单闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真(一)资料

课题：一、单闭环直流调速系统的设计与

Matlab仿真（一）

作者：

学号：

专业：

班级：

指导教师：

摘要

在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。

通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型，然后用此理论去设计一个实际的调速系统。

本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。

另外，设计过程中还要以Matlab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。

摘要：Matlab 开环闭环负反馈静差稳定性 V-M系统

目录

摘要 (2)

一、设计任务 (4)

1、已知条件 (4)

2、设计要求 (4)

二、方案设计 (5)

1、系统原理 (5)

2、控制结构图 (6)

三、参数计算 (7)

四、PI调节器的设计 (9)

五、系统稳定性分析 (11)

六、小结 (12)

七、参考文献 (13)

1、已知条件

已知一晶闸管-直流电机单闭环调速系统（V-M系统）的结果如图所示。图中直流电机的参数：Pnom=2.2KW，nnom=1500r/min，Inom=12.5A，Unom=220V，电枢电阻Ra=1欧，V-M系统主回路总电阻R=2.9欧，V-M系统电枢回路总电感L=40mH，拖动系统运动部分飞轮力矩GD2=1.5N.m2，测速发动机为永磁式，ZYS231/110xi型，整流触发装置的放大系数Ks=44，三相桥平均失控时间Ts=0.00167s。

2、设计要求：

（1）生产机械要求调速范围D=15

（2）静差率s≤5%，

（3）若U*n=10V时，n=nnom=1500r/min，校正后相角稳定裕度γ=45o，剪切频率ωc≥35.0rad/s，超调量σ≤30%，调节时间ts≤0.1s

1、控制原理

根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。所以，设计如下的原理图：

图1、单闭环直流调速系统原理图

转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。

这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。

所以，更具体的原理图如下：

图2、单闭环直流调速系统具体原理图

2、控制结构图

有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图。

图3、单闭环直流调速系统稳态结构框图

同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。

由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。

所以，可以得到如下的框图：

图4、单闭环直流调速系统动态结构框图

三、参数计算：

根据已知参数计算如下：

1、为了满足D=15，s ≤5%，额定负载时调速系统的稳态速降为： min /26.5min /)05.01(1505.01500)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆

2、根据错误!未找到引用源。cl n ∆，求出系统的开环放大系数

先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/1383.0min

/1500)15.12220(⋅=⨯-=-= 则开环系统额定速降为

min /11.262min /1383

.09.25.12r r R

I n c e N op =⨯=

=∆ 闭环系统的开环放大系数应为

83.48183.49126

.511.2621=-=-≥-∆∆=cl op

n n K 3、计算测速反馈系数：

Un=k-△Un

Un*-Un=△Un

带入已知条件K=83.48，Un*=10V 得Un=9.8V

所以反馈系数a=

nnom Un =1500

8.9=0.0065 4.计算运算放大器的放大系数和参数 6.2344

0065.01383.083.48=⨯⨯≥=s e p K KC K α 实取错误!未找到引用源。6.23=p K

按运算放大器参数，取错误!未找到引用源。Ω=K R 400

则 错误!未找到引用源。Ω=Ω⨯==K K R K R p 945406.2301

5.反馈电压

V V n U N n 75.90065.01500=⨯=⨯=α

6．系统中各环节的时间常数：

电磁时间常数 s R L T l 0138.09.204.0=ΩΩ==

电机时间常数

s s C C R GD T m e m 0635.01383.0301383.03759.25.13752=⨯⨯⨯⨯==π

对于三相桥式整流路，晶闸管装置的滞后时间常数为 s T s 00167.0=

为保证系统稳定，开环放大系数的稳定条件