三相全控整流”的电压输出,从而构成了电流负反馈闭环系统。

电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。

同样,电流调节器若采用P(比例)调节,对阶跃输入有稳态误差,要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。

当“给定”恒定时,闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用,当电机负载或电源电压波动时,电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。

转速﹑电流双闭环直流调速系统

转速﹑电流双闭环直流调速系统

引言目前,转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。

我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是,如果对系统的动态性能要求较高,例如:要求快速起制动,突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足需要。

故需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统,本文着重阐明其控制规律﹑性能特点和设计方法,是各种交﹑直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成及其静特性,接着说明该系统的动态数学模型,并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。

在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,一是要具有较高的机电能量转换效率;二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。

电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。

因此,调速技术一直是研究的热点。

长期以来,直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。

直流电动机在额定转速以下运行时,保持励磁电流恒定,可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速;在额定转速以上运行时,保持电枢电压恒定,可用改变励磁的方法实现恒功率调速。

采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

在现代化的工业生产中,几乎无处不使用电力拖动装置。

轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。

随着对生产工艺,产品质量的要求不断提高和产量的增长,越来越多的生产机械能实现自动调速。

从20世纪60年代以来,现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。

这种发展是以采用电力电子技术为基础的,在世界各国的工业部门中,直流电力拖动系统至今仍广泛的应用着。

直流拖动的突出优点在于:容易控制,能在很宽的范围内平滑而精确的调速,以及快速响应等。

在一定时期以内,直流拖动仍将具有强大的生命力。

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真运动控制实验报告

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真运动控制实验报告

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真 一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===,I N =87.3A ,电枢回路电阻0.087a R =Ω,电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、闭环直流调速系统稳态参数的计算 1)额定负载时的稳态速降应为:m i n/12.6min /)02.01(1002.03000)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆2)闭环系统应有的开环放大系数:计算电动机的电动势系数: r V r V n R I U C N a N N e min/071.0min/3000087.03.87220⋅=⋅⨯-=-=闭环系统额定速降为:min /97.106min /071.0087.03.87r r C R I n e N op =⨯==∆闭环系统的开环放大系数为:5.16112.697.1061=-≥-∆∆=clop n n K003.0/max max n ==n U α3)计算运算放大器的放大系数和参数 运算放大器放大系数K p 为:5.16/e p ≥=s K KC K α电枢回路的总电感为0.0032H电磁时间常数为037.0/l ==R L T 27/1l ==τK4)电流截止负反馈 四加电网扰动(第8s电压220→240)负载扰动给定值扰动五、将PI调节器参数改变1.电网扰动(第8s电压220→240)2.负载扰动3.给定值扰动转速、电流双闭环直流调速系统设计与仿真一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===,I N =87.3A ,电枢回路电阻0.087a R =Ω,电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、电流调节器ACR 参数计算允许电流过载倍数λ=2;设调节器输入输出电压im nm **U U ==10V ,电力电子开关频率为f=l kHz .首先计算电流反馈系数β和转速反馈系数α:06.0 I n im *==ββλU N U n nm *α= α=0.003s T 001.0s = ,电流环小时间常数为s T T T oi 002.0s i =+=∑电流调节器超前时间常数为s T K l i 015.0/1i ===τ 而对电流环开环增益局l K =250/5.0=∑i T ,于是ACR 的比例系数为:94.4/i l i ==s K R K K βτ 四、转速调节器ASR 参数计算 选中频段宽度h=5。

按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统

按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统

按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统一.设计内容及相关参数:已知晶闸管-直流电动机双环调速系统(V-M)整流装置采用三相桥式线路,已知参数为:直流电动机:P N=10kW,U N=220V,I N=136A,n N=1500r/min,Ce=0.228V/r.minλ=1.2V-M系统主电路总电阻:R=0.863Ω电枢回路电磁时间常数:T l =0.028s系统运动部分飞轮矩相应的机电时间常数:T m=0.383s 系统测速反馈系数α=0.0041v·min/r系统电流反馈系数β=0.028V/A触发整流装置的放大系数:K s=30三相桥式平均失控时间:T s=0.00167s电流环滤波时间常数:T oi=0.005s转速环滤波时间常数:T on=0.005s二、设计要求:稳态指标无静差;动态指标电流超调量σi%=5%;空载起动到额定转速时的转速超调量σn%=10%。

第一章题目的意义及个人对题目的理解随着生产技术的发展,对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面,提出了更高的要求,这就要大量使用调速系统。

由于直流电动机的调速和转矩控制性能好,从20世纪30年代起就开始使用,其中最典型的是转速电流双闭环控制的直流调速系统。

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。

其控制规律、性能特点和设计方法,是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

在闭环控制的直流系统中表明,采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是,如果对系统的动态性能要求较高,例如:要求快速起制动,突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足需要。

在双闭环调速系统中,电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。

根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标,而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求,所以需要设计合适的校正环节来达到。

带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速系统设计

带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速系统设计

带电流截⽌负反馈环节的单闭环直流调速系统设计带电流截⽌负反馈环节的单闭环直流调速系统设计1设计⽬的(1)了解带电流截⽌负反馈的转速单闭环直流调速系统的⼯作原理,熟悉组成环节及每个环节的作⽤。

(2)应⽤所学的交、直流调速系统的基本知识与⼯程设计⽅法,结合⽣产实际,确定系统的性能指标与实现⽅案,进⾏运动控制系统的初步设计。

(3)应⽤计算机仿真技术,通过在MATLAB软件上建⽴运动控制系统的数学模型,对控制系统进⾏性能仿真研究,掌握系统参数对系统性能的影响。

2设计参数采⽤晶闸管三相桥式全控整流电路供电,基本数据如下:直流电动机UN=220V, IN=65A,nN =1000r/min,电枢电阻Ra=0.15Ω,电枢电感La=0.0002H,励磁电压Uf=220V,励磁电流If=1.5A,电枢绕组和励磁绕组互感Laf=0.82H,供电电源电压U2=130V;晶闸管装置Ts=0.00167s,放⼤系数Ks=40;电枢回路总电阻R=0.5Ω;电枢回路总电感L=15mH;电动机轴上的总飞轮惯量GD2=12.5N·m2;转速调节器最⼤给定值*nmU=10V;3 设计任务(1)分析电流截⽌负反馈环节的⼯作原理,画出系统稳态结构图;(2)在MATLAB中建⽴带电流截⽌负反馈环节的单闭环直流调速系统;(3调节控制器参数,确定最佳调节参数。

将Simulink仿真模型,以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。

⽐较带电流截⽌负反馈环节和不带电流截⽌负反馈环节启动过程的差异。

4设计要求1.稳态指标:转速⽆静差;2.动态指标:启动电流的最⼤值150 A。

空载启动到额定转速的转速超调量σn≤15%。

4 设计基本内容4.1问题的提出在转速反馈控制直流调速系统中存在⼀个问题,在启动、制动过程和堵转状态时,电枢电流会过⼤。

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过⼤的问题,系统中必须有⾃动限制电枢电流的环节。

引⼊电流负反馈,可以使它不超过允许值。

直流调速控制系统的分析及仿真

直流调速控制系统的分析及仿真

当电流负反馈环节起主导作用时的自动调节过程如图7-1-8所示。
7.1.4系统的性能分析
代入图7-1-5中,由图可见,它是一个二阶系统,已知 二阶系统总是稳定的。但若考虑到晶闸管有延迟,晶 闸管整流装置的传递函数便为
相反。
5.电流截止负反馈环节
当 时,(亦即 ),则二极管VD截止,电流截止负反馈不起作用。当 时,(亦即 ),则二极管VD导通, [此处略去二极管的死区电压],电流截止负反馈环节起作用,它将使整流输出电压 下降,使整流电流下降到允许最大电流。 的数值称为截止电流,以 表示。调节电位器RP3即可整定 ,亦即整定 的数值。一般取 〔 为额定电流〕。 由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用,所以系统框图上可以省去。
在图7-1-1中,主电路中串联了一个阻值很小的取样电阻
(零点几欧)。电阻
上的电压

成正比。比 较阈值电压
是由一个辅助电源经电位器RP3提供的。电 流反馈信号(
图7-1-7调速系统的“挖土机”机械特性
当电流负反馈环节起主导作用时的自动调节过程如图7-1-8所示。 机械特性很陡下垂还意味着,堵转时(或起动时)电流不是很大。 这是因为在堵转时,虽然转速n=0,反电动势E=0,但由于电流 截止负反馈的作用,使
大大下降,从而
不致过大。此时 电流称为堵转电流
⑥ 晶闸管整流电路的调节特性为输出的 平均电压
与触发电路的控制电压
之间的关系,即
图7-1-4为晶闸管整流装置的调节特性。
由图可见,它既有死区,又会饱和。 (当全导通以后,
再增加, 也不会再 上升了),且低压段还有弯曲段。面对 这非线性特性,常用的办法是讲它“看 作”一条直线,即处理成

转速电流双闭环直流调速系统和调节器工程设计方法

转速电流双闭环直流调速系统和调节器工程设计方法

调节器结构的选择
选择调节器,将控制对象校正成为典型系统。
输入
调节器
输出
控制对象
系统校正
输入
典型系统
输出
典型I型系统
R(s)
K
C(s)
s(Ts 1)
T — 系统的惯性时间常数; K — 系统的开环增益。
选择参数,保证 稳定。
c
1 T

cT 1,使系统足够
典型Ⅱ型系统
R(s)
K (s 1) C(s)
K 值成反比; 在加速度输入下稳态误差为 。
因此,I型系统不能用于具有加速度输入 的随动系统。
(2)动态跟随性能指标
参数关系KT
阻尼比 超调量
上升时间 tr 峰值时间 tp
相角稳定裕度 截止频率c
0.25 0.39
0.5
0.69
1.0
0.8 0.707
0.6
0 % 1.5% 4.3 % 9.5 %
反馈系数计算
转速反馈系数
U
* nm
nm ax
电流反馈系数
U
* im
I dm
二、数学模型和动态性能分析
-IdL
U*n
+-
Un
U*i
WASR(s)
-
Ui
WACR(s) Uc
Ks Tss+1
-
Ud0
1/R Tl s+1
Id
+
R
n
Tms
1/Ce E
起动过程分析 n
n* I
II
III
按转速调节器ASR
不饱和、饱和、退
定义中频宽: h 2
T 1

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

一、 绪论 科学技术的发展日新月异,科技产品涵盖着我们生活的方方面面。

电动机作为一种便利的带动工具,是我们生活和工业生产中重要的不可缺少的一部分,人类的生产生活已经离不开它。

对于我们来说,如何高效精确地控制电机的运转,并且最低的成本去实现,才是我们最值得深入研究的课题。

直流电动机具有良好的起、制动性能,方便控制,易于实现,宜于在大范围内平滑调速,并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟,是研究其它调速系统的基础。

在直流电动机中,带电流截止负反馈直流调速系统应用也较为广泛,其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中,虽然,在调速的高效性方面存在着局限性,但综合各方面来看,它任然有它独特的运用前景。

1.1设计的目的和意义(1)应用所学的直流调速系统的基本知识与工程设计方法,结合生产实际,确定系统的性能指标与实现方案,进行运动系统的初步设计。

(2)学会应用MATLAB 软件,建立数学模型对控制系统进行仿真研究,掌握系统参数对系统性能的影响;(3)在理论设计与仿真研究的基础上,应用Protel 进行控制系统的设计,为毕业设计打下基础。

1.2设计要求本课程设计的对象是: 直流电机:2.2kW ,220V ,12.5A ,1500 转/分。

电枢电阻1.2Ω ,整流装置内阻1.5Ω,触发整流环节的放大倍数为35,堵转电流 N dbl I I 2≤,临界截止电流N dcr I I 2.1≥。

要求设计一个带直流截止负反馈的转速 单闭环调速系统。

其主要内容为:(1)测定综合实验中所用控制对象的参数(由实验完成);(2)根据给定指标设计带电流截止负反馈的转速调节器,并选择调节器参数和具体实现电路。

(3)按设计结果组成系统,以满足给定指标。

(4)研究参数变化对系统性能的影响。

(5)在时间允许的情况下进行调试。

1.3设计对象及有关数据(1)完成理论分析:a.调速范围D=20,静差率S≤10%;b.转速超调σn≤10%(在额定转速时);c.动态速降小于10%。

电流截止负反馈自动调速控制电路设计

电流截止负反馈自动调速控制电路设计
图 2中从 R 引 出反馈 电压 (=a U )而 与给定 电压 是反 向 的 , v。 , 因而 构成 了电压 负反馈 环节.
在发电机、 电动机换向绕组两端并联电阻 , 用以检测主回路 电流 从 取部分电压作为电流正反馈信 , 号 加到 扩大 机控制 绕组 c I , , 叫 与 Ⅳ , 动 势方 向相 同 , I上 因 叫Ⅳ c磁 故控 制绕组 c I 电流正 反馈 附加 电阻 I和
路中设置 了单独的截流绕组 , 目的是电流负反馈的限流作用只在起动和堵转时存在 , 其 在正常运行时 自动 去掉 , 这样就能使电流 自由地随着负载增减 J这种当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈我们 . 称它为电流截止负反馈 , 电路如图 2 所示.
1 电流截止 负反馈调速 系统 电路及工作原理
基金项 目: 渭南师范学院科研计划项 目(9 K 0 5 0 Y F0 )
作者 简介 : 金轶锋( 9 4 ) 男 , 15 一 , 陕西潼关人 , 渭南 师范学 院物理 与电气工 程学 院教授. 研究 方 向: 电气 工程及 电路 系
统.
直 流 电动机 调速控 制 系统有很 多 种 , 转速 负反馈 、 如 电压 负反 馈、 电流正 反馈 和 电动势负 反馈 系统 , 这些控 制 系统其 共 同点 是静 特性都 比开环 系统 为硬 , 图 1中 曲线 1 当 电动机 负载 突然 变得 如 .
( 渭南师范学院 物理与电气工程学院 , 陕西 渭南 7 40 ) 10 0

要: 在电压负反馈和电流正反调速控 制系统中增设 了 自动限制 电枢 电流 的电路 , 并能 实现在正常运行 时限制 电枢
电流 电路与负反馈调速控制系统 自动分离 , 当电流增大 到一定程度时又能 自动投入. 既克服 了由于 电流负反馈使 系统 的静

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的设计和仿真

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的设计和仿真

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的设计和仿真1.设计原理带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统由速度反馈环和电流反馈环组成。

其基本原理是,通过测量电机驱动器的输出转速,并与给定的转速进行比较,从而产生误差信号。

误差信号经过比例、积分和微分三个环节进行处理后,作为电机驱动器的控制量,用于调节电机的输入电压。

具体的设计步骤如下:(1)确定电机的调速要求和性能指标,包括稳态误差、调速范围、动态响应时间等。

(2)根据电机的参数和特性曲线,确定理想的速度控制系统传递函数。

(3)选择合适的调节器类型和参数,并确定反馈信号的获取方式。

(4)设计速度环和电流环的控制回路,包括比例、积分和微分环节的参数设置。

(5)进行系统稳态和动态性能的仿真和分析。

2.仿真过程在进行仿真前,需要先确定电机的参数和特性曲线,并建立相应的数学模型。

然后,在Simulink等软件中搭建整个调速系统的模型。

具体步骤如下:(1)根据电机的特性曲线确定电机的传递函数模型,例如:Gs=1/(Js+B)其中,Gs为电机的机械转速传递函数,J为转动惯量,B为阻尼系数。

(2)设计速度环的控制回路,包括比例环节、积分环节和微分环节。

通常采用PID控制器,其传递函数为:Gc=Kp+Ki/s+Kd*s其中,Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分环节的增益。

(3)设计电流环的控制回路,采用电流截止负反馈的方式。

电流环的控制器传递函数为:Gc=Kc*(1+s*Rf)其中,Kc为增益,Rf为电流截止反馈的滤波器。

(4)将速度环和电流环相连接,构成整个闭环控制系统。

(5)进行系统的仿真,观察系统的稳态和动态响应,并根据需要进行参数调整和优化。

3.仿真结果和分析根据以上步骤进行仿真后,可以得到系统的稳态和动态响应曲线。

通过观察和分析这些曲线,可以评估系统的性能和效果。

首先,可以通过误差曲线来评估系统的稳态性能,即在给定转速下是否存在稳态误差。

如果误差较大,需要调整PID控制器的参数来改善系统的稳定性。

转速﹑电流双闭环直流调速系统

转速﹑电流双闭环直流调速系统
图2-4双闭环直流调速系统的稳态结构框图
—转速反馈系数;—电流反馈系数
实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
1.转速调节器不饱和
这时,两个调节器都不饱和,稳态时,它们的输入偏差电压都是零,因此
由第一个关系式可得
(2-1)
从而得到图2-5所示静特性的CA段。与此同时,由于ASR不饱和, ,从上述第二个关系式可知 。这就是说,CA段特性从理想空载状态的 一直延续到 ,而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段,它是一条水平的特性。
由图2—1可见,对一个调速系统来说,如果能满足最低转速运行的静差率s,那么,其它转速的静差率也必然都能满足。
图2—1
事实上,调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的,必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围,是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围;反过来,脱离了调速范围,要满足给定的静差率也就容易得多了。
1)上升时间
在典型的阶跃响应跟随过程中,输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间称为上升时间,它表示动态响应的快速性,见图2—2。
图2—2
2)超调量
在典型的阶跃响应跟随系统中,输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比,用百分数表示,叫做超调量:
(2—4)
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小,则相对稳定性越好,即动态响应比较平稳。
对于不同的负载电阻L R,测速发电机输出特性的斜率也不同,它将随负载电阻的增大而增大,如图3-4中实线所示。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 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 时,对应于转速调节器的饱和输出 ,这时,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。静特性的两段实际上都略有很小的静差,见图2-5中的虚线。总之,双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统,在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统,发挥了转速和电流两个调节器的作用,获得了良好的静、动态品质。

实验四 转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真

实验四  转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真

实验四转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真一、实验目的熟练使用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真。

学会用MATLAB下的SIMULINK软件建立转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。

二、实验器材PC机一台,MATLAB软件三、实验参数采用转速、电流反馈控制的直流调速系统,按照要求分别进行仿真实验,输出直流电动机的电枢电流I d和转速n的响应数据,绘制出它们的响应曲线,并对实验数据进行分析,给出相应的结论。

转速、电流反馈控制的直流调速系统中各环节的参数如下:直流电动机:额定电压U N = 220 V,额定电流I dN =136 A,额定转速n N = 1460r/min,电动机电势系数C e= 0.132 V·min/r,允许过载倍数λ=1.5。

晶闸管整流装置的放大系数K s = 40。

电枢回路总电阻R =0.5Ω,电枢回路电磁时间常数T l = 0.03s,电力拖动系统机电时间常数T m = 0.18 s,整流装置滞后时间常数T s=0.0017s,电流滤波时间常数T oi=0.002s。

电流反馈系数β=0.05V/A(≈10V/1.5I N)。

四、实验内容1、电流环的仿真。

参考教材P90中相关内容建立采用比例积分控制的带限幅的电流环仿真模型,设置好各环节的参数。

图1电流环的仿真模型2、按照表1中的数据分别改变电流环中比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数K i ,观察电流环输出电枢电流I d 的响应曲线,记录电枢电流I d 的超调量、响应时间、稳态值等参数,是否存在静差?分析原因。

表1 比例积分系数t/sI d /A不同比例系数Kp 和积分系数Ki 时的电枢电流曲线表1不同比例系数K p 和积分系数K i 的电枢电流数据对比分析:由表1可知,不同的比例系数K p 和积分系数K i 会影响系统的电枢电流且系统存在静差,原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动,电动机反电动势是一个线性渐增的扰动量,所以系统做不到无静差。

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课程设计(论文)任务书指导教师签字:系(教研室)主任签字:1总体方案设计带电流截止负反馈的转速负反馈的设计方案本文主要分别从介绍电流截止负反馈和转速负反馈的调节器的设计出发,将各自的特点结合再通过数字式绘图进行原理结构的设计,其总的数字式实现结构有以下部分:1、变压器部分此部分是将电网电压引入,再将其设计为三种方式的输出,分别是为电流互感器部分提供电压的变压器1,为稳压模块提供电压的变压器3,和为控制信号产生部分提供电压的变压器2.2、主电路部分此部分理所当然是整个设计的核心部分,其当中有控制对象——电机,还有我们主要需要设计出的控制晶闸管的开断信号,当然其中的转速反馈电压也是从此部分输出。

3、电流互感器部分此部分为电流截止负反馈部分提供反馈电流信号的核心部分,反馈电流信号将从这里引出通过晶闸管从而进入主控电路。

4、ASR和电流截止部分真个调速系统的主控部分,这个调速系统的调速性质就由这个部分决定,其中包括了电流截止负反馈电路和转速负反馈电路。

5、稳压模块为控制信号模块和一些其他需要供电的集成模块器件供电。

6控制信号产生部分此部分主要是产生控制前面主电路部分的晶闸管开通与关断的,以有效地控制电机的转动。

7、控制信号的放大驱动部分辅助控制信号产生部分,使其产生更精确,更稳定的控制信号,以使电机更好的运行。

2带电流截止负反馈的转速负反馈的分析与设计2.1电流截止负反馈的分析与设计问题的提出:(1)起动的冲击电流---直流电动机全电压起动时,如果没有限流措施,会产生很大的冲击电流,这不仅对电机换向不利,对过载能力低的电力电子器件来说,更是不能允许的。

(2)闭环调速系统突加给定起动的冲击电流---采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时,由于惯性,转速不可能立即建立起来,反馈电压仍为零,相当于偏差电压,差不多是其稳态工作值的1+K 倍。

这时,由于放大器和变换器的惯性都很小,电枢电压一下子就达到它的最高值,对电动机来说,相当于全压起动,当然是不允许的。

(3)堵转电流---有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。

例如,由于故障,机械轴被卡住,或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。

由于闭环系统的静特性很硬,若无限流环节,硬干下去,电流将远远超过允许值。

如果只依靠过流继电器或熔断器保护,一过载就跳闸,也会给正常工作带来不便。

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题,系统中必须有自动限制电枢电流的环节。

根据反馈控制原理,要维持哪一个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。

那么,引入电流负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。

通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。

考虑到,限流作用只需在起动和堵转时起作用,正常运行时应让电流自由地随着负载增减,采用电流截止负反馈的方法,则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流,而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

电流截止负反馈环节如下图:.(a)利用独立直流电源作比较电压(b)利用稳压管产生比较电压(c )封锁运算放大器的电流截止负反馈环节 图1 电流截止负反馈的环节图(a )中用独立的直流电源作为比较电压,其大小可用电位器调节,相当于调节截止电流。

图(b )中利用稳压管VS 的击穿电压U br 作比较电压,线路要简单得多,但不能平滑的调节电流值。

图(c )是反馈环节与运放的连接电路。

系统稳态结构:图2 电流截止负反馈环节的I/O 特性 图3 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图由图2 可写出该系统两段静特性的方程式:当d dcr I I >时,引入电流负反馈,静特性变为: (1) 图4 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性静特性的几个特点:(1)电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ,因而稳态速降极大,)1()()1()(e ds s p e com *n s p K C I R K K R K C U U K K n ++-++=)1()1(e d e *ns p K C RI K C U K K n +-+=特性急剧下垂。

(2)比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致, 好象把理想空载转速提高到(3)两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。

当挖土机遇到坚硬的石块而过载时,电 动机停下,电流也不过是堵转电流,在式(1)中,令 n = 0,得 一般p s s K K R R >>,因此 (4)最大截止电流dbl I 应小于电机允许的最大电流,一般取 : I dbl =(1.5~2.0) I N从调速系统的稳态性能上看,希望稳态运行围足够大,截止电流应大于电机的额定电流, 一般取: I dcr ≥(1.1~1.2)I N (5)调速系统的起动过程图(a )带电流截止负反馈单闭环调速系统 图(b)理想的快速启动过程 图5 调速系统的起动过程转速负反馈环节的设计1确定时间常数:)1()('e com *n s p 0K C U U K K n ++=ss p com *n s p dbl )(R K K R U U K K I ++=scom *n dblR U U I +≈有0.69,I i K T ∑⋅=则10.0054Is K =,已知转速环滤波时间常数on T =0.01s ,故转速环小时间常数10.00540.010.0154n on IT T s K ∑=+=+=。

2选择转速调节器结构:按设计要求,选用PI 调节器()()ss K s W n n n ASR ⋅+=ττ13计算转速调节器参数:按跟随和抗干扰性能较好原则,取h=5,则ASR 的超前时间常数为:50.01540.077n n hT s τ∑==⨯=,转速环开环增益 1222215505.9872250.0154N n h K s h T -∑+===⨯⨯。

ASR 的比例系数为:()131.82e mn nh C T K h RT βα∑+⋅==。

4检验近似条件 转速环截止频率为1505.9870.07738.96Ncn N n K W K W τ==⋅=⨯=。

174.57cn s W -==>,满足条件。

145.36cn s W -==>,满足近似条件。

5计算调节器电阻和电容:取0R =40Ωk ,则01272n n R K R k =⋅=Ω,取1.2M Ω。

0.064nn nC F R τμ==,取64nFF k Con μ14001.04=AΩ⨯=,取1F μ。

故()()()131.80.07710.077n n ASR n K s s W s s sττ+⨯+==⋅。

其结构图如下:图6 转速调节器6校核转速超调量:计算n σ,设理想空载z=0,h=5时,查得max b C C ∆=81.2%,所以n σ=2(maxbC C ∆)(z -λ)m n N T T n n ∑*⋅∆=1360.20.01540.127281.2% 1.5 3.06%10%14600.18⨯⨯⨯⨯⨯=<,满足设计要求. 2.3电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源,众所周知,电源是一切电路的心脏,其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。

为使系统很好的工作,本文特设计一款15V 的直流稳压电源供电,其电路图如图2.3所示。

直流稳压电源主要由两部分组成:整流电路和滤波电路。

整流电路的任务是将交流电变换成直流电。

完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用,因此二极管是组成整流电路的关键元件。

在小功率(1KW )整流电路中,常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。

本设计采用桥式整流电路,其主要特点如下:输出电压高,纹波电压小,管子所承受的最大反向电压较低,电源变压器充分利用,效率高。

图7 15V 电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成,如在负载电阻两侧并联电容器;或在整流电路输出端与负载间串联电感L ,以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路2.4 控制电路设计本控制系统采用含电流截止负反馈的转速负反馈结构,其原理图如图2.4所示。

+-U U ++-MTG+-RP 2nRP 1*n R 0R 0R balcVTVSU iTALI d R 1C 1U nU d-+TG图8 含电流截止负反馈的转速负反馈原理图图中的电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式整流电路供电,通过与电动机同轴刚性连接的测速发电机TG 检测电动机的转速,并经转速反馈环节分压后取出合适的转速反馈信号n U ,此电压与转速给定信号*n U 经速度调节器ASR 综合调节,ASR 的输出作为移相触发器的控制电压c U ,由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。

在本系统中ASR 采用比例积分调节器,属于无静差调速系统。

为了防止在起动和运行过程中出现过大的电流冲击,系统引入了电流截止负反馈。

由电流变换器取出与电流成正比的电压信号i U ,当电枢回路电流超过一定值时,将稳压管VS 击穿,送出电流反馈信号i U 进入ASR 输入端进行综合,以限止电流不超过其允许的最大值。

改变*n U 即可调节电动机的转速。

图8无静差直流调速系统稳态结构图(d dcr I I <)图9无静差直流调速系统稳态结构图(d dcr I I >)2.5 触发电路的设计电路组成: 由三路相同的部分:同步过零和极性检测、锯齿波形成、锯齿波比较,经过抗干扰锁定、脉冲形成等电路形成三相触发调制脉冲或方波,由脉冲分配电路实现全控、半控的工作方式,再由驱动电路完成输出驱动。

电路原理: 三相同步电压经过T 型网络进入电路,同步电压的零点设计为1/2电源电压(电路输入端同步电压峰峰值不宜大于电源电压),通过过零检测和极性判别电路检测出零点和极性后,在Ca 、Cb 、Cc 三个电容上积分形成锯齿波。

由于采用集中式恒流源,相对误差极小,锯齿波有良好的线性。

电容的选取应相对误差小,产生锯齿波幅度大且不平顶为宜。

锯齿波在比较器中与移相电压比较取得交相点,移相电压由4脚通过电位器或外电路调节而取得。

抗干扰电路具有锁定功能,在交相点以后锯齿波或移相电压的波动将不能影响输出,保证交相唯一并且稳定。

脉冲形成电路是由脉冲发生器给出调制脉冲(TC787),调制脉冲宽度可通过改变Cx电容的值来确定,需要宽则增大Cx,窄则减小Cx, 1000P电容约产生100μS的脉冲宽度。

被调制脉冲的频率-8/调制脉冲宽度。

脉冲分配及驱动电路是由6脚控制脉冲分配的输出方式,6脚接低电平VL,输出为半控方式,12、11、10、9、8、7分别输出A、-C、B、-A、C、-B的单触发脉冲,6脚接高电平VH,输出为全控方式,分别输出A、-C;-C、B;B、-A;-A、C;C、-B;-B、A的双触发脉冲,用户可以选择。

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