带电流截至负反馈的直流调速系统

1运动控制原理实验报告——带电流截止负反馈的直流调速系统实验原理………………………………………………………………………………2直流调速系统的分类和指标……………………………………………2带电流截至负反馈调速系统的静特性…………………………………4带电流截至负反馈调速系统的动态特性………………………………4带电流截至负反馈调速系统的设计……………………………………5实验内容和过程………………………………………………………………………6晶闸管—电动机系统的自然机械机械特性测试…………………………6系统控制单元整定…………………………………………………………8系统静态性能测试…………………………………………………………9系统动态性能测试…………………………………………………………13实验结论与体会…………………………………………………………………………17实验原理1.直流调速系统的分类和指标由于良好的起动制动性能和宽范围的平滑调速能力，直流电动机常被用于需要做快速正反向拖动的领域中。直流拖动系统的控制往往是通过控制转速来实现的，由直流电动的电动势平衡方程推出转速表达式2eadldCRIUn0U为电枢电压,dlI为一定负载对应的电流,aR为电枢回路总电压电枢励磁磁通eC电机的电动势参数可知直流电机有三种可用的调速方法，分别是调压（U）调速，弱磁（）调速和改变串入电阻（aR）调速。然而通过改变串入电阻阻值来调速不能实现无级调速，弱磁调速的调速范围又太小，所以直流调速系统常采用调压调速的方式。对于一个建立好的直流调速系统，可以从调速范围（D），干扰造成的转速波动大小（静差率s）和调速系统的起动和制动时间这三个方面来衡量，这些参数有如下关系，minmaxnnDNNnnnsmin其中Nn为直流电机的转速降落，是在电机负载从理想空载增加到额定值对应的转速降落，可以作为衡量直流电机机械特性硬度的参量。调速范围和静差率两个概念也有密切的联系，同样的转速降落Nn下，调速范围越大，转速越低对应的静差率也会大一些,两者满足)1(DnnDsNN而真正衡量不同系统机械特性时我们用的是转速最低时的静差率，这是的静差率最难满足系统的性能指标。本次实验使用的是晶闸管整流器-电动机调速系统的组合（MV),同样广泛使用的还有PWM-电动机的组合。常用的MV系统有开环直流调速系统，带转速反馈的闭环直流调速系统（根据转速调节器ASR的不同又分为比例和P比例积分PI调节），致力于解决过电流问题的带电流截止负反馈的直流调速系统（同样分为有差和无差）和能快速启动制动的双闭环直流调速系统。从开环系统到带转速反馈的调速系统，同样电机的转速降落大大减小，静差率减小，调速范围扩大，调节精度和系统抗干扰的能力增强，比例积分调节还消除了系统3的静态误差；从单闭环转速反馈系统到双闭环转速电流，直流电机可以实现最大恒流起动和制动。V-M触发的电机调速系统在转速负反馈控制的调速系统中突加给定电压，由于电机的惯性，转速不可能立即上升，反馈电压尚未建立时，转速调节器ASR的输入偏差电压很大，电枢电流会很快升到其最大值，此时电枢电流极易过流，在制动和堵转时，电枢电流也容易过流。为了限制电流，系统需要有自动限制电枢电流的环节，也就是电流截至环节通过三相电流互感器取出电动机电枢回路的电流dI,当dI大于临界截至电流dcrI,稳压管两端电压comU大于sdcrRI时，稳压管STV被击穿，电流负反馈加入，阻止电流的进一步上升。利用稳压管产生比较电压带电流截至负反馈的有静差调速系统的稳态结构图如下，电流较小时，iU=0，调速系统4只由转速负反馈调节，当comsdURI时，电流反馈电压comsdiURIU电流反馈环节输入输出特性2.带电流截至负反馈调速系统的静特性带电流截至负反馈的闭环系统稳定结构图带电流截至负反馈的闭环直流调速系统静特性分为2段dcrdII时，sR上的电压小于稳压管的击穿电压comU，电流反馈环没有接入，系统只受反馈转速环ASR控制，此时)1()1(*KCRIKCUKKnedenspdcrdII时，稳压管被击穿，随即电流负反馈环节接入系统，进一步减小输入放大器的偏差电压，抑制了转速的进一步上升，效果上如同串入了一个阻值为sspRKK的大电阻并提高电枢电压，结果使系统的机械特性变软，堵转电流减小5)1()()1()(*KCIRKKRKCUUKKnedsspecomnsp直流调速系统的机械特性如图在电流较大时加入电流负反馈相当于在主回路中串入了一个值为sspRKK的大电阻，使系统的特性迅速下降，堵转电流大大减小。此时的堵转电流为scomnsspcomnspdbRUURKKRUUKKI**)((RRKKssp)实验中用到的直流调速系统属于有静差的调速系统。3.带电流截至负反馈调速系统的设计设备：直流他励电动机的参数(额定电压，电流，转速）vUnom220AInum1.1rpmnnom1450电枢回路电阻22aR平波电感电阻12LR整流电源电阻12nR晶闸管整流增益135sK调节器电阻kRo22稳压管稳压电压VUw9.6性能指标和要求：最大给定电压vUnm7||*6截至电流AIInomdcr2.11.1最大堵转电流nomdblII4.1调速范围3D静差率%10s根据性能指标计算P调节的电阻1R和电流截至反馈回路的电阻2R.(1)计算额定速降rpmsDsnnnomcl704.53)1((2)计算系统开环增益07.61espclenomCKKnCRIK(3)确定调节器比例系数5.1)1(*nsnomenompUKRIKCnK(4)在最大堵转点时利用运放的特性计算电阻210*RUURURUwimctnkR331kR2.62(5)计算电流反馈系数75.5dcrwIU(6)计算转速反馈系数165.0nUdn实验内容和过程1.晶闸管—电动机系统的自然机械机械特性测试（1）连接晶闸管的直流电源—电动机系统主电路及负载（L=700MH,R=450,I=1A），负载电机励磁回路（R=900，I=0.5A）7（2）空载启动调节到空载转速0n（rmp1600~1500），加上负载将电机调整到额定工作点（aNI,Nn），在额定负载电流范围内测量出一条自然机械特性（5组数据）空载点额定点N1N2N3N4转速n(min/r)153714471510154515741610负载dlI(A)0.111.050.80.70.60.5端电压U(V)224236239241243244（3）计算出电机的自然机械特性为deddICRIUn159.4-1629.90（4）利用端电压基本相等的N1~N4和额定点绘制电机的一条自然机械曲线8实验中负载电流较小的时候转速偏大，这是主要由于此时的电枢电压比理论值（220V）偏大，电机的机械特性曲线已经上移。随着电枢电流增大，转速增加，实验中得到的曲线与实验曲线越来越接近。2.系统控制单元整定（1）调试出满足系统要求的电流反馈强度为了防止系统过流，电流负反馈环节发挥作用需有稳压管被击穿，dWIU此时的负载电流AIInomdcr1.11.1，dI取稍大于dcrI的1.2A，因此nomWIU2.1稳压管击穿电压wU为6.9V，所以单位为AV，取5.75，同时由于电流截至环节产生电压的不是电阻而是稳压管，得物理意义不能理解为电阻。通过调节电阻3pR可以调节，先将给定电压降低到额定的三分之一，再加负载使电枢9电流达到dcrI,调节3pR的阻值使电机转速刚好出现明显下降，这时的值就对应了实验所需的截至电压。（2）确定截至稳压管的极性，连接电流反馈支路确定稳压管的极性可以通过测稳压管正反接时的电阻，选择M级电阻，接入电流反馈端和主回路。（3）按实现计算出的21RR，连接调节器和反馈回路由堵转点时的运放特性得出210*RUURURUwimctnkR331kR2.62（4）调试出合适的速度反馈强度加入转速负反馈，将给定电压*nU设置到额定给定7V，再调节测速电阻和转速反馈电阻FR和0R,使电机的转速达到额定转速。3.系统静态性能测试（1）给定电压*nU为最大值时是转速调到最大，在NI1.1范围内测量出一条静特性（给出5组数据）组数12345转速n/rpm14511467148514921497电枢电流dI/A1.00.80.60.50.4转速反馈电nU/V77777电枢电压dU/V234232229228225给定电压最大时系统理论上静特性方程应该为dIn4.1591626.91011图中可以看到实验得到的电机静特性和计算出的特性曲线吻合度较高，误差不超过20rpm,此时电机运行在额定工作点，误差的主要来源是电压，转速等测量器的量化误差，电机偶然受到的扰动等。12加入转速环后，随着负载电流的增加，电机的转速降落明显减小，这主要是由于转速环调节了电机工作电压的缘故，转速下降时，偏差使电机端电压提升，抵消了大部分负载电流上升带来的速降，电机前的环节如晶闸管整流，偏差放大器的放大系数越大，这种抵消速降的能力就越强。上图中转速负反馈系统的静特性明显比电机自然机械特性要平，但仍有下降，这在比例调节的负反馈系统中是不可避免的。随着电枢电流的增大，实验曲线的斜率也有增大，这种现象在下一个静态特性测试实验（将给定电压降到最大给定值的1/3）后也有出现，这可能是端电压的影响，也有可能是电流反馈电压的影响，端电压的变化速度幅度太大可能是比例调节的单闭环系统所无法跟踪的，而电流反馈回路的漏电流在稳压管两段电压明显增大后也会对主回路早成影响，还有可能是电机本身的带负载后机械特性的变化。由于截至电流较大，测试静特性时没有选取截至电流和之后的点，如果一起绘出来，会看到一条在截至电流后明显下降的曲线，此时稳压管被击穿，电流反馈电压接入主回路，起到过流保护的作用。（2）给定电压3*nU为最大值时是转速调到最大，在NI0.6范围内测量出一条静特性（给出5组数据）组数12345转速n/rpm483475456413393电枢电流dI/A0.20.40.60.81.0转速反馈电压nU/V2.32.32.32.32.3电枢电压dU/V8086106117127改变给定电压后的13dIn4.1593.543将给定电压减小到最大给定的1/3时，此时得到了调速范围内的最低转速，此时电机出14现了转速不稳定的现象，电机的运行声音不连续，电枢端电压明显波动，转速也在波动。在1/3给定电压处实验得到的静特性曲线和理论的静特性曲线有较大的差距（rpmrpm100~50)，一方面是由于电机在较低转速时运行不稳定，另一方面有由两条曲线存在系统误差可以看出，在单闭环外存在扰动，或许是电压给定的偏差造成。4.系统动态性能测试额定负载时，系统突加最大给定（n=1450）启动电机，用示波器测量并记录Id、n的动态响应波形。由matlab仿真得到的动态启动波形：15电流dI启动时的电枢电流（纵坐标-2.00V/格，横坐标-0.1s/格）16转速n电枢电流和转速的实验和仿真动态曲线基本趋势和时间是相同的，不过实验时，转速信号开始时有一个副跳变，不知道是当时真的出现了一瞬间的反转还是转速信号受到了副跳变干扰。17值得注意的是电枢电流的变化，电枢电流在达到峰值（1.1V左右）后迅速下降，一方面是由于转速上升，负载转矩和机械转矩的差变小，甚至反号出现超调，另一方面主要是电机的截至限流作用，在系统中，转速还没有达到设定值，电枢电流就已经下降了，这也增加了电机的启动时间，所以有人将带电流截至的负反馈调速系统改成了双闭环负反馈调速系统，使启动过程中转速调节器早早饱和，电流反馈环作用，从而将电枢电流保持在堵转电流附近，大大减少了启动，制动时间。实验结论与体会交流调速是自动控制原理和直流电机的交集，它将直流电机作为调速系统的一个环节，通过拉普拉斯变换保留电