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直流电机调速系统的工程设计方法的探讨

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由式( 1) 可以画出这个系统的等效框图如图 2( b ) 所示. 它相当于 A ( S ) 和 B ( S ) 两个环节直 接串联起来构成反馈系统 , 而在信号输入端加一个环节 1 . 根据这个原理电流环可以改 B(S)
K0 画成如图 3 所示的形式. 时间常数环节 和 可以合在一起写成 1 + T FiS 1+ T 0 S 33
上式说明电流环变成等效的惯性环节后 , 它的等效时间常数 T ei = 4T ∀i , 而它的放大系数为 1 . 由于 T ∀i 之值通常只有 3 ~ 5 ms , 所以电流环的等效时间常数 T ei 之值一般是在 10 ~ 20
ms 之间 , 与机电时间常数相比它仍然可以看作是一个小时间常数的惯性环节 . 于是电机的 整个调速系统就可以简化成一个简单的速度环, 其框图结构如图 6( ) 所示 . 2. 2 速度环的优化处理 速度环 ( 即外环 ) 的处理方法和电流环 ( 即内环 ) 类似 , 因而可 以把图 6( ) 变换成图 6( b ) 所示的形式. 如果把两个小时间常数的惯性环节合在一起 , 即认为 1 式中 # 1 # ∀ 1+ T ei s 1+ T en s # 1 1 + T ens ( 7)
一个惯性环节
图2
框图的变换
图3
电流环的等效框图
图4
电流环的简化等效框图
i
如果选择调节器的参数, 使其积分时间常数 将变为 34
正好等于 T , 那么系统的开环传递函数
W0 ( s ) = K i 式中 K = K i # K # K 0 # .
1+
i
i
s
s
#
K K0 # = K 1 + T s 1 + T ∀i s
图1
直流电机调速系统框图
1. 1
电流环的组成 K 电流环由四个环节组成: 其中 代表电枢回路, 是一个惯性环节, T 为电枢回路 1+ T S
[ 收稿日期 ] 2002- 03- 04 [ 作者简介 ] 王华强 ( 1948- ) , 男 , 湖北荆门人 , 荆门职业技术学院机电系副教授 .
32
的电磁时间常数 , K 是此环节的放大系数 . 由于电枢回路中有平波电抗器 L 存在 , T 之值 比较大, 一般有几十甚至上百毫秒. 环节 K0 代表整流桥, K 0 是它的电压放大倍数 , 而 1 + T0S
电枢回路 ( 包括平波电抗器) 总电阻 R = 0. 055 ∋ , 总电感 L = 2 mH , 系统机电时间常数 Tm = 0. 098 s . 由三相 380 V 交流电源经桥式全控整流电路供电 , 整流桥电压放大倍数 K 0 = 82. 5, 电流反馈和速度反馈滤波环节时间常数分别为 T Fi = 1 ms , T Fn = 10 ms , 若电机最大 电流被限定在 150% I N , 此时电流反馈电压为 10 V , 电机额定速度下运行时的速度反馈电压 也是 10 V. 试设计优化的双闭环直流调速系统, 其中电流环按二阶优化设计, 而速度环按三 阶优化考虑. 解: 1. 系统各环节参数计算 ( 1) 直流电机参数计算 1 1 ( a) K = = = 18. 181 ∋ R 0. 055 ( b) T = ( c ) Ce& =
n
应满足
n
= 4T en = 4( T ei + T Fn ) . 而它的放大系数 K n 应为 Kn = Ti Tm = # 2# Kx 2T en # Ce& R ( 8)
在速度环的输入端也需要加一等效传递函数为 节器输入端的滤波环节的时间常数 T A 应为
1 的缓冲环节. 由此可以确定速度调 1+ 4T ens
要 ] 本文在 电子调节器优化 分析的基础上 , 全面讨 论了直流电机调速系统的工程设计方法 , 为
电机调速系统优化设计提供了理论依据 . [ 关键词 ] 直流电机 ; 调速系统 ; 设计 ; 优化处理 [ 中图分类号 ] TM302 [ 文 献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1008- 4657( 2002) 03- 0032- 008
i
1 + TFi s 这个缓冲环节的作用在于一方面用来补偿图 3 中等效环节 , 另一方面对输入信号加 一缓冲作用 1 , 以防止动态过程中出现过大的超调量, 使系统实现优化. 所以这个滤 1 + 4T ∀i s 1 1 1 # . 在实用上常用一个等效的惯性环节 1+ 4 T ∀i s 1 + T Fi s 1 + T Bs
i
= T ,则 Ki = T 2K ∃ 0 % ∀i ( 4)
当电流调节器的参数按上述原则选取时 , 电流环就具有二阶优化的特性. 当然闭环前面的等 1 + T Fi s 1 效环节 ( 见图 3) 还应另外在输入端加一适当滤波环节 1 + T s 来补偿 . Fi 如果希望把电流环节设计成三阶优化系统, 那么调节器的时间常数 小, 根据优化的条件
1 和一个速度反馈环节 , 其中 1+ T B S 1+ T FnS
TFn 为速度反馈回路的滤波时间常数,
R 为速度反馈系数. 环节 代表电机 ( 包括轴上 C e !Tm S
机械负载 ) 转动部分的惯性( 即惯性环节) , 其中 R 是它的等效电阻 , Ce 为电机的电势常数, Tm 是电机的机电时 间常数 . 在 速度 环的 输入端 往往 还加 有一 个给定 缓冲 ( 滤波 ) 环 节 1 , 其目的在于减少当给定突变时转速调节过程中可能出现的转速超调量 , T 为本环 A 1+ TA S 节中的滤波时间常数 . 如若转速给定信号不是直接输入速度调节器, 而是通过一个给定积分 器输入到速度调节器 , 则速度调节器的输入不会发生阶跃突变, 在这种情况下缓冲环节可以 省略 . 2 调速系统设计的优化处理 2. 1 电流环的优化处理 从图 1 中可以知道, 电流调节环不是一个简单的直接反馈系统 , 而是在反馈回路中有一 个惯性环节 . 为了分析方便起见, 首先得把这个非直接反馈系统转化为直接反馈系 1 + T Fi S 统. 非直接反馈系统框图如图 2( a ) 所示, 它的闭环传递函数为 A(S) 1 A ( S ) B ( S) W ( S ) = 1 + A ( S ) B ( S ) = B ( S ) # 1+ A ( S ) B ( S ) ( 1)
第 17 卷第 3 期 Vol. 17 No. 3
荆门职业技术学院学报 Journal of Jingmen Vocational Technical College
2002 年 5 月 M ay 2002
直流电机调速系统的工程设计方法的探讨
王华强
( 荆门职业技术学院 机 电系 , 湖北 荆门 [摘 448000)
i
1 s # ( 1+ T ∀i s )
( 3)
式( 3) 说明在系统中由于用比例积分环节补偿了惯性环节
1 , 系统变得相当于只 1+ T s
有一个积分环节和一个小时间常数的惯性环节相串联 . 这就构成了一个典型的二阶系统 . 如 果根据 i = 2K # = 2 ∃ % ∀i ( 式中 # 为惯性环节的时间常数, K 为系统的放大系数 ) 选取调节 器的放大倍数, 并考虑到
t T
) 和 x0
K t , 二者的变化曲线如图 5 所示. 将大惯性环节当作 T
积分环节处理, 这实际上是把惯性环节的过渡函数用 它在 t = 0 处的切线来代替 , 这两者之间的误差是随时 间 t 而增加的, 如系统的过渡过程时间小于 T , 那么惯 4
性环节当作积分环节处理 , 其误差不大, 可以认为基本 相等. 三阶优化系统的调节时间 tT = 13. 3T ∀i . 如果这 个时间小 于 T , 即当 T 4 % 50T ∀i 时 , 把大惯 性环 节
1 + TFi S
#
K0 K0 K0 ∀ ∀ 1 + T 0S 1+ ( T Fi + T 0 ) S 1+ T i S
i
( 2)
式中略去了小时间常数的高次项, 而用等效时间常数 T T
i
代表回路中各小时间常数之和 , 即
K = T Fi + T 0 . 于是系统又可简化成如图 4 所示的形式 . 这时环内有一个惯性环节 , 1+ T S K0 1+ i S 和一个 PI 调节器 K i ( ). 1+ T ∃ i S iS
T 0 为整流桥的等效时间常数 . 由于可控整流桥在一个晶闸管触发后到另一个晶闸管触发之 间有一个失控期 , 在这个失控期内整流桥对控制信号不能即时响应, 因而会出现时间上的滞 后现象, 近似的可用一个小时间常数 T 0 来表征 . 对于全控整流桥而言, 平均滞后时间 T 0 ∀ 2 ms ; 而对于半控桥一般取 T 0 ∀ 4 ms 左右 . 环节 为电流反馈回路的传递函数 , 为电 1 + T Fi S 流反馈系数, T Fi 为此回路的滤波时间常数. 一般说来这个时间常数也是选得很小的 , 通常只 有几毫秒. 环节 K i 1( 1 + TFns ) ∀ 1+ 4T ens 或 36 T A ∀ TFn + 4T en ∀ 4T ei + 5TFn ( 9)
图6
速度环的框图
3
直流电机调速系统工程设计举例 有一台直流电机, 其额定值为 P N = 150 kW , nN = 950 r mi n , UN = 440 V, I N = 350 A ,
波缓冲环节的传递函数应为
1 来代替, 即认为 1 = , 其中 T B = 4T ∀i + T Fi . 在加了这个滤波缓冲 1 + T B s ( 1 + 4T ∀i s ) ( 1+ TFi s ) 环节以后 , 整个电流环( 包括缓冲环节) 的传递函数将变为 W ( s) = 1 + 4T Fi s 1 + 4T ∀i s 1 # # 2 2 3 3 ( 1+ T ∀i ) ( 1+ T Fi s ) 1 + 4T ∀i s + 8T ∀i s + 8T ∀i s ∀ 1# 1 1 = 1 # 1 + 4T ∀i s 1+ T ei s ( 6)

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浅谈直流电机调速系统的设计

浅谈直流电机调速系统的设计

浅谈直流电机调速系统的设计摘要：本文主要论述直流电机调速系统的设计，分析了其原理、线路设计、控制电路的组成及各参数计算，并提出相关的技术措施。

关键词：电动机;线路设计;晶闸管;单片机abstract: this paper mainly discusses the design of dc motor speed control system, analyzes its principle, circuit design, control circuit and composition of the parameters calculation, and puts forward related technical measures.keywords: motor; circuit design; thyristor; single-chip microcomputer中图分类号：s611文献标识码：a 文章编号：0引言随着社会的不断进步，电器设备的发展，直流电机广泛用于各行业和民用的设备、仪器调速当中。

电力拖动是机械设备中的一个部分，其主要有三部分组成：电动机、自动控制设备、传动机构。

其中，自动控制设备指控制电动机转速的控制电气或控制电器组成的控制设备，本系统就属于这样的控制系统。

以前用滑差直流电机、调压稳压电源、模拟信号可控硅调速等，常常有调速不均匀、线路可靠性差、功耗大、调节范围小、调试困难等诸多问题，尤其是功率较大，百瓦以上的调速电路问题更大。

用单片机对本系统实现高效智能化的控制，不仅解决了上面的问题，还增加了速度数显、速度数字设置、精确稳速、定时运行和定时正反转、数据保存等功能。

1系统工作原理如图一所示，由交流电取的相位信号，为过交流电零点的窄脉冲，送入 cpu 中断。

调速输出端取电压信号通过 a/d 送入 cpu 的i/o 口。

cpu取得相位信号和速度检测信号，通过比较、计算后直接输出移相脉宽调制信号，控制驱动的输出，从而调整直流电机的速度。

直流电机调速系统的设计

直流电机调速系统的设计

直流电机调速系统的设计直流电机调速系统是控制直流电机转速的一个重要工程应用领域。

在很多工业领域中，直流电机的转速控制是非常重要的，因为直流电机的转速对于机械设备的运行效率和稳定性有着重要影响。

本文将详细介绍直流电机调速系统的设计原理和步骤。

一、直流电机调速系统的基本原理直流电机调速系统的基本原理是通过改变电机的电压和电流来控制电机的转速。

一般来说，直流电机的转速与电机的电压和负载有关，转速随电压增加而增加，转速随负载增加而减小。

因此，当我们需要调节直流电机的转速时，可以通过改变电机的电压和负载来实现。

二、直流电机调速系统的设计步骤1.确定设计要求：在设计直流电机调速系统之前，首先需要确定系统的设计要求，包括所需的转速范围、响应速度、控制精度和负载要求等。

这些设计要求将指导系统的设计和选择适当的控制器。

2.选择控制器：根据设计要求，选择适当的控制器。

常见的直流电机调速控制器有PID控制器、模糊控制器和自适应控制器等。

根据实际情况，选择最合适的控制器来实现转速调节。

3.选择传感器：为了实时监测电机的转速和位置，需要选择合适的传感器来进行测量。

常见的传感器有光电编码器、霍尔效应传感器和转速传感器等。

根据实际需求，选择合适的传感器进行安装和测量。

4.搭建电路：根据控制器的要求，搭建合适的电路来实现控制和测量功能。

通常需要安装电压和电流传感器来实时监测电机的电压和电流，并将测量结果反馈给控制器。

5.调试和测试：在电路搭建完成后，需要进行调试和测试来验证系统的性能。

首先调整控制器的参数，使得系统能够按照设计要求进行转速调节。

然后进行负载试验，测试系统在不同负载下的转速调节性能。

对系统进行调试和测试，可以发现问题并及时解决，确保系统能够正常工作。

6.性能优化：根据测试结果，对系统进行性能优化。

根据实际需求，调整控制器的参数和传感器的位置，改善系统的转速调节性能和响应速度。

优化后的系统将更好地满足设计要求。

三、直流电机调速系统的工程应用总结：本文详细介绍了直流电机调速系统的设计原理和步骤。

永磁无刷直流电机调速控制系统的设计研究

永磁无刷直流电机调速控制系统的设计研究

Internal Combustion Engine &Parts0引言随着人类工业社会的迅速发展，能源危机是21世纪各个国家所面临的重大危机，也是要实现可持续发展所必须解决的难题。

永磁无刷直流电机的发展历史可以追溯到上世纪四十年代，直到八十年代初期，在钕铁硼稀土这一永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生产力迅速提升，制造投入减小的影响，永磁无刷直流电机行业迎来了蓬勃发展。

近三十年来，随着科学研究的深入，永磁体性能得到了跃进式的提升，相应的电力电子器件的完善和蓬勃发展也促进了这一行业的迅猛发展。

永磁无刷直流电机控制系统研究方向与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科密切相关，相辅相成。

科学家们通过对其研究背景、研究意义、结构组成、工作原理、数学模型、硬件电路设计、软件设计等方面的深入研究，使得永磁无刷直流电机在拥有良好调速性能的情况下，机械换向和电刷等历史研究中出现的难点获得了解决，目前永磁无刷直流电机的用途遍布各行各业，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影，发展前景不可估量。

1研究背景与意义从上世纪四十年代至今，永磁无刷直流电机的发展在实际应用上与永磁材料的突破性研究，生产力迅速提升，制造投入减小，电力电子器件的迅猛发展息息相关，在理论研究上与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科的深入研究息息相关。

由于其所具有的大功率、大转矩、高速度、高性能、微型化和数字化等特点决定了该行业宽广的发展前景，也吸引了不少科研工作者的目光。

目前永磁无刷直流电机在各行各业都得到广泛的应用，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影。

基于上述原因，对永磁无刷直流电机的控制系统进行合理的、科学的、系统的研究探索是非常重要且必要的，这是现代工业发展和机电一体化所提出来的必须进行的挑战，这一研究具有深远的理论意义和实际应用价值，并且会给整个社会和相关行业带来巨大的经济效益。

直流电机闭环调速控制系统设计和实现

直流电机闭环调速控制系统设计和实现

实验报告直流电机闭环调速控制系统设计和实现班级:姓名:学号:时间:指导老师:2012年6月一、实验目的1．了解闭环调速控制系统的构成。

2．熟悉PID 控制规律，并且用算法实现。

二、实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块三、实验原理根据上述系统方框图，硬件线路图可设计如下，图中画“○”的线需用户自行接好。

上图中，控制机算机的“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流电机，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7 号中断，用作测速中断。

实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生 PMW 脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。

霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。

在参数给定情况下，经PID 运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。

系统定时器定时1ms，作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。

直流电机闭环调速控制系统实验的参考程序流程图如下：四、实验步骤1．参照图 6.1-3 的流程图，编写实验程序，编译、链接。

2．按图6.1-2 接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。

3．打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。

4．若不满意，改变参数：积分分离值Iband、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数 KDD 的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。

5．注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0 的状态应保持上次的状态。

当DOUT0 为1 时，直流电机将停止转动；当DOUT0 为0 时，直流电机将全速转动，如果长时间让直流电机全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0的排线拔掉或按系统复位键.五、心得体会此次实验是直流电机闭环调速控制系统的设计和实现，通过这次实验，让我了解了闭环调速控制系统的基本构成。