毕业设计修改

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1、一、本设计的基本任务和主要工作1、几种调速方法说明及其比较2、开环与闭环控制系统说明及其优缺点3、利用Mat lab仿真验证设计二、直流电动机的转速调节方法比较与确定11.1 三种调速方法介绍21.2 比较并确定本设计所用方案2三、控制系统结构选择23.1 开环与闭环系统比较3.2速度单闭环与速度电流双闭环比较四、直流电动机调速系统的整体方案41、整体方案说明42、各个组成部分的作用4五、MATLAB 仿真191、MATLAB功能介绍2、使用普通限幅器进行仿真193、积分输出加限幅环节仿真214、使用积分带限幅的PI调节器仿真22参考文献26致谢27第一章直流电动机的调速原理、直流电动机的转速

2、调节方法直流电动机的转速方程式为：n=(Ua-IaRa)/Ce 0式中n为转速，单位r/minU电枢供电电压(V)；aI电枢电流(A)；ae 励磁磁通(wb)；R电枢回路总电阻(Q)；aC 电势系数e由上式可以看出，式中u、r、e三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个a a参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻R ； ； (2)改变电枢供电电压U ； (3)改变励磁磁通e。aa1.1 改变电枢电路电阻调速原理当负载一定时，随着串入的外接电阻R的增大，电枢回路总电阻R=(R +R)增大,wa w电动机转速就降低。当负载一定时，随着串入的外接电阻

3、R的减小，电枢回路总电阻R=(R +R)减小，wa w电动机转速就升高。因此，使电压U和励磁电流If为额定值，在电枢电路中串联一个调速变阻器 Rw，改变Rw来改变电枢电路的电阻值以改变电枢电流la进行调节。1.2 改变电枢供电调速原理改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速，采用这种 调速方法，电动机应采用他励方式，保持励磁不变，只改变电枢电源电压进行调 速。1.3 改变励磁磁通调速原理当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。二、三种调速方法的比较与方案确定2.1串电阻调速（1）改变的参数：电枢电路串接变阻器Rw,减小电枢电流Ia。（2）特点：Rw越大，机械特性

4、越软，稳定性较差；向下调速，即只能在额定转速以下进 行比较平滑的调节；由于与电枢电流较大，Rw损耗的电能多，调速经济性差； 调速范围小；调速时励磁磁通不变，电动机允许通过的额定电流是一定的，在 各种转速下，电动机能输出相同的转矩，故是恒转矩调速。2.2改变电枢供电调速原理（1）改变参数：降低电枢电路电压特点：连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调 速，这种调速的问题在于一般只能在额定转速一下调节。电压降低后，机械 特性硬度不变，稳定性好；调速范围较大，可达（6-8）： 1，可均匀调节电 压实现平滑的无级调速：调速时磁通未变，而额定电流时一定的，故电动机 输出的转矩是一定

5、的，故为恒转矩调速。2.3 调磁调速(1) 改变参数励磁电路串接变阻器Rw,减小励磁电流if,减小磁通e。(2) 特点电动机的转速与磁通e (也就是励磁电流)成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩T是磁通e和电枢电流ei的乘积(即t=c e i)，电枢电流不变时，随着磁通e的减小，其转速升高，ae T a转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通e的减小，其 转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动 机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。结论：通过对直流电动机三种调速方法的分析与比较，我们在

6、此设计中选择 用调压调速的方法来实现对电动机的调速控制。第二章 直流电动机调速系统的整体方案、整体方案说明下图为自动控制调速系统原理图，由图知控制系统的任务是保持直流电动机 恒转速运行，系统的被控对象是直流电动机，被控量是直流电动机的转速，系统 的检测元件是测速发电机，系统的给定装置为给定电位器，其输出电压U作为系 统的参考输入；系统的偏差电压为 U。其是系统给定量与反馈量之差。工作原理：测速发电机测量电动机的转速，并将其转化为相应的电压Uf， 与给定电位器的输出电压Ug进行比较，得到偏差信号AU经放大装置放大后控 制电动机电压Ud,进行调压调速。我们确定的系统方案图如下：图2-1系统方案图由

7、上图可以看出本系统是由：给定系统、PI调节系统、触发装置、整流装 置、直流电动机、反馈装置组成。二、各个组成的作用1、给定装置是具有分压作用的滑动变阻器，用来调节电压而达到调节电枢 电压的效果。2、 详细PI调节系统是由转速调节器和电流调节器两个调节器组成。I. 转速调节器的作用：a、使转速n跟随给定值U的变化，稳态时无静差；b、对负载变化起抗扰作用；c、其输出限幅值决定最大电流。II. 电流调节器的作用：a、在转速调节过程中使电流跟随其给定电压变化，启动时保证获得 允许的最大电流；b、对电网电压波动及时抗扰作用；c、当电机过载，甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快 速安全保护作用，如

8、果故障消失，系统能够自动恢复正常。3、触发装置采用三相全控桥式双窄脉冲集成触发电路。本触发电路的要求可以有单窄和双窄两种触发方式，本触发采用双窄脉冲触 发就是在某一相晶闸管被触发时，触发电路同时能给前一个晶闸管补发脉冲这样 就可以保证晶闸管依次导通，虽然复杂，但可以减少触发电路的输出功率。4、整流电路采用的是三相桥式全控整流电路。他可以看成是由一组共阴接 法和一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。三相桥式全控整流电路多 用于直流电动机或实现有源逆变负载。为使负载电流连续平滑，有利于直流电动 机换相间减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感足够大的平波电 抗器，这样就等同于含有反电

9、动势的大电感负载。在整流电路中还有相关的保护电路，有过电压和过电流保护，过电压产生的 原因主要是供给的电功率或系统的储能发生激烈的变化，使得系统能量来不及转 换，或者系统中原来积聚的电磁能不能及时消散而造成的。过电压有两种类型： 外因有操作过电压和雷击过电压。内因有换相过电压和关断过电压。(5) 直流电动机选择能够满足参数的电动机，不使电动机有所损坏。(6) 反馈装置采用测速发电机。 测速发电机是一种测量转速元件，它将 输入的机械转速转换为电压信号输出，这就要求测速发电机的输出电压与转速成 正比，且对速度的变化反应灵敏。5、电动机6、具体电路型式和作用第三章调速系统结构图的设计一、转速、电流双

10、闭环调速系统的结构对整个方案的分析，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统 中设置转速调节器SAR、电流调节器ACR分别调节转速和电流。二者之间形成嵌 套连接；ASR的输出作为ACR的输入，而ACR的输出作为整流装置VT的控制信 号。从闭环结构上看，电流环在里面，叫做内环；转速换在外面，叫做外环。系统结构图如下：图3-1 系统结构图我们采用这个调节器的主要原因是：从控制角度来看，要实现上述的系统可以采用电流反馈来得到。然而采用同 一个调节器的入口转速负反馈和电流负反馈，则两方面互相牵制，启动电流波形 非但不理想，反而使静特性变软，影响了静态指标，经研究发现，如果在系统中 设置两个调节器

11、分别调节转速和电流，两者之间实行串级连接，即以转速调节器 的输出作为电流调节器的输入，用电流调节器的输出作为控制电压，那么两种调节就能互相配合，相辅相成。 在结构上，电流调节环在里面是内环；转速还在外面是外环；则形成了转速、 电流双环系统。双闭环直流调速系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需 加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数T oi 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环 节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一 个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

12、由测速发电机得到的转速反馈电 压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用T表示，根据和电流环一on样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为T的给定滤波环节。on图3-2双闭环直流调速系统动态结构图三、电流、转速环的分析3.1. 电流环分析电流环的给定信号是转速调节器ST的输出信号Ugi；电流环的反馈信号是电流 负反馈的信号Ufi=3Id,稳态时应有Ugi=Ufi=3Id或者Id = Ugi/3此式的含义是，在Ugi 一定的情况下，由于电流调节器LT的调节作用，输 出电流将保持在Ugi/3的数值上。也就是说，电网电压波动所引起的电流波动将 被有效地抑制。电流环的另一个作用是限制最大电流。由

13、于限幅的原因，ST的最大输出只 能是限幅值Ugim。在调节电流检测器的电位器，以确定电流反馈系数3时，应 使在电动机电流为最大允许Idm时，反馈信号Ufi=3Id等于Ugim，即Ugim=3Idm 或 3= Ugim /Idm在Ugim和I dm选定之后，就确定了电流反馈系数3。反过来，当Ugim和3确 定后，也就确定了电流Id的最大值Idm。另外，在系统启动过程中维持电动机的电流Id等于最大给定电流Idm，以加 快过渡过程。自此，我们可以得出电流环在双闭环调速系统中有以下作用：1、有效地抑制电网电压波动所引起的电流波动2、限制最大电流3、在系统启动过程中维持电动机的电流Id等于最大给定电流I

14、dm，以加快 过渡过程。3.2. 转速环分析转速环的给定信号Ugn，其反馈信号时转速负反馈信号Ufn=2n,稳态时有Ugn=Ufn=2n 或n二 Ugn/2此式的含义：当系统给定信号一定的情况下，靠转速调节其维持电动机的 转速恒定，使之不受负载扰动等影响。其调节过程如下：Id tAnn /f U=( Ugn-2n I ) 0Ugi It fUi=( -Ugi t +3Id) 0 ff| Uc |f Ud0 |f Id I调节过程中Ud0不断下降，最终有Ud0= IdmRE。这样可以得到静特性的下垂段。3.3. 双闭环直流调速系统的静特性分析分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握调节器在稳态的特征

15、。双环系统的 ST和LT采用的是PI调节器，而稳态时PI调节器的输入信号一定为零(PI调节 器不饱和)，所以稳态时不论是ST还是LT，其给定量和对应的反馈量都得相等， 使偏差为零。分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种 状况：饱和一输出达到限幅值，不饱和一输出未达到限幅值。当调节器饱和时， 输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出 饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调 节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压AU在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静 特性来

16、说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。(1)转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，(2-1)(22)(2-3)U *=U =axn =axnnn0U * = U = p x Iiid由第一个关系式可得：n = u* = na0从而得到图2.2所示静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和,U * U *可知I v I ，这就是说，CA段特性从理想空载状态的I =0 一直延续 iimd dmd到I = I。一般都是大于额定电流I的。这就是静特性的运行段，它是一条水 dm ddn平的特性。（2）转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值U *，转速外

17、环呈开环状态，转速的变化对系统 im不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：(2-4)dm其中，最大电流/dm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加 速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适 合于n n，则U U * ,ASR将退出饱和状态。00nn双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I *时表现为转速无静差，这时，转 dm速负反馈起主要的调节作用，但负载电流达到I时,对应于转速调节器的饱和输 dm出U *,这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差,得到过电流的 im自动保护这就是采用了两个PI调节器分别形成

18、内、外两个闭环的效果。然而， 实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都 略有很小的静差，见图2.2中虚线。nACA1 11 11 1I1B 、0I in图2.2双闭环直流调速系统的静特性第四章 双闭环直流调速系统的设计、主电路的设计晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图4-1所示:图4-1 V-M系统王电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图4-2所示：VTW山vt4vt6v i 2 d2图4-2三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT的控制电压U来移动脉冲的相位，即可改变平均整流c电压U，从而实现平滑调速。d主电路参

19、数计算U 二 2.34U cos ad2U 二 U 二 220V，取 a 二 0od NU 二 U X （11.2）二 220X 1.1V 二 114.9V2 2.34cos0o x 0.92.34 x 0.9其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。U I R220 17.5xl.2电动势系数 C4a = 0.1327V mm/ re nN1500平波电抗器L = 0.693L = 0.693 x 114.9 = 45.5mHr0.1x17.5d min其中 I 二（5% 10%）I，d minN这里取10%。_ U *=nm=竺=0.5717.5N

20、U *U *8B =im = im = 0.23I 212 X17.5dblN二、电流环设计从稳态性能来看，希望电流环实现电流无静差以获得理想的堵转特性；从动 态角度看，更注重电流环的跟随特性，即希望电流的超调量越小越好。综合考虑, 应把电流环校正成I型系统，而电流调节器ACR可采用PI调节器。含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图4-3所示：其中U *为电流给定电压，-0厶为电流负反馈电压，U为电力电子变换器的 idc控制电压。电流调节器参数选择：1. 确定时间常数1）三相桥式电路的平均失控时间为T = 0.0017s。s2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即T二0.002s。oi

21、3）电流环小时间常数之和T二T + T二0.0037s。Si s oi2. 选择电流调节器结构根据设计要求：稳态无静差,超调量& 5%，可按典型I型系统设计电路调i节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为:W(s) = Ki (：s +1)ACRT si电磁时间常数7；=吕=罟=0.04s。检查对电源电压的抗扰性能:T = 0）驚=1081，参照典型1型系统动态Si抗扰性能指标与参数的关系表格,可知各项指标都是可以接受的。3. 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：Ti=T = 0.04s。i电流环开环增益：要求b 5%时，应取KT二0.5iI SiK = =

22、. 213 5s .11i T 0 . 0 OS 3 7LlK t R 135.1x 0.04 x1.5ACR的比例系数为K= 1.41i K B 25 x 0.23s4. 检验近似条件电流环截至频率：二K二135.1s-1clI机电时间常数TGD 2 R3.922 x 1.5= 二30s 二 0.365sm 375CCm 375 x 0.1327 x 30 x 0.1327兀13T1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件=196.1s-13 x 0.0017 sci满足近似条件。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件=24.83s-1 w3 冷 TT 30.0017sx0.002scs oi

23、满足近似条件。5计算调节器电阻和电容由图3-4,按所用运算放大器取R 40kQ，各电阻和电容值为0R KR 1.41x40kQ 56.4kQ，取56kQii 0t 0 04 C F 0.714uF，取 0.75uFi R 56 x103iC 体4 x 0.002 F 0.2uF，取 0.2uF oi R40 x1030按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为b = 4.3% O30.0025cnon满足简化条件。5计算调节器电阻和电容取 R = 40kQ，则 R = K R = 0.79 x 40k0 二 31.6kQ，取 33kQ0nn 0C = =F = 1.5uF，取 1.5uF

24、n R33 x103nC =匚=4 x 0.0025 F = 0.25uF，取 0.3uF on R040 x 1036.校核转速超调量当h = 5时，b二37.6%，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况 n重新计算超调量。7. 按ASR退饱和重新计算超调量过载倍数九=dm = dbl = 2I IdN dN17.5 x 1.5b = 2(Cmax)(九z)许2 = 2x 81.2% x 2x 0.1327 x 0.0099 = 1.16% 8% n Cn* T15000.365bm能满足设计要求。第五章MATLAB仿真、使用普通限幅器进行仿真使用MATLAB的SIMULINK对双闭环调速

25、系统进行动态函数分析，其分析原理图如下:Scope图中ASR限幅值为：上限10下限-130ACR限幅值为：上限100下限-100图中直流电动机的参数、晶闸管整流装置的参数、转速反馈以及电流反馈系 数都是从设计要求中所得，而转速调节器ASR和电流调节器ACR是根据参数按 工程设计法设计出来的。具体计算方法见本报告的参数计算。在双闭环直流调速系统的MATLAB仿真中，电流调节器限幅相对来说比较 简单。只要给出合适的限幅值，采用任何一种限幅方式均不影响仿真结果，因为 电机在整个起动过程中，电流调节器一直处于不饱和状态。而转速调节器在电机 起动过程中，会经历不饱和、饱和及退饱和三个状态；转速调节器采用

26、不同限幅 方式，电机在突加阶跃给定空载起动时会得到不同的转速和电流波形。由以上原理图可得出仅在PI调节器的输出端简单加一限幅环节时的起动转 速波形和电流波形。图转速波形图电流波形从上图可以看出，起动时转速超调量较大，振荡次数多，起动时间较长。这 是因为速度调节器输出达到限幅值时，转速并未达到给定值，偏差均大于零，积 分部分的输出一直在增加，这就可能使积分部分的输出达到很大的值。当转速达 到期望值后，积分调节器的输出不能立即变小，而是需要经过一段时间使积分调 节器的输出恢复到开始限幅瞬间的数值。在这段时间内调节器暂时调节功能。此仿真并不能达到题设要求，为此必须对ASR和ACR进行改正。二、积分输

27、出加限幅环节仿真下图给出在积分输出和调节器输出后均加一限幅环节的Simulink仿真模型。在这一模型中，积分输出后，再加限幅环节，即积分环节和限幅环节分开。图中ASR限幅值为：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10 从以上的原理图可得出转速和电流波形如下:从以上图可以看出，采用这种限幅方式时，电机受到扰动后，转速回不到原 来的转速。这是由于电机起动时积分调节器的输出很快达到限幅值，由于输出的 超调很小，所以在整个起动过程中，积分调节器也没能退出饱和，使得PI的输 出一直保持在限幅值上。而当增加负载，

28、速度降低，偏差增加，PI调节器仍维 持在限幅值上，转速调节器不起作用。所以受到扰动后，电机的转速回落不到原 来的值。如果增加限幅值，又会使仿真结果如之前一样。为此须对积分环节再加以改变。三、使用积分带限幅的PI调节器仿真下图给出了积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型。图中不仅把PI调节 器的比例部分和积分部分分开，对PI调节器的输出设置上、下限幅，还要对积 分设置上、下限幅。而且这种积分是积分环节本身所带的。在Simulink环境下, 这种积分限幅的实现需要双击积分模块，在对话框中选中Limit output项，然后 设置上、下限幅。CD0(X11ASR积分限幅值为：上限10下限-1

29、0ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10由上图可知，转速超调量较少符合要求，但发现电流上升过快，且相应的调 节时间较长，而通过多次试验发现调节ASR的限幅值可以改变调节时间，但这 样将会使到最后电流过大。如下图：1600, She op*1“井国図上图中ASR限幅值为：上限40下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10加入负载后，转速，电流波形如下:上图中ASR限幅值为：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积

30、分限幅值为：上限10下限-10使用积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型的工作过程分三种情况：当 积分器未饱和和且比例加积分的和小于限幅值时，调节器表现为线性的PI调节 器；当积分输出未饱和而比例加积分的和大于限幅值时，调节器的输出等于限幅 值，积分器继续积分；当积分的输出达到本身的限幅值时，其输出便停止增长， 调节器的输出等于其限幅值。此时，如果输入信号改变极性，比例积分调节器是 从积分本身的限幅值开始退去饱和的。综上，使用积分带限幅的PI调节器能够获得最好的转速，电流波形。参考文献1 谭维瑜 电机与电气控制第二版机械工业出版社2010.102 韩权立 自动控制原理与应用西安电子科技

31、大学出版社2010.023 黄家善 电力电子技术机械工业出版社2010.74 于润伟MATLAB基础及应用第二版机械工业出版社 2008.06在本次毕业设计过程中，齐老师对该论文从选题，构思到最后定 稿的各个环节给予细心指引与教导，并且在我们设计过程中遇到各种 问题，都能耐心的予以指导，排除各种困难。使我们得以最终完成毕 业论文设计，在此表示衷心的感谢。另外在完成毕业设计的过程中， 还得到众多朋友的关心支持和帮助。此外在学习中，老师严谨的教学 态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及 侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。在此，谨向老师、同学和朋友致以衷心的感谢和崇高的敬意！最 后,我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答 辩的各位老师表示衷心的感谢！