直流电机调速控制系统设计.doc

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
Translate DC motor speed Control system design
学生姓名
王杰
学 号
20130503213
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

徐州工程学院课程设计说明书
目 录

1 ×× 1
1.1 ×××××× 1
1。1.1 ×××× 1
1。1。2 ×××× 1
……
1。2 ×××××× 1
1。2.1 ×××× 1
……
2 ××××× 2
2.1 ×××××× 2
2.1.1 ×××× 2
……
3 ××××× 4
3。1 ×××××× 4
3.1。1 ×××× 4
……
参考文献 5
附录 6
附录1 6
附录2 6
目录编至三级标题，参考文献、附录同样按第一层次（章）的编辑要求处理，另起新页，与正文一起顺序用阿拉伯数字编页。目录中各章题序及标题用小四号黑体，其余用小四号宋体。

6
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：
式(1。1）
公式中:为电枢电压；为电枢电动势；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：
式（1。2)
式中：为电动势常数；为磁通势;为转速。
由此得到转速特性方程如下：
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——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范围的升速,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，且调速范围大、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中通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：
式(1.4)
式中：L为电枢回路电感；为,感应电动势。
公式变换后得：
式（1。5）
式中：,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：
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：
式(1。7）
由于输出转矩与电磁转矩和空载转矩之间的关系为：
式（1.8）
若忽略空载转矩,则式(1.8）可简化为：
式（1。9）
其中,有:
式（1.10）
式(1。11）
且,,故可得：
式（1。12)
式中：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：
式（1.13）
式(1。14)
式中：为电动机转矩常数,且；为电机极对数;为电枢绕组总导体数.
因为电枢反电势即为感应电动势，故:
式(1.15)
由式(1。12），式(1。13），式（1。14），式（1.15）可得:
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：
式（1。17）
式中：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，当外界负载转矩为零时，他励直流电机的传递函数为：
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，更改起来灵活方便。本文结合所学知识，为了同时满足动态性能指标和稳态性能指标,采用了双闭环直流调速系统，即引入电机转速、电枢电流等反馈量的设计系统。
1。3.1 开环直流调速系统
图1-3 开环直流调速系统原理图
如图所示,调节控制电压就可以改变电机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高,这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无极调速，有一些用途.但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。也就是说，静差率不能太大，精度不能太低，而这开环系统往往不能达到。
1。3。2 单闭环直流调速系统
图1-4 速度闭环控制直流调速控制系统
由前述分析可知,开环系统不能满足较高的调速指标要求，因此必须采取闭环控制系统。图1-4所示的是，转速反馈单闭环调速系统,其是一种结构相对复杂的反馈控制系统。转速控制是动态性能的控制，相比开环系统，速度闭环控制的控制精度及控制稳定性要好得多，但缺乏对于静态电流I的有效控制，故这类系统被称之为“有静差"调速系统。
1。3.3 双闭环直流调速系统
图1-4 双闭环控制直流调速控制系统
由前述分析可知，转速、电流双闭环直流调速系统具有良好的动静态调速性能.双闭环直流调速系统是指有：(1）转速负反馈环，实现转速的无静差调节;（2)电流负反馈环，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳的过渡过程。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统控制中设置两个调节器，用转速调节器（ASR)调节转速，用电流调节器（ACR）调节电流，两者之间串联。转速调节器的输入信号为给定信号与转速检测信号的偏差，电流调节器的输入信号来自于转速调节器的输出信号与电枢电流检测信号的偏差。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。
1。3。3。1 转速调节器(ASR)
1.3.3。1 电流调节器（ACR)
1.4 直流电机的可逆运行
由于直流电动机的转矩公式何,可见改变电动机转矩的方向有两种方法：
一是改变电枢电流的方向，即需改变电动机电枢供电电压的极性：
二是改变电动机励磁磁通的方向，即改变励磁电流的方向，这则需要改变励磁电压的极性。相应的线路图如下所示：
图1-6 电枢反接可逆线路图
图1—7 励磁反接可逆线路图
如上面所示图，直流电机可逆运行的电路,采用两组晶闸管装置反并联,实现电动机的正反方向运行。电动机正转时,由正组晶闸管装置VF供电；反转时,由反组晶闸管装置VR供电.两组晶闸管分别由两套触发装置控制,都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。
由于电枢回路电感小，时间常数小,,反向过程进行得快,因此适用于频繁起动、制动和要求过渡过程尽量短的拖动机械上。但是这种方案需要两套容量较大的用于主回路的晶闸管整流装置,往往投资较大。相对应的是，励磁功率只占电动机额定功率的1%~5%,显然反接励磁所需的晶闸管装置容量要小得多，这样对于大容量电动机,励磁反接的方案投资较少、在经济上是比较便宜的。但是由于励磁绕组的电感较大，励磁反向的过程要比电枢反向慢得多，只适用于对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统。
图1-4他励直流电动机改变电枢电压时的人为机械特性
1.2 ××××××
1。2。1 电流与电压的传递函数
3 PLC在直流调速系统中的应用
在PLC问世以前，继电器控制系统被广泛用于电力传动系统中以实现逻辑控制，随着科技不断发展，特种机械对电力传动系统的逻辑控制提出更高的要求和
继电器控制系统益暴露的缺点形成了鲜明的对比，以往的继电器控制系统采用的是硬接线的方式，其体积大、可靠性差、运行速度慢，尤其是当控制要求发生改变时，就必须重新设计和安装,这样既浪费了时间又耗费了大量的资金.
为了改变由继电器控制系统的缺点而给电力传动系统的逻辑控制带來的不足，PLC控制系统幵始在电力传动系统中得到了越来越多的应用，与继电器控制系统相比，PLC控制系统拥有很大的优势，下表展示出了PLC逻辑控制系统与继电器逻辑控制系统对比情况。
表3-1 PLC与继电器控制系统的区别
比较项目
继电器控制
可编程逻辑控制器（PLC)
控制逻辑
硬件接线多,体积大，连线复杂
软件逻辑,体积小,接线少，控制灵 活
控制速度
通过触点开关实现控制，动作速度受继电器硬件限制，一般几十毫秒
由半导体电路实现控制，指令执行时 间短，一般为微妙级
定时控制
有时间继电器控制，精度差
由集成电路实现，精度高
设计与施工
设计、施工、调试必须按照顺序进行，周期长
系统设计完成后，施工与程序设计同时进行，周期短
可靠性和维护性
继电接触器寿命短
无触点，寿命长，可靠性高,有自诊 断功能
价格
使用继电器、接触器等元件,价格低
使用大规模集成电路,价格高
PLC具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、扩展容易、结构紧凑、抗干扰能力强等优点，常被作为大功率直流调速系统的中央控制器.PLC能控制大功率直流电动机的起停、正反转运行，监视系统主要运行参数以及实现系统的保护等,通过编写程序实现复杂的控制算法去调节直流电动机的转速。
2 ×××××
2.1 ××××××
2。1.1 ××××
2。1。1。1 ×××××××××××
表题置于表上，居中，表题及表内文字宋体五号，单倍行距。
××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××见表2—1。
表2-1 合金钢的化学成分与力学性能
材料名称
化学成分（％）
力学性能
C
Mn
Cr
其他
抗拉强度
σb
／N/mm2
屈服强度
σs
/N/mm2
弹性模量
E
/N/mm2
伸长率
δ
/％
布氏硬
度①
/HBS
…
…

①×××××.
××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××见表2-2。
表2—2 国家选定的非国际单位制单位
量的名称
单位名称
单位符号
换算关系和说明
时 间
分
［小]时
天（日）
min
h
d
1min=60s
1h=60min=3 600s
1d=24h=86 400s
平面角
[角］秒
[角］分
度
（″）
（′）
(°)
1″=（π/648 000)rad
(π为圆周率）
1′＝60″＝（π/10 800）rad
1°=60′=(π/180) rad
旋转速度
转每分
r/min
1r/min=(1/60)s—1
表格允许下页接写，表题可省略，表头应重复写，并在右上方写“续表××”。
续表2—2
量的名称
单位名称
单位符号
换算关系和说明
长 度
海里
n mile
1n mile=1 852m(只用于航程)
速 度
节
kn
1 kn =1 n mile/h
=（1 852/3 600）m/s
（只用于航程）
质 量
吨
原子质量单位
t
u
1t=103kg
lu≈1。660 565 5×10-27kg
体 积
升
L，(l)
1L=1 dm3=10—3m3
能
电子伏
eV
1eV≈1.602 189 2×10—19J
级 差
分贝
dB

线密度
特［克斯]
tex
1 tex=lg/km
××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××见式（2.1）.
式(2。1)
公式另起一行，单倍行距，居中书写，公式的编号用圆括号括起来放在公式右边行末。
式中 --表示已建类似项目的费用；
—-表示拟建项目的费用；
—-表示已建类似项目的生产能力；
——表示拟建项目的生产能力；
——表示不同时期、不同地点建设项目的造价调整系数;
X ——表示生产能力指数.
公式中第一次出现的量应给予注释，注释的转行应与破折号“——”后第一个字对齐。

3 ×××××
3。1 ××××××
3.1.1 ××××
3.1。1.1 ×××××××××××
××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××见图3—1。
图标题置于图的下方，居中；宋体5号字，单倍行距

图3-1 循环矿浆压力与柱体背压的关系

………………
参考文献
[1］ D.Ibrahim。 Microcontroller Based Applied Digital Control ［M] ．John Wiley & Sons. 2006．
［2] 戴文进 等．电机与拖动［M] ．清华大学出版社, 2008．
[3] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M］ ．机械工业出版社, 2011．
［4］ 顾德英 等．计算机控制技术［M] ．北京邮电大学出版社， 2007．
[5］ 成辉。传感器的理论与设计基础及其应用[M］。北京国防工业出版社，1999.
［6] 高金源.计算机控制系统-理论、设计与实现［M］。北京航空航天大学出版社，2001。
［7] 于海生。计算机控制技术[M]。北京:机械工业出版社,2007。
[8］ 姜学军。计算机控制技术［M］。北京：清华大学出版社，2005。
［9] 范立南。单片微型计算机控制技术设计[M].北京:人民邮电出版社，2007.
[10］ 鲁远栋。PLC机电控制系统应用设计技术[M］.北京：电子工业出版社,2006。
附录
附录1
……
附录2
……