1、 學號： 中州大學電機及拖動課程設計 題目：轉速負反饋的單閉環直流調速系統的設計 姓名： 專業：電氣自動化 班級： 指導老師：趙靜 2014年6月10號 摘要 該設計是轉速負反饋的單閉環直流調速系統，目前調速系統分為交流調速和直流調速系統，由于直流調速系統的調速范圍廣、靜差率小、穩定性好以及具有良好的動態性能，因此在相當長的時間內，高性能的調速系統幾乎都采用直流調速系統，為了提高直流調速系統的動靜態性能指標，通常采用閉環控制系統，對調速指標要求不高的場合，采用單閉環系統，按反饋的方式不同可分為轉速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環系統中，轉速負反饋單閉環使用較多。在設計中關鍵字： 轉速負反饋

2、 動態性能 The design speed negative feedback is single closed-loop dc speed regulating system, the current speed regulation system is divided into ac speed regulation and dc speed control system, due to the wide scope of speed control of dc speed regulating system, small static rate, good stability and

3、has a good dynamic performance, so in a long time, almost all high performance speed control system using dc speed regulating system, in order to improve the dynamic and static performance of dc speed regulating system, usually adopts closed loop control system, the control of motor speed index requ

4、irements is not high, the single closed loop system, according to the feedback in different ways can be divided into the speed feedback, current feedback, voltage feedback, etc.In a single closed-loop system, speed closed-loop used more negative feedback list.Using software in your design, for examp

5、le, the design of current loop and speed loop are simulated, through comparing the characteristics of the dc speed control syste 目錄摘要.Abstract.I1轉速負反饋單閉環直流調速系的電路.1 1.1單閉環直流調速系統原理.2 1.2調節器的設計.4 1.3 調節器的計算. 5 2轉速控制的要求和調速指標.6 2.1單閉環調速系統的調速范圍以及靜差率.5 2.2反饋控制規律.63轉速負反饋單閉環直流調速的特性分析.11 3.1靜態性能分析.9 3.2動態性能分析

6、.114電路設計.12 4 .1 觸發電路的選擇.135心得體會.146致謝詞.157參考文獻.16 1轉速負反饋單閉環直流調速系的電路 1.1單閉環直流調速系統原理. 根據本設計要求，設計的系統為轉速負反饋單閉環直流調速系統，其中轉速為負反饋量。轉速反饋閉環調速系統是一種基本的反饋控制系統，它具有三個基本特征。一、只用比例放大器的反饋控制系統，其被調量仍是有靜差的。二、反饋控制系統的作用是：抵抗擾動，服從給定。三、系統的精度依賴于給定和反饋檢測精度。根據自動控制原理，反饋控制的閉環系統是按被調量的偏差進行控制的系統，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。調速系統的轉速降落正是由負

7、載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環將使調速系統應該能夠大大減少轉速降落。 。 圖1-1-1 轉速負反饋單閉環直流調速系統的組成上圖1-1為帶轉速負反饋的閉環直流調速系統原理框圖。在反饋控制的閉環直流調速系統中，與電動機同軸安裝一臺測速發電機TG，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓nU，與給定電壓*nU相比較后，得到轉速偏差電壓nUD，經過放大器A，產生電力電子變換器UPE所需的控制電壓cU，用以控制電動機轉速n。圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓dU。電動機同軸安裝一臺測速發電機TG，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓nU，

8、與給定電壓*U相比較后，得到轉速偏轉電壓nUD，經過放大器A，產生電力電子變換器UPE所需的控制電壓CU，用以控制電動機的轉速，這就組成了反饋控制的閉環直流調速系統。對于中、小容量系統，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；對于較大容量的系統，可采用其他電力電子開關器件，如GTO、IGCT等；對于特大容量的系統，則常用晶閘管觸發與整流裝置。 1.2調節器的設計 在設計閉環調速系統時，常常會遇到動態穩定性與穩態性能指標發生矛盾的情況，這時，必須設計合適的動態校正裝置，用來改造系統，使它同時滿足動態穩定性和穩態性能指標兩方面的要求動態校正方法有很多種，而且對于一個系統來說，能夠符合

9、要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統中，最常用的是串聯校正和反饋校正，其中串聯校正比較簡單，也容易實現。對于帶電力電子變換器的直流閉環系統，由于其傳遞函數的階次較低，一般采用PID調節器的串聯校正方案就可以完成動態校正的任務。在設計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖，即開環對數頻率特性的漸近線，利用它可以確切地提供穩定性和穩定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環系統穩態和動態的性能。保留適當的穩定裕度，是考慮到實際系統各環節參數發生變化時不致使系統失去穩定。在一般情況下，穩定裕度也能間接反映系統動態過程的平衡性。穩定裕度大，意味著動態過程震蕩弱，超調小。在定性地分析閉環系統性能時，通

10、常從伯德圖的高，中，低三個頻段的特征可以判斷系統的性能，這些特征包括以下四個方面： （1）中頻段以dec20dB-的斜率穿越dB0線，而且這一斜率能覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統的穩定性好。（2）截止頻率wc越高，則系統的快速線越好。（3）低頻段的斜率陡，增益高，說明系統的穩態精度高。（4）高頻段衰減越快，則高頻特性負分貝值越低，這就說明系統抗高頻噪聲干擾的能力越強這四個方面是互相矛盾的，應根據實際需要，靈活的選取所需要的條件。對穩態精度要求很高時，常需要放大系數大，卻可能使系統不穩定；加上校正裝置后，系統穩定了，又可能使犧牲快速性；提高截止頻率可以姜塊系統的響應，又容易引入高頻干擾。設計時往往須

11、用多種手段，反復湊試。具體設計時，首先進行總體設計，選擇基本部件，按穩態性能指標計算參數，形成基本的閉環調速系統。如果閉環調速系統不穩定或者動態性能不好，就必須配置合適的動態校正裝置，使校正后的系統全面滿足所要求的性能指標 為了滿足系統要求的靜特性良好的要求，需要選擇合適的調節器。采用比例放大器控制的直流調速系統，可使系統穩定，并有一定的穩定裕度，同時還能滿足一定的穩態精度指標。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環調速系統是有靜差的調速系統。采用積分調節器，當轉速在穩態時達到與給定轉速一致，系統仍有控制信號，保持系統穩定運行，實現無靜差調速。而比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規律的優點，又

12、克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩態偏差。 圖1-2 圖比例積分調節線路圖上圖中的PI調節器原理圖上可以看出，突加輸入信號時，由于電容1C兩端電壓不能突變，相當于兩端瞬間短路，在運算放大器反饋回路中只剩下電阻1R，等效于一個放大系數為piK的比例調節器，在輸出端立即呈現電壓inpiUK，實現快速控制，發揮了比例控制的長處。此后，隨著電容1C被充電，輸出電壓exU開始積分，其數值不斷增長，直到穩態。穩態時，1C兩端電壓等于exU，1R已不起作用，又和積分調節器一樣了，這時又能發揮積分控制的優點，實現了穩態無靜差。由此可見，比例積分控制綜合了比例

13、和積分控制兩種規律的優點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩態誤差。1.3 調節器的計算已知系統為不穩定的。設計PI調節器，使系統能在保證穩定性能要求下穩定運行。原始系統的開環傳遞函數為又，因此分母中的二次項可以分解為兩個一次項之積。即又閉環系統的開環放大系數取為于是，原始閉環系統的開環傳遞函數為 三個轉折頻率為 2轉速控制的要求和調速指標.2.1單閉環調速系統的調速范圍以及靜差率 任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。歸納起來，對于調速系統的轉速控制要求有以下三個方面：1）調速在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分

14、檔地（有級）或平滑地（無級）調節轉速；2）穩速以一定的精度在所需轉速上穩定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量；3）加、減速頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起制動盡量平穩。為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調速指標，叫“調速范圍”和“靜差率”。這兩個指標合稱調速系統的穩態性能指標。 1調速范圍生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即其中maxn和minn一般都指電機額定負載時的最高和最低轉速，對于少數負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的最高和最低轉速 2靜差率當系

15、統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落NnD，與理想空載轉速0n之比，稱作靜差率s,即或者用百分號表示顯然，靜差率是用來衡量調速系統在負載變化時轉速的穩定度的，它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩定度就越高。2.2反饋控制規律 顯然，靜差率是用來衡量調速系統在負載變化時轉速的穩定度的，它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩定度就越高。 1被調量有靜差從原理圖1-1中分析可以看出，由于采用了比例放大器，閉環系統的開環放大系數K值越大，系統的穩態性能越好。然而，只要所設置的放大器僅僅是一個比例放大器，即pK=常數，穩態速差就只能減小，卻

16、不可能消除。因為閉環系統的穩能的。因此，這樣的調速系統叫做有靜差調速系統。實際上，這種系統正是依靠被調量的偏差進行控制的。 2抵抗擾動,服從給定反饋控制系統具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。擾動除給定信號外，作用在控制系統各環節上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。調速系統的擾動源有：1）負載變化的擾動（使dI變化）。2）交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）。 3）電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce變化）。 4）放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）。 5）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）。 6）檢測誤

17、差的擾動（使a變化）。3系統的精度依賴于給定和反饋檢測的精度給定精度由于給定決定系統輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產生給定電壓的電源發生波動，反饋控制系統無法鑒別是對給定電壓的正常調節還是不應有的電壓波動。因此，高精度的調速系統必須有更高精度的給定穩壓電源。檢測精度反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統無法克服的，因此檢測精度決定了系統輸出精度 3轉速負反饋單閉環直流調速的特性分析3.1靜態性能分析 開環調速系統存在的問題：至少有靜態穩態誤差（沒有討論跟隨性能，抗擾性能等） 為了解決各種指標之間的矛盾，以滿足較高的調速指標要求，故采用閉環控制. 即采用：引入被調量轉速的負反饋，如圖所示 圖

18、3-1：引入被調量轉速的負反饋靜態性方程：表示系統靜態的各量之間的關系分析：定性分析，定量計算為突出主要矛盾，先做下如下假定：（1） 忽略各種非線性因素，各環節的輸出關系都是線性的；（2） 由可控直流電源供電的直流電動機的電樞電流時連續的（由電力電子技術可知，不連續時一般使得機械特性變為非線性）；（3） 忽略提供電壓的直流電源的負載效應（4） 電機磁通為常數額定勵磁條件下定義新的常數電動勢轉速比和電磁轉矩比為各環節的靜態輸入輸出關系：電機的開環機械特性： 電壓比較環節： 控制器： 可控直流電源： 圖3-1-1轉速反饋單閉環系統靜態結構開環系統特性與閉環系統靜態悉比較： 圖3-1-2開環系統特性

19、與閉環系統靜態悉比較結論：閉環系統可以獲得比開環系統硬的 多的靜態特性，在滿足一定靜差率的要求下，閉環系統大大提高了調速范圍，但是閉環系統必須設置檢測裝置和電壓放器3.2動態性能分析 4電路設計4.1觸發電路的選擇晶閘管觸發電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發電路應滿足下列要求：1) 觸發脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，對感性和反電動勢負載的變流器 應采用寬脈沖或脈沖列觸發，對變流器的起動、雙星形帶平衡電抗器電路的觸發脈沖應寬于30o，三相全控橋式電路應采用寬于60o或采用相隔60o的雙窄脈沖。2) 觸發脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈

20、沖電流的幅度應增大為器件最大觸發電流的倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達。 3) 所提供的觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發區域之內。4) 應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。晶閘管可控整流電路就是通過控制觸發角的大小，即控制觸發脈沖起始相位來控制輸出電壓大小，晶閘管的導通控制信號由觸發電路提供，觸發電路的類型按組成器件分為：單結晶體管觸發電路、晶體管觸發電路、集成觸發電路和計算機數字觸發電路等。其中集成觸發器的可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便，連線簡單，故在此設計中使用集成觸發器KJ004。6.1.2 KJ004的介

21、紹KJ004是一種雙列直插式集成電路，適用于單相、三相全控橋式晶閘管電力電子設備中作晶閘管的雙路脈沖觸發，應用廣泛，KJ004的基本設計特點有： 1）KJ004能夠輸出相位互差180的移相脈沖，可以方便的構成全橋式晶閘管觸發器線路，剛好滿足設計要求；2） KJ004負載能力大，移相范圍好，正負半周脈沖相位均衡性好； 3）KJ004移相范圍寬，對同步電壓要求低，有脈沖列調制輸出端等功能與特點。KJ004內部結構見圖2所示，由圖可見，該電路是由同步監測電路、鋸齒波形成電路、偏移電路、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路組成。其工作原理：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RP1流出的充電

22、電流和積分電容C1的取值，對于不同的偏移相位控制電壓Vk，只要改變權電阻R1、R2的比例，調節相應的偏移電壓VP，同時調節整個鋸齒波斜率電位器RP1，便可以在不同的移相控制電壓時獲得整個移相范圍內的移相，KJ004觸發電路為正極性，即移相電壓增大，導通角增大。圖4.1 KJ004內部結構 心得體會 課程設計是培養學生綜合運用所學知識，發現、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環節，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。隨著科學技術的日新月異，轉速、電流單閉環直流調速在當今電機調速系統應用中已經成為不可缺少的一部分。在生活中運用相當廣泛。因此作為二十一世紀的大學生來說掌握這一技術是十分重要的。 回顧此次課程設計，我感慨頗多，從剛開始見到題不知如何下手，到抱著希望到圖書館找相應的資料，為了解決這一問題而在自習室里專注的努力吮吸著書中的知識，到后來本課程設計的大致脈絡成型，以及自己又經過數次的修改，最終，功夫不負有心人，苦盡而甘來，看著自己努力了許久終于有成果了，回想自己所付出的，心頭樂