電氣工程課程設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　東 北 石 油 大 學(xué)</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　2012年 7月 18</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)要求1</b></p><p>　　2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、1</p><p>　　2.1系統(tǒng)的組成1</p><p>　　2.2系統(tǒng)的原理圖2</p><p>　　3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性3</p><p>　　3.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3</p><p>　　3.2系統(tǒng)靜特性3</p><p>　　3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4&l

3、t;/p><p>　　4電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4</p><p>　　4.1確定時(shí)間常數(shù)4</p><p>　　4.2選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)4</p><p>　　4.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)5</p><p>　　4.4計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容5</p><p>　　4.5計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)6&l

4、t;/p><p>　　4.6校驗(yàn)近似條件6</p><p>　　5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)7</p><p><b>　　5.1確定時(shí)間7</b></p><p>　　5.2計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)7</p><p>　　5.3檢驗(yàn)近似條件8</p><p>　　5.4計(jì)算調(diào)節(jié)器電

5、阻和電容8</p><p>　　5.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量9</p><p>　　6調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)9</p><p><b>　　結(jié)論10</b></p><p><b>　　參考資料11</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)要求</b&g

6、t;</p><p>　　2.1根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、繪制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 </p><p>　　2.2按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、利用伯德圖完成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正、計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定余量γ及GM、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、繪制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　2.3設(shè)計(jì)采用模擬調(diào)節(jié)器及

7、MOSFET功率器件實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，繪制控制電路及主電路電路圖。</p><p>　　2.4測(cè)試雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形、PWM電壓波形、電機(jī)電流波形、轉(zhuǎn)速反饋波形和直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及控制電路各單元的相關(guān)波形。</p><p>　　2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)的組成</b></p>

8、;<p>　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。但對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高的系統(tǒng)，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電

9、流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。所以，我們希望達(dá)到的控制是：起動(dòng)過(guò)程只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖2.1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)機(jī)器的輸入，再把電流調(diào)節(jié)器的輸出去控

10、制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速換在外，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1如下：</p><p>　　圖2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)的原理圖</b></p><p>　　為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)

11、調(diào)節(jié)器一般都采用PI 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2.2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2.2

12、如下：</p><p>　　圖2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　3系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性</p><p>　　3.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.1所示。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來(lái)，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜

13、特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：</p><p>　　飽和——輸出達(dá)到限幅值：當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。</p><p>　　不飽和——輸出未達(dá)到限幅值：當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，正如所闡明的那樣，PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)

14、態(tài)時(shí)總是零。 </p><p><b>　　3.2系統(tǒng)靜特性</b></p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。</p><p>　　這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)

15、節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如圖3.1中虛線所示。 </p><p>　　圖3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　3.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><

16、;p>　　繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2雙閉環(huán)調(diào)速體統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　4電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。驅(qū)動(dòng)頻率 f≥1

17、0kHz 時(shí)，PWM裝置的延長(zhǎng)時(shí)間。</p><p>　?。?）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。 應(yīng)有（1-2），因此取。</p><p>　　（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑i。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。</p><p>　?。?）電磁時(shí)間常數(shù)：。</p><p>　　4.2選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要

18、求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　式中 Ki------電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　τi-----電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ,參照表1的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此

19、基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。</p><p>　　電流開(kāi)環(huán)增益:要求時(shí),按表2可取 ，</p><p><b>　　因此， </b></p><p>　　PWM裝置的放大系數(shù)：

20、 </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p>　　4.4計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　由圖6，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為</p><p>　　取90 </p><p>　　，取0.024

21、 </p><p>　　取0.006 </p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。如圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　4.5計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)

22、：。</p><p>　　電流開(kāi)環(huán)增益:要求時(shí),按表2可取 ，</p><p><b>　　因此， </b></p><p>　　PWM裝置的放大系數(shù)： </p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p><b

23、>　　4.6校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　(1)PWM裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　(2)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：</p>

24、;<p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件。</p><p><b>　　5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　5.1確定時(shí)間</b>&

25、lt;/p><p>　　電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI。由前述已知，，則:</p><p>　　轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 .</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 </p><p>　　5.2計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性

26、能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 </p><p><b>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益</b></p><p>　　可得ASR的比例系數(shù)為</p><p><b>　　式中電動(dòng)勢(shì)常數(shù) </b></p

27、><p><b>　　5.3檢驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率為</b></p><p>　?。?）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為</p><p><b>　　滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l

28、件為</p><p>　　滿足近似條件。 </p><p>　　5.4計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　根據(jù)圖7所示，取，則</p><p>　　取 </p><p><b>　　取</b></p><p>&l

29、t;b>　　取 </b></p><p>　　含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖5.1所示：</p><p>　　圖5.1含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　5.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　當(dāng)h=5時(shí)，查表3典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得，，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于按線

30、性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。計(jì)算超調(diào)量。</p><p>　　設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，已知，，，， ， ，。當(dāng)時(shí)，由表4查得，而調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 </p><p>　?。?） </p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速&l

31、t;/p><p>　　為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速。</p><p>　　根據(jù)式（6）計(jì)算得 </p><p><b>　　滿足設(shè)計(jì)要求。 </b></p><p>　　6調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)</p><p><b>　　，其中</b></p>

32、;<p>　　代入以上求得的數(shù)據(jù)得</p><p>　　應(yīng)用MATLAB編程畫伯德圖，如圖5.2所示：</p><p>　　圖5.2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)伯德圖</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　1. 兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定

33、了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。</p><p>　　2. 實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大，特別是為了避免零點(diǎn)飄移而采用 “準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。</p><p>　　3. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似。</p&g

34、t;<p>　　4. 在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un ，經(jīng)過(guò)放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1]陳伯

35、時(shí). 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2009.</p><p>　　[2]陳治明. 電力電子器件 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2004.</p><p>　　[3]樊麗萍,王忠慶. 電力電子技術(shù) [M]. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社 2006.</p><p>　　[4]袁德成,王玉德. 自動(dòng)控制原理 [M]. 北京：北京大學(xué)出版社 2006.<

36、/p><p>　　[5]付光杰，趙海龍. 電機(jī)與拖動(dòng) [M]. 北京：石油工業(yè)出版社 2011</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　表1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)零件表</p><p><b>　　主電路圖：</b></p><p><b>　　控

37、制電路圖：</b></p><p>　　東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</p><p>　　課程 電氣工程課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題目 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) <

38、;/p><p>　　專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 姓名 學(xué)號(hào) </p><p><b>　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、繪制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、利用伯德圖完

39、成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正、計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定余量γ及GM、繪制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及結(jié)構(gòu)圖。設(shè)計(jì)采用模擬調(diào)節(jié)器及MOSFET功率器件實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。PWM電壓波形、電機(jī)電流波形、轉(zhuǎn)速反饋波形和直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及控制電路各單元的相關(guān)波形。</p><p><b>　　參考資料：</b></p><p>　　[1]陳伯時(shí). 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2009.</

40、p><p>　　[2]陳治明. 電力電子器件 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2004.</p><p>　　[3]樊麗萍,王忠慶. 電力電子技術(shù) [M]. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社 2006.</p><p>　　[4]袁德成,王玉德. 自動(dòng)控制原理 [M]. 北京：北京大學(xué)出版社 2006.</p><p>　　[5]付光杰，趙海龍. 電機(jī)與拖動(dòng)

41、 [M]. 北京：石油工業(yè)出版社 2011</p><p>　　完成期限 2012.7.10至2012.7.18 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　專業(yè)負(fù)責(zé)人 </p><p>　　2011年 7 月 9 日</