单闭环直流调速系统优秀课程设计.docx
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1、 综合课程设计说明书 题目:单闭环直流调速系统设计和Matlab仿 真(一) 学院:机电和汽车工程学院 专业班级:电气工程和自动化专业(1)班 姓名: 学号: 07240113 指导老师: 目录第一章 概述2第二章 调速控制系统性能指标3 2.1 直流电动机工作原理4 2.2 电动机调速指标4 2.3 直流电动机调速5 2.4 直流电机机械特征5第三章 单闭环直流电动机系统6 3.1 V-M系统介绍6 3.2 闭环调速系统组成及静特征7 3.3反馈控制规律8 3.4 关键部件9 3.5 稳定条件11 3.6 稳态抗扰误差分析12第四章 单闭环直流调速系统设计及仿真14 4.1 参数设计14 4
2、.2 参数计算及MATLAB仿真15第五章 总结24参考文件 第一章 概述 电动机是用来拖动某种生产机械动力设备,所以需要依据工艺要求调整其转速,而用于完成这项功效自动控制系统就被陈为调速系统。现在调速系统分为交流调速和直流调速系统,因为直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好和含有良好动态性能,所以在相当长时间内,高性能调速系统几乎全部采取直流调速系统,但多年来,伴随电子工业和技术发展,高性能交流调速系统也日趋广泛。单闭环直流电机调速系统在现代生活中应用越来越广泛,其良好调速性能及低廉价格越来越被大众接收。单闭环直流电机调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、电动机-发动机、闭环控制系统
3、等组成,我们能够经过改变晶闸管控制角来调整转速,本文就单闭环直流调速系统设计及仿真做以下介绍。 第二章 调速控制系统性能指标2.1 直流电动机工作原理一、 直流电机组成 (1)定子:主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置; (2)转子:电枢铁芯、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴; (3)气隙二、 直流电机励磁方法 按励磁方法不一样,直流电机可分为她励、并励、串励和复励电动机四种。直流电动机中,在电磁转矩作用下,电机拖动生产机械沿着和电磁转矩相同生产方向旋转时,电机向负载输出机械功率。2.2 电动机调速指标 稳态指标:关键是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调整,而且在不一样转速下工作时能稳定运
4、行,而且在某一转速下稳定运行时,尽可能少受负载改变及电源电压波动影响。所以它指标就是调速系统调速范围和静差率。动态性能指标:关键是平稳性和抗干扰能力。(1) 调速范围:生产机械在额定负载时要求电动机提供最高转速Nmax和最低转速Nmin之比称为调速范围,用D表示。即 D=(2) 静差率:调速系统在某一转速下稳定运行时,负载由理想空载增加到要求负载时,所对应转速降落和理想转速n0 之比,用s表示,即 s=100%=100%(3) 调速方向:指调速后转速比原来高还是低,有上调和下调之分。(4) 调速平滑性:它由一定调速范围内能得到转速级数来说明。调速可分为有级调速和无级调速。2.3 直流电动机调速
5、本文以她励直流电动机为例来说明直流电机调速,她励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立直流电源供电,在励磁电压作用下,励磁绕组中经过励磁电流,从而产生磁通。在电枢电压作用下,电枢绕组中经过电枢电流。 她励直流电动机转速公式: n= 式中U为她励电动机电枢电压;I为电枢电流;E为电枢电动势;R为电枢回路总电阻;n为电机转速;为励磁磁通;为由电机结构决定电动势系数。她励电机调速方法有三种:电枢回路串电阻变电阻调速、改变电枢电压变电压调速、减小气隙磁通量弱磁调速。在实际应用中,我们通常采取变电压调速。2.4 直流电机机械特征 她励直流电动机中转速和转矩之间关系为n=式中为电动机理想空载转速,其值为
6、是机械特征斜率,是转速差。她励直流电机固有特征曲线图所表示: 第三章 单闭环直流电动机系统3.1 系统介绍晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统),其简单原理图以下: 图中是晶闸管可控整流器,它能够是单相、三相或更多相,半波、全波、半控、全控等类型。优点:经过调整触发装置控制电压来移动触发脉冲相位,即可改变整流电压从而实现平滑调速。缺点:、因为晶闸管单相导电性,它不许可电流反向,给系统可逆运行造成困难。2、 元件对过电压、过电流和过高和全部十分敏感,其中任意指标超出许可值全部可能使元件在短时间内损坏,所以必需有保护装置和散热条件。3.2 闭环调速系统组成及静特征 转速反馈控制闭环调速系统,其原理
7、图以下: a、忽略多种非线性原因,假定各步骤输入输出全部是 线性。 b、假定只工作在系统开环机械特征连续段。 c、忽略直流电机和电位器内阻。 电压比较步骤: 放大器:(-放大器电压放大系数) 晶闸管整流和触发装置:(-晶闸管整流和触发装 置电压放大系数) V-M系统开环机械特征: 测速发电机:(-测速反馈系数,单位为)所以转速负反馈闭环调速系统静特征方程式为 式中为闭环系统开环放大系数,这里是以作为电动机步骤放大系数。静特征:闭环调速系统电动机转速和负载电流(或转矩)稳态关系。依据各步骤稳态关系画出闭环系统稳态结构图图所表示: 3.3 反馈控制规律 从上面分析能够看出,闭环系统开环放大系数k对
8、系统稳定性影响很大,k值越大,静特征就越硬,稳态速降越小,在一定静差率要求下调速范围越广,即k越大,稳态性能就越好,然而,设计放大器为百分比放大器,稳态速差只能减小,但不能消除,因为闭环系统稳态速降为,只有时其值为0,而这是不可能。3.4 关键部件 1、百分比放大器:运算放大器用做百分比放大器,图为调整器原理图及输出特征: 和为放大器输入和输出电压,为同相输入端平衡电阻,用以降低放大器失调电流影响,放大系数为:2、百分比积分放大器 在定性分析控制系统性能时,通常将伯德图分成高,中,底三个频段,频段界限是大致,通常调速系统要求以稳和准为主,对快速性要求不高,所以常见PI调整器,采取运算放大器PI
9、调整器图所表示. -PI调整器百分比放大部分放大系数; -PI调整器积分时间常数; 此传输函数也能够写成以下形式: 式中-PI调整器超前时间常数。在零初始状态和阶跃输入下,PI调整器输出电压时间特征图所表示 将P调整器换成PI调整器,在原始系统上新添加部分传输函数为由图能够看出百分比积分物理意义。在突加输入电压时,输出电压突跳到,以确保一定快速控制作用,不过小于稳定性能指标所要求百分比放大系数。因为快速性被压低了。换来稳定性确保。 作为控制器,比利积分调整器兼顾了快速影响和消除静差两方面要求:作为校正装置,它又能提升系统稳定性。2、 额定励磁下直流电动机 (主电路、假定电流连续) (额定励磁下
10、感应电动势) (牛顿力学定律,忽略粘性摩擦) (额定励磁下电磁转矩) 式中 包含电机空载转矩在内负载转矩,单位为; 为电力拖动系统运动部分折算到电机轴上飞轮转 矩,单位为; 为电动机额定励磁下转矩电流比,单位为 定义下列时间常数: -电枢回路电磁时间常数,单位为s; -电力拖动机电时间常数,单位为s; 得电压和电流间传输函数:电流和电动势间传输函数:额定励磁下直流电动机动态结构图图所表示: 3.5 稳定条件 反馈控制闭环调速系统特征方程为 稳定条件为 整理后 上式右边称作系统临界放大系数,K值超出此值,系统就不稳定,依据上面分析可知,可能出现系统临界放大系数全部比系统稳态时放大系数要小,不能同
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