转速负反馈直流调速系统设计

转速负反馈直流调速系统设计1 设计条件及要求1.1初始条件：直流电动机:355N P W =, 220N U V = , 2.1d I A = , 1500/min N n r = , 5a R =Ω电枢回路总电阻:17R =Ω 飞轮惯量：220.92GD N m =⋅ 单相桥式整流：40s K = 其他参数：*10nm U V =要求达到的性能指标:10D =, 5%S ≤单相220V 供电，采用电势反馈的晶闸管直流调速系统1.2要求完成的主要任务:1． 系统原理图设计； 2． 调节器设计与调节；3． 电路，控制电路，保护电路设计； 4． 统稳态图，动态图绘制； 5． 电路选择计算，校验；2 原理阐述2.1转速闭环控制系统反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都唯命是从。

根据本设计要求，设计的系统为转速负反馈单闭环直流调速系统，其中转速为负反馈量。

转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。

一、只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。

二、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。

三、系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。

其原理图如下：图2-1 转速负反馈单闭环直流调速系统原理图在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n U ，与给定电压*n U 相比较后，得到转速偏转电压n U ，经过放大器A ，产生电力电子变换器UPE 所需的控制电压C U ，用以控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。

3参数计算3.1转速环参数的计算为了满足调速系统的稳态性能指标，静差率5%S ≤，调速范围10D =,可以求得额定负载时的稳态速降应为：1500*0.057.89/min 1s 10*(10.05)N cl n s n r D ∆=≤=--（）根据设计题目所给的参数，可以算出电动势系数：220 2.1*50.13971500N N a e N U I R C n --===min r V 开环系统额定速降为：2.1*15255.55/min 0.1397N op e I R n r C ∆=== 闭环调速系统的开环放大系数为：255.551131.397.89op cln K n ∆=-≥-=∆ 转速反馈系数：r V n U nm min/00667.01500100*⋅===α再计算运算放大器的放大系数：根据调速指标和要求，前面已经求出闭环调速系统的开环放大系数应为39.31≥K ，则运算放大器的放大系数p K 应该是44.161397.0/40*00667.039.31Ce s =≥=K K K p α实取 17=p K 。

3.2平波电抗器参数计算平波电抗器的参数就是对应的电感的大小。

对于直流电动机负载的可控整流电路，为了使晶闸管整流供电的直流电动机即使在最轻负载下(dmin d I I =)，也能工作在电流连续段机械特性的直线上，对于单相桥式全控整流电路，要求电枢回路的临界电感量为：其中，min d I 为最小负载时对应的最小电流，一般取电动机额定电流的10％，所以可以计算出：3.3稳定性判断已知300L mH =，故系统中各环节的时间常数： 电磁时间常数：0.30.0310l L T s s R === 机电时间常数：2e m 0.92100.132303753750.13970.1397m GD R T s C C π⨯===⨯⨯⨯对于单相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为50.005s T ms s ==根据系统闭环传函特征方程mHI U L N300%1087.22==0111)(1sm 2s m 3s m =++++++++s KT T s K T T T s K T T T l l 111)(1)1()1)(1(/1)1)(1(/)(sm 2s m 3s m e sp m 2m s e s p m 2m s e s p c +++++++++=+++++++=s KT T s K T T T s K T T T K C K K s T s T T s T C K K s T s T T s T C K K s W l l l l l αdmin287.2I U L =应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是代入整理得： 所以：式子的右边称作系统的临界放大系数，单开环放大系数大于临界放大系数时，系统将不稳定。

带入各时间常数可得，稳定条件是()20.1320.030.0050.00530.970.030.005K ⨯++<=⨯按稳态调速性能指标要求31.39K ≥，即按照稳态调速指标设计的闭环系统是此闭环系统是不稳定的，需引入校正环节来使系统能在稳态性能要求下稳定运行。

000030213210>->>>>a a a a a a a a ，，，，ss m s )1())((T T K T T T T l l +>++s2s s m )(T T T T T T K l l ++<4 调节器的设计4.1调节器的设计在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。

动态校正方法有很多种，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。

在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正，其中串联校正比较简单，也容易实现。

对于带电力电子变换器的直流闭环系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就可以完成动态校正的任务。

在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图，即开环对数频率特性的渐近线，利用它可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。

保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。

在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平衡性。

稳定裕度大，意味着动态过程震荡弱，超调小。

在定性地分析闭环系统性能时，通常从伯德图的高，中，低三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：（1）中频段以dec-的斜率穿越dB20dB0线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。

（2）截止频率ωc越高，则系统的快速线越好。

（3）低频段的斜率陡，增益高，说明系统的稳态精度高。

（4）高频段衰减越快，则高频特性负分贝值越低，这就说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。

这四个方面是互相矛盾的，应根据实际需要，灵活的选取所需要的条件。

对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能使牺牲快速性；提高截止频率可以姜块系统的响应，又容易引入高频干扰。

设计时往往须用多种手段，反复凑试。

具体设计时，首先进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环调速系统。

如果闭环调速系统不稳定或者动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足所要求的性能指标。

4.2调节器的选择为了满足系统要求的静特性良好的要求，需要选择合适的调节器。

采用比例放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。

但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。

采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。

而比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。

比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。

图4-1 比例积分（PI ）调节器线路图上图中的PI 调节器原理图上可以看出，突加输入信号时，由于电容1C 两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻1R ，等效于一个放大系数为pi K 的比例调节器，在输出端立即呈现电压in pi U K ，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。

此后，随着电容1C 被充电，输出电压ex U 开始积分，其数值不断增长，直到稳态。

稳态时，1C 两端电压等于ex U ，1R 已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。

由此可见，比例积分控制综合了比例和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。

比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。

4.3 调节器的计算已知系统为不稳定的。

设计PI 调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。

原始系统的开环传递函数为)1)(1()(2+++=s T s T T T Ks W m l m s又L m m l s T T s T s T s T 4,132.0,03.0,005.0 在这里，===，因此分母中的二次项)1(2++s T s T T m l m 可以分解为两个一次项之积。

即2210.003960.1321(0.0861)(0.0461)m l m T T s T s s s s s ++=++=++ 又闭环系统的开环放大系数取为39.31=K于是，原始闭环系统的开环传递函数为)1005.0)(1041.0)(1086.0(39.31)(+++=s s s s W三个转折频率为 11163.11049.011-===s sT ω 1224.24026.011-===s sT ω133********.011-===s sT ω将未校正前系统放入MATLAB 中，利用MATLAB 进行辅助分析可以看到其Bode 图如下所示：图4-2 原系统Bode 图可以发现这是典型I 型系统, 且不稳定,其相位裕度和增益裕度都是负值。

此类型控制对象的标准式为：)1)(1)(1(3212+++s T s T s T K，且1T 2T 3T把控制对象与典型I 型系统的标准式进行比较，此时086.01=T ，041.02=T ，005.03=T ，满足条件，故可设计调节器为12(1)(1)()pid s s W s sτττ++=，参数配合令086.011==T τ，041.012==T τ。

校正后系统的开环传递函数变成)1()()()(32+==s T s K s W s W s W obj pi5.0=KT ，005.03=T ，可得100005.0/5.0==K又原始系统的开环放大倍数为39.31=K ，可得3139.0100/39.31==τ，故可以计算出调节器的传递函数为：ss s s W pi 3139.0)1041.0)(1086.0()(++=5系统控制结构图的绘制5.1 系统稳态图根据原理图，可以得到如下的系统稳态图。