转速、电流双闭环直流调速系统设计

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1、 - 1 - 自动控制系统课程设计报告自动控制系统课程设计报告自动控制系统课程设计报告自动控制系统课程设计报告 设计题目： 转速、电流双闭环直流调速系统设计 一一一一、 课程设计的背景及目的课程设计的背景及目的课程设计的背景及目的课程设计的背景及目的 在工程应用中，通常在单闭环回路之内在增加些局部的、辅助的反馈回路，以提高系统抗干扰的性能，或改变对象或其他元件的动特性来改善整个系统的特性。例如，在转速负反馈单闭环内再增加一个电流负反馈回路， 就构成转速和电流负反馈组成的双闭环系统， 由转速、电流、电压反馈可组成三闭环系统。 此外，通过转速、电流双闭环直流调速系统的课程设计进一步了解闭环不可逆直

2、流调速系统的原理、 组成及个主要单元部件的原理， 掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定，以及研究调节器参数对系统动态性能的影响。 二二二二、 课程设计所需的仪器及装置课程设计所需的仪器及装置课程设计所需的仪器及装置课程设计所需的仪器及装置 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1 三相晶闸管触发电路 DJK04 电机调速控制实验 I DJK08 可调电阻、电容箱 D42 三相可调电阻 DD03-3 电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表 DT9207 数字万用表 TDS1002（60 MHz）数字示波器 YB43020D（20 MHz）模拟示波器 导线

3、若干 直流发电机 其铭牌： 型号 DJ13-1 电枢电压 220V 容量（Pn）220W 电枢电流(In) 1.1A 励磁电压（Un）220V 额定转速(Nn) 1600 r/min 绝缘等级 E 直流并励电动机 其铭牌： 型号 DJ15 电流（In）1.2A 励磁电流 Ifn0.13A 容量（Pn）185W 电压（Un）220V 励磁电压（Ufn） 220V 额定转速（Nn） 1600/ 绝缘等级 E 三三三三、 设计的线路及原理设计的线路及原理设计的线路及原理设计的线路及原理 1、系统的线路结构图 转速、电流双闭环调速系统 - 2 - 注：该线路使用于中小功率不可逆的调速系统 转速、电流双

4、闭环调速系统原理框图 2、双闭环调速系统的特点 带电流截止负反馈，采用调节器的转速负反馈单闭环调速系统，虽然可以保证在系统稳定的条件下实现转速无静差，并有一定的动态品质，但是，如果对系统有快速起动、制动的要求 ，则单闭环系统就难以满足要求。而且，调速系统运行时会受到各种不确定因素的干扰，如电网电压波动的影响，负载变化的影响等，对于单闭环系统来说，由于对象的惯性较大，则它对外界的干扰不是很快就能反映出来。但对于双闭环调速系统来说，系统增加了电流调节回路后， 由于电网电压变化使电流变化的影响较电机转速变化快得多， 电流回路很快旧能将电压补回，使电流恒定，因而转速几乎看不出变化。对于负载变化引起的扰

5、动，由于它处在电流调节器回路之外， 则仍要通过转速的变化经主要调节回路即转速反馈回路后改变电流给定值，以保持转速不变。 3、转速、电流双闭环调速系统的工作原理 双闭环调速系统在突加给定起动过程时，转速调节器输出电压 Un*、电流调节器输出电压 Uct、整流器输出电压 Udo、电动机电流 Id、电动机转速 n 等的动态波形如： 系统的起动过程可以分为三个阶段： （1）0t1 为电机电流上升阶段。突加转速给定指令电压 Un*后，由于电机的机电惯性 - 3 - 较大， 转速增长慢， 偏差电压U 的值较大， 转速调节器 ASR 的输出很快达到限幅值 Uim*，这个电压加在电流调节器 ACR 的输入端，

6、使其输出电压 Uct 上升，因而晶闸管整流器输出电压 Udo、电机电流 Id 都很快升高，直到电流升到设计是所定的最大值 Idm 为止。 (2) t1t2 是恒流 Idm 升速阶段，从电流升到最大值 Idm 开始，一直到转速升到给定值为止，这是起动过程的主要阶段。在这一过程中，转速调节器 ASR 一直处于饱和状态，转速环相当于开路运行，系统表现为恒值电流调节系统。电流调节器在整个起动过程中，都不应该饱和， 而且晶闸管整流器的最大输出电压 Udom 也应留有余量， 既整流器环节也不应饱和。 恒流升速过程时调速系统的动态结构图 （3） tt2 是转速调节阶段。这时，转速已经上升到给定值，转速调节器

7、的给定与反馈电压相平衡，输入偏差电压为零，但其输出却由于积分作用存在还维持在限幅值 Uim*，电机仍在最大电流下加速，使转速超调，超调后，转速调节器的输入端出现负的偏差电压，从而使之退出饱和，其输出电压立即从限幅值 Uim*降下来，电机电流也从恒值 Idm 下降，在 IdIdl 阶段，转速仍会继续上升，到 IdIdl 时，电机在负载阻力作用下减速，转速最后稳定在设定值附近，起动过程结束。在这一过程中，转速调节器和电流调节器同时发挥调节作用，电流调节器的作用是力图使 Id 尽快地跟随转速调节器的输出 Ui*变化，成为一个电流随动系统。在双闭环调速系统中，电流反馈称为内环调节，转速反馈称为外环调节

8、，从上述过程可以看出，它具有饱和非线性的控制作用。 四四四四、 设计的要求及参数指标设计的要求及参数指标设计的要求及参数指标设计的要求及参数指标 系统突加给定起动 电机的转速超调n%10%；无静差；运行稳定（转速上下浮动5%） 电机的电流超调i%5%； 无静差；电路电流稳定（电流上下浮动5%） 五五五五、 实际测得的各项参数指标实际测得的各项参数指标实际测得的各项参数指标实际测得的各项参数指标 - 4 - 1、有关仪器的调试结果 （1） 速度调节器（ASR）调试结果 调零 输入 Ui=0，输出 Uo=0.00; 限幅调节 调节 Rp1、Rp2，由小到大，限幅值变化范围（14.4V14.5V）

9、； ASR 的 IO 特性 注：实验设定 ASR 的限幅值为10V。 （2） 电流调节器（ACR）调试结果 调零 输入 Ui=0，输出 Uo=0.00； 限幅调节 调节 Rp1、Rp2，由小到大，限幅值变化范围（12.55V13.87V） ； ACR 的 IO 特性 注：实验设定 ACR 的限幅值为10V。 2、晶闸管直流调速系统参数和环节的测定结果 (1) 测量电机电枢电阻 Ra 伏安比较法实验线路图 - 5 - 测量数据： R1=103,R2=103 接入电机电枢 S2 合：Ug=6.3V，Ud=121V，I1=1.01A，U1=98V； S2 断：Ug=6.31V，Ud=122V，I2=

10、0.58A，U2=110V； 短接电机电枢 S2 合：Ug=6.3V，Ud=85V，I1=0.71A，U1=84V； S2 断：Ug=6.31V，Ud=88V，I2=0.41A，U2=87V。 求得 Ra=17.907 (2) 测量电枢回路电感 L 测量电枢回路电感的实验线路图 测量数据： 电枢端电压 Ua=55.2V，电抗器端电压 Ul=18.8V，回路电流 I=0.657A Za=Ua/I，Zl=Ul/I L=La+Ld=21.460+0.091=21.551(H) (3) 测量机电时间常数 Tm 测量 Tm 的实验线路图 测得的值 Tm=250（ms） （4）测量晶闸管整流装置的放大倍数

11、 Ks（电路图同上） - 6 - Ks=ud/ug Ug(v) Utg(v) Ud(v) N(r/min) Ug(v) Utg(v) Ud(v) N(r/min) 1.70 0.101 8 40.2 3.25 2.48 142 978.0 1.85 0.263 16 105.6 3.40 2.73 156 1075 2.00 0.423 26 170.0 3.55 2.96 169 1163 2.15 0.618 38 254.8 3.70 3.16 180 1240 2.30 0.887 52 349.6 3.85 3.37 191 1320 2.45 1.136 66 450.3 4.00

12、 3.56 201 1394 2.60 1.404 81 577.6 4.15 3.75 212 1467 2.75 1.640 95 649.9 4.30 395 223 1547 2.90 1.950 113 774.3 4.45 4.14 233 1615 3.10 2.26 130 923.4 4.50 4.20 237 1642 取平均值，求得 Ks = 52.6 3、预设定参数 Unom*=+6.2V(电机给定最大值) 对应电机最大转速 Nmax=1500 r/min; Uim*=-5V(电流给定最大值) 对应电机电枢电流 Idm=1.2A; =Uim*/Idm=5/1.2=4.1

13、66，=Unom*/Nmax=6.2/1500=0.004; 输入电阻 Ri=20K，滤波时间常数 T=0.5us； 通过对设定参数的计算，求得电流、转速调节器的 PI 参数为： Rfi=231.9K，Cfi=1.06F2.65F；Rfn=99k，Cfn=1.64uF4.1Uf； 4、双闭环直流调速系统实际测得各项参数指标 （1） 整流电路的测量结果 给定 U=+10.00V，采用电阻做负载，其三相桥整流电路的输出波形： 给定 U=+5.00V，采用电阻做负载，其三相桥整流电路的输出波形： （2） 电流环的测量结果 ASR 采用 P 调节，比例放大倍数为 1 倍（起反相作用） ； ACR 采用

14、 PI 调节， Rfi=231K， Cfi=2F， Uct=5.00V， Uim= - 4.99V， Idm=1.2A， Ud=285 - 7 - =Uim*/Idm=4.99/1.2=4.158 三相桥整流输出波形： （3） 速度环的测量结果 电流环保持不变，ASR 采用 PI 调节,加速度负反馈,Rfn=40k,Cfn=2Uf； 给定 U=6.22V，U= - 0.6V（反馈偏差值） ，n=1499 r/min； =Unom*/Nmax=6.22/1499=0.004 (4) 系统稳定性的测量结果 突加给定，系统瞬间起动时的波形： 备注 ：当给定在 3V 以上时，电机的转速基本稳定不上下浮

15、动；当给定在 3V 以下时，电机的转速浮动范围在(0.2r/min0.8r/min)。 突加给定的速度超调量为： %=（6.6-6.21）/6.21*100%=6.28%10%； 电机稳定运行时，速度上下浮动量n%5%。 六六六六、 结果分析及设计所存在的问题结果分析及设计所存在的问题结果分析及设计所存在的问题结果分析及设计所存在的问题 通过对转速、 电流双闭环直流调速系统的测试， 其测试结果基本符合了课程设计所提出的设计要求以及相关的参数指标。整个系统的设计完成得比较成功。 但是，在实际的设计和调试过程中还存在一定的问题。例如：1、在设计之初是设定最大的给定值为 8V 对应电机的最大转速 1

16、500r/min，但是，在实际的调试过程中经过数轮的调试都无法达到设计的要求。最后只好下调设计参数指标，将最大给定值下调为6.2V。2、实际的调试过程中，在运用数字示波器检测电机的突加给定时的速度变化曲线时， 整个实验调试前后， 其整个系统都受到不同程度的干扰， 让检测一直都无法正常进行。在实际检测过程中，如何有效的消除这种干扰，也将是系统设计成功与否的关键。 七七七七、 课程设计总结课程设计总结课程设计总结课程设计总结 通过这次自动控制系统双闭环直流调速控制系统的课程设计，让我对自动控制原理相关的系统设计、 校正和优化有了实质性的了解， 对系统的理论设计和实践调试有了进一 - 8 - 步的了解，关键是能将平时所学的纯理论知识结合到实践当中，能将两者联系起来。 其次，对自动控制系统相关的实验设备有了熟悉的掌握，现在能相对比较熟练的 调试各个实验装置。并且，这次课程设计也培养了我对自动控制的兴趣，消弱了我以前对它的枯燥乏味感。最后，设计成功了，给了我十分大的兴致。 再者，在这次课程设计过程中让我意识到，做设计要有耐心和细心，在遇到困难时不要轻易放弃了，要多问，多查阅相关的资料，多思考，要能从每次不成功的测试过程中吸取经验。最关键的是，在任何时候都要能静下心来，不要被别人的三言两语而打断自己的思考和决定。