直流电机调速控制系统设计

成绩

电气控制与PLC

课程设计说明书

直流电机调速控制系统设计

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Translate DC motor speed Control system design

学生王杰

学号

学院班级信电工程学院13自动化

专业名称电气工程及其自动化

指导教师肖理庆

2016年6月14日

目录

1 ××1

1.1 ××××××1

1.1.1 ××××错误!未定义书签。

1.1.2 ××××1

……

1.2 ××××××1

1.2.1 ××××8

……

2 ×××××8

2.1 ××××××10

2.1.1 ××××10

……

3 ×××××12

3.1 ××××××12

3.1.1 ××××12

……

参考文献13

附录14

附录114

附录214

1 直流电机调速控制系统模型

1.1 直流调速系统的主导调速方法

根据直流电动机的基础知识可知，直流电动机的电枢电压的平衡方程为：

R I E U a +=式(1.1)

公式中：U 为电枢电压；E 为电枢电动势；R I a 为电枢电流与电阻乘积。 由于电枢反电势为电路感应电动势，故：

n C E φe =式(1.2)

式中：e C 为电动势常数；φ为磁通势；n 为转速。 由此得到转速特性方程如下：

φe a C R I U /)(n -=式(1.3)

由式（1.3）可以看出,调节直流电动机的转速有以下三种方法：

1.改变电枢回路的电阻R ——电枢回路串电阻调速。属于有级调速，且不易构成自动调速系统，当电机低速运行时，电枢外串电阻上的功耗大，系统效率低，故一般不予采用。

2.减弱励磁磁通φ——弱磁调速。可以构成无极调速，但只能在电动机额定转速以上做小围的升速，不能作为主导调速方法。

3.调节电枢电压Ｕ——降压调速。可以构成无极调速，且调速围大、控制性能好。而且，现代电力电子技术的发展，使得直流电源输出电压能够非常容易地实现连续可调。

因此，降压调速是直流电机调速系统的主导调速方法。

1.2 直流电机调速控制的传递函数

在直流电机调速系统常是以他励式直流电动机为控制对象,其等效控制 电路如图1-1所示。

图1-1他励直流电机等效控制电路

1.2.1 电流与电压的传递函数

由上述电路图，得出其相应的动态方程：

n

C dt dI

L R I U e a a a φ++=a 式(1.4)

式中：L 为电枢回路电感；n C e φ为E ，感应电动势。 公式变换后得：

)

(1dt dI

T I R n C U a a a e a +=-φ式(1.5)

式中：R L T /1=,为电机电枢回路的电磁时间常数。 对两边同时拉氏变换后，整理可得电流与电压的传递函数：

1

/1)()()(1a +=-s T R

s E s U s I a 式(1.6)

1.2.2 电动势与电流的传递函数

由已学可知，单轴系统的运用方程为:

dt

d J

T T L Ω

=-2式(1.7) 由于输出转矩2T 与电磁转矩e T 和空载转矩0T 之间的关系为：

0e 2T T T -=式(1.8)

若忽略空载转矩，则式(1.8)可简化为：

dt d J

T T L Ω

=-e 式(1.9)

其中，有：

n 60

2π

=

Ω式(1.10)

g 4/2GD J =式(1.11) 且14.3=π,9.81g =,故可得：

dt

dn

GD T T L 3752e =-式(1.12)

式中：2

GD 是电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量。

因为本系统选用的是永磁直流电机，所以电动机的转矩是电枢电流的比例函数，其方程式为：

a I C T Φ=T e 式(1.13)

L L I C T Φ=T 式(1.14)

式中:T C 为电动机转矩常数，且π/2PN C T =；P 为电机极对数；N 为电枢绕组总导体数。

因为电枢反电势即为感应电动势，故:

n 604Φ=

PN

E 式(1.15)

由式（1.12），式（1.13），式（1.14），式（1.15）可得：

dt dE

C G

D C I I e T L 3752a =

-）（式(1.16) 对两边同时拉氏变换后，整理可得电动势与电流的传递函数： s T R

s I s I E m L a =

-)()()s (式(1.17)

式中：m T 为电动机的机电时间常数。

根据式（1.6）和式（1.16），对其两式在零初始条件下取拉普拉斯变换可得到如图1-2所示他励直流电动机的方框图。

图1-2他励直流电机的动态方框图

由此可得，当外界负载转矩L T 为零时，他励直流电机的传递函数为：

1

/1)s (21++=

s T s T T C G m m e φ

式(1.18)

1.3 直流调速系统的控制方法选择

常见的直流电机的调速控制系统有模拟系统和数字控制系统之分，其中模拟系统又有不同精度条件下的开环与闭环控制系统。

模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，但其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。而采用以微处理器为核心的数字控制系统，其硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温漂的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，更改起来灵活方