转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计

学号：中州大学电机及拖动课程设计题目：转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计姓名：专业：电气自动化班级：指导老师：赵静2014年6月10号I摘要该设计是转速负反馈的单闭环直流调速系统，目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统，对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速负反馈单闭环使用较多。在设计中用MATLAB软件对电流环和转速环的设计举例进行了仿真，通过比较说明了直流调速系统的特性。关键字：转速负反馈动态性能IIABSTRACThedesignspeednegativefeedbackissingleclosed-loopdcspeedregulatingsystem,thecurrentspeedregulationsystemisdividedintoacspeedregulationanddcspeedcontrolsystem,duetothewidescopeofspeedcontrolofdcspeedregulatingsystem,smallstaticrate,goodstabilityandhasagooddynamicperformance,soinalongtime,almostallhighperformancespeedcontrolsystemusingdcspeedregulatingsystem,inordertoimprovethedynamicandstaticperformanceofdcspeedregulatingsystem,usuallyadoptsclosedloopcontrolsystem,thecontrolofmotorspeedindexrequirementsisnothigh,thesingleclosedloopsystem,accordingtothefeedbackindifferentwayscanbedividedintothespeedfeedback,currentfeedback,voltagefeedback,etc.Inasingleclosed-loopsystem,speedclosed-loopusedmorenegativefeedbacklist.UsingMATLABsoftwareinyourdesign,forexample,thedesignofcurrentloopandspeedlooparesimulated,throughcomparingthecharacteristicsofthedcspeedcontrolsysteKEYWORDS:SPEEDBACKMATLABDIII目录摘要..............................................Abstract..........................................I1转速负反馈单闭环直流调速系的电路.................11.1单闭环直流调速系统原理.............................21.2调节器的设计........................................41.3调节器的计算...............................52转速控制的要求和调速指标.........................62.1单闭环调速系统的调速范围以及静差率..................52.2反馈控制规律.......................................63转速负反馈单闭环直流调速的特性分析...............113.1静态性能分析........................................93.2动态性能分析......................................114电路设计....................................124.1触发电路的选择.................................135心得体会........................................146致谢词..........................................157参考文献.....................................16IV11转速负反馈单闭环直流调速系的电路1.1单闭环直流调速系统原理.根据本设计要求，设计的系统为转速负反馈单闭环直流调速系统，其中转速为负反馈量。转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。一、只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。二、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。三、系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。。2图1-1-1转速负反馈单闭环直流调速系统的组成上图1-1为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压nU，与给定电压*nU相比较后，得到转速偏差电压nU过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压cU，用以控制电动机转速n。图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压dU。电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压nU，与给定电压*U相比较后，得到转速偏转电压nUA，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压CU，用以控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。1.2调节器的设计在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求动态校正方法有很多种，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正，其中串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就可以完成动态校正的任务。在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图，即开环对数频率特性的渐近线，利用它可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。保留适当的3稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平衡性。稳定裕度大，意味着动态过程震荡弱，超调小。在定性地分析闭环系统性能时，通常从伯德图的高，中，低三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：（1）中频段以dec20dBdB0线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。（2c越高，则系统的快速线越好。（3）低频段的斜率陡，增益高，说明系统的稳态精度高。（4）高频段衰减越快，则高频特性负分贝值越低，这就说明系统抗高频噪声干扰的能力越强这四个方面是互相矛盾的，应根据实际需要，灵活的选取所需要的条件。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能使牺牲快速性；提高截止频率可以姜块系统的响应，又容易引入高频干扰。设计时往往须用多种手段，反复凑试。具体设计时，首先进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环调速系统。如果闭环调速系统不稳定或者动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足所要求的性能指标为了满足系统要求的静特性良好的要求，需要选择合适的调节器。采用比例放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。而比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。4图1-2图比例积分调节线路图上图中的PI调节器原理图上可以看出，突加输入信号时，由于电容1C两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻1R，等效于一个放大系数为piK的比例调节器，在输出端立即呈现电压inpiUK，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。此后，随着电容1C被充电，输出电压exU开始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态时，1C两端电压等于exU，1R已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。由此可见，比例积分控制综合了比例和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。1.3调节器的计算已知系统为不稳定的。设计PI调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。原始系统的开环传递函数为)1)(1()(2sTsTTTKsWmlms又LmmlsTTsTsTsT4,132.0,03.0,005.0在这里，，因此分母中的二次项)1(2sTsTTmlm可以分解为两个一次项之积。即2210.003960.1321(0.0861)(0.0461)mlmTTsTsssss5又闭环系统的开环放大系数取为39.31K于是，原始闭环系统的开环传递函数为)1005.0)(1041.0)(1086.0(39.31)(ssssW三个转折频率为11163.11049.011ssT1224.24026.011ssT13320000167.011ssT2转速控制的要求和调速指标.2.1单闭环调速系统的调速范围以及静差率任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速；2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；63）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起﹑制动尽量平稳。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。1．调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即其中maxn和minn一般都指电机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速2．静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落Nn0n之比，称作静差率s,即或者用百分号表示显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。2.