开环直流调速系统

§5-1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定一、 实验目的（1） 熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构（2） 掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法二、 实验原理晶闸管直流直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。

在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压U g 作为触发器的移相控制电压U ct ，改变U g 的大小α即可改变控制角，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。

实验系统的组成原理如图5-1所示。

1V L d三相电源输出A M A V G VT 4VT 1VT 3VT 5VT 6VT 2I 1给定触发电路正桥功放U f G 1K 1G 2K 2G 3K 3G 4K 4G 5K 5G 6K 6励磁电源I 2U 2R U ct图5-1 晶闸管直流调速实验系统原理图三、 实验内容（1）测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R 。

（2）测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L 。

（3）测定直流电机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD 2。

（4）测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td 。

（5）测定直流电动机电势常数C e 和转矩常数C M 。

（6）测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M 。

（7）测定晶闸管触发及整流装置特性U d =f (U ct )。

（8） 测定测速发电机特性U TG =f (n )。

四、 实验仿真晶闸管直流调速实验系统的原理如图5-1所示。

该系统由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。

图5-2是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。

下面介绍各部分建模与参数设置过程。

图5-2 晶闸管开环调速系统的仿真模型1.系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。

（1）主电路的建模和参数设置由图5-2可见，开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。

1.直流调速系统的动态指标对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快速性、动态误差等。

这对于提高产品质量和劳动生产率，保证系统安全运行是很有意义的。

（1）跟随指标：系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一般用最大超调量σ，超调时间t和震荡次数N三个指标来衡量，图s2.1是突加给定作用下的动态响应曲线。

最大超调量反映了系统的动态精度，超调量越小，则说明系统的过渡过程进行得平稳。

不同的调速系统对最大超调量的要求也不同。

一般调速系统σ可允许10%~35%；轧钢机中的初轧机要求小于10%，连轧机则要求小于2%~5%，；而在张力控制的卷曲机反映了系统的快速性。

系统（造纸机），则不允许有超调量。

调整时间ts为0.2s~0.5s，造纸机为0.3s。

振荡次数也反映了系统的例如，连轧机ts稳定性。

例如，磨床等普通机床允许震荡3次，龙门刨及轧机则允许振荡1次，而造纸机不允许有振荡。

图2.1突加给定作用下的动态响应曲线（2）抗扰指标：对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。

一般用最大动态速降Δnmax ，恢复时间tf和振荡次数N三个指标来衡量。

用图2.2是突加负载时的动态响应曲线。

最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳定性。

由于最大动态速降及扰动量的大小是有关的，因此必须同时注明扰动量的大小。

恢复时间反映了系统的抗扰动能力和快速性。

振荡次数N同样代表系统的稳定性及抗扰动能力图2.2突加负载时的动态响应曲线2.晶闸管电动机直流调速系统存在的问题图2.3 V-M系统的运行范围晶闸管整流器也有它的缺点。

首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

由半控整流电路构成的V-M 系统只允许单象限运行（图2.3a），全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行（图2.3b）。

实验三十三 电机速度开环控制和闭环控制（自动控制理论—检测技术综合实验）一、 实验原理1．直流电机速度的控制直流电机的速度控制可以采用电枢回路电压控制、励磁回路电流控制和电枢回路串电阻控制三种基本方法。

三种控制方式中，电枢电压控制方法应用最广，它用于额定转速以下的调速，而且效率较高。

本实验采用电枢控制方式，如图33-1所示。

本实验装置为一套小功率直流电机机组装置。

连接于被控制电机的输出轴的是一台发电机，发电机输出端接电阻负载，调节电阻负载即可调节被控制电机的输出负载。

发电机输出电压兼作被控电机速度反馈电压。

2． 开环控制和闭环控制由自动控制理论分析可知，负载的存在相当于在控制系统中加入了扰动。

扰动会导致输出（电机速度）偏离希望值。

闭环控制能有效地抑制扰动，稳定控制系统的输出。

闭环控制原理方框图如图33-2。

当积分环节串联在扰动作用的反馈通道（即扰动作用点之前）时，即成为针对阶跃扰动时的I 型系统，能消除阶跃信号扰动。

采用积分环节虽然能一定程度上消除系统的稳态误差，但是却对系统的动态性能（超调量、响应时间）和稳定性产生不利影响。

因此需要配合进行控制器的设计和校正（采用根轨迹设计方法或频域设计方法）。

E图33-1直流电机速度的电枢控制方式图33-2 直流电机速度的闭环控制原理方框图此外，在扰动可以测量的情况下，采用顺馈控制也能有效地对扰动引起的跟踪误差进行补偿，减轻反馈系统的负担，见图33-3。

图33-3 反馈＋顺馈控制方式消除扰动引起的误差式中： 为控制器传递函数，也是扰动输入时的反馈通道传递函数；)(11s G G =)(22s G G = 为被控对象（本实验中即被控直流电机）的传递函数；)(s G G c c = 为顺馈控制通道传递函数；R 为指令输入，即希望的电机速度；C 为输出被控量，即被控电机的输出速度；E 为系统的稳态误差；D 为系统的扰动输入，即电机的负载。

由扰动到输出的传递函数可知，扰动引起的稳态误差为D G G G G GE c R 212101)1(++−== （33-1） 当选择顺馈回路传递函数为 11G G c −= （33-2） 时，有00==R E ，即扰动对输出没有影响。

直流电动机调速器硬件设计论⽂题⽬：直流电动机调速器硬件设计专业：本科⽣：（签名）＿＿＿＿指导教师：（签名）＿＿＿＿直流电动机调速器硬件设计摘要直流电动机⼴泛应⽤于各种场合,为使机械设备以合理速度进⾏⼯作则需要对直流电机进⾏调速。

该实验中搭建了基于C8051F020单⽚机的转速单闭环调速系统，利⽤PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环PI控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对PI控制原理及其参数的确定进⾏更深的理解。

实验结果显⽰，控制8位PWM信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。

实验中使⽤霍尔元件进⾏电动机转速的检测、反馈。

期望转速则可通过功能按键给定。

当选择⽐例参数为0.08、积分参数为0.01时，电机转速可以在3秒左右达到稳定。

由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进⾏调速，达到预期效果。

关键字：直流电机， C8051F020，PWM，调速，数字式Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motor Major:Name: (Signature)＿＿＿＿Instructor: (Signature) ＿＿＿＿Hardware Design of Speed Regulator for DC motorAbstractThe dc motor is a widely used machine in various occasions.The speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 SCM.It used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI regulator.According to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit PWM.So the dc motor can accelerate or decelerate or reverse.In experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by key-press.With using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0.8 and I value as 0.01. At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as expected.Key words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital⽬录第⼀章绪论 (1)1.1直流调速系统发展概况 (1)1.2 国内外发展概况 (2)1.2.1 国内发展概况 (2)1.2.2 国外发展概况 (3)1.2.3 总结 (4)1.3 本课题研究⽬的及意义 (4)1.4 论⽂主要研究内容 (4)第⼆章直流电动机调速器⼯作原理 (6)2.1 直流电机调速⽅法及原理 (6)2.2直流电机PWM(脉宽调制)调速⼯作原理 (7)2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 (11)2.3.1 单闭环直流调速系统的组成 (11)2.3.2速度负反馈单闭环系统的静特性 (12)2.3.3转速负反馈单闭环系统的基本特征 (13)2.3.4转速负反馈单闭环系统的局限性 (14)2.4 采⽤PI调节器的单闭环⽆静差调速系统 (15)2.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理 (17)2.5.1原理框图 (17)2.5.2 数字式PI调节器设计原理 (18)第三章直流电动机调速器硬件设计 (20)3.1 系统硬件设计总体⽅案及框图 (20)3.1.1系统硬件设计总体⽅案 (20)3.1.2 总体框图 (20)3.2 系统硬件设计 (20)3.2.1 C8051F020单⽚机 (20)3.2.1.1 单⽚机简介 (20)3.2.1.2 使⽤可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号 (23) 3.2.1.3 单⽚机端⼝配置 (23)3.2.2主电路 (25)3.2.3 LED显⽰电路 (26)3.2.4 按键控制电路 (27)3.2.5 转速检测、反馈电路 (28)3.2.6 12V电源电路 (30)3.3硬件设计总结 (31)第四章实验运⾏结果及讨论 (32)4.1 实验条件及运⾏结果 (32)4.1.1 开环系统运⾏结果 (32)4.1.2 单闭环系统运⾏结果 (32)4.2 结果分析及讨论 (32)4.3 实验中遇到的问题及讨论 (33)结论 (34)致谢 (35)参考⽂献 (36)论⽂⼩结 (38)附录1 直流电动机调速器硬件设计电路图 (39)附录2 直流电动机控制系统程序清单 (42)附录3 硬件实物图 (57)第⼀章绪论1.1直流调速系统发展概况在现代⼯业中，电动机作为电能转换的传动装置被⼴泛应⽤于机械、冶⾦、⽯油化学、国防等⼯业部门中，随着对⽣产⼯艺、产品质量的要求不断提⾼和产量的增长，越来越多的⽣产机械要求能实现⾃动调速。

《交直流调速系统运行、维护与检修》课程标准电气工程系电气自动化技术教研室课程标准是学院依据专业人才培养方案课程设置，对课程培养目标、定位、课程教学内容、学时安排等作出规定的教育指导性文件。

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完成交、直流调速系统的运行、维护与检修等工作任务是保障企业正常生产的重要环节，因此，掌握交、直流调速系统的基本组成、工作原理、运行方式、维护方法、检修手段是本门课程的总体教学目标。

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三、课程教学设计思路本课程遵循学生职业能力培养的基本规律，以企业调研及邀请行业专家对专业所涵盖的职业岗位进行任务和职业能力分析，并以工作任务为引领确定本课程的结构，以职业能力为基础确定本课程的内容。

围绕掌握本专业职业能力来组织相应的知识、技能和素质等内容，设计相应的实践活动；采用“项目导向、任务驱动”、“能力递进”、“工学结合、校企合作”、“翻转课堂”等多种教学模式；教学实施过程中充分利用数字化教学资源及互联网教学平台，教学方法多样；在教学过程中注重培养学生安全文明生产的意识，增强其职业能力拓展的后劲，满足职业生涯发展需要。

一、复习：直流调速系统问题1-1：电机的分类？①发电机（其他能→电能）直流发电机交流发电机②电动机（电能→其他能）直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机）交流电动机：同步电动机异步电动机：鼠笼式绕线式：伺服电机旋转变压器控制电机自整角机力矩电机测速电机步进电机（反应式、永磁式、混合式）问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？①调速范围D=n max/n min=n nom/n min②静差率S=△n nom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。

③和负载匹配情况：一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。

问题1-3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势.*直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。

缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。

* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。

大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。

缺点：调速性能比直流电机差。

* 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场Φ-=e K IR U n 合和优缺点等方面进行比较. 哪些是有级调速？哪些是无级调速？直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。

根据直流电机的转速公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调速。

成绩电气控制与PLC课程设计说明书直流电机调速控制系统设计.Translate DC motor speed Control system design学生王杰学号学院班级信电工程学院13自动化专业名称电气工程及其自动化指导教师肖理庆2016年6月14日目录1 ××11.1 ××××××11.1.1 ××××错误!未定义书签。

1.1.2 ××××1……1.2 ××××××11.2.1 ××××8……2 ×××××82.1 ××××××102.1.1 ××××10……3 ×××××123.1 ××××××123.1.1 ××××12……参考文献13附录14附录114附录2141 直流电机调速控制系统模型1.1 直流调速系统的主导调速方法根据直流电动机的基础知识可知，直流电动机的电枢电压的平衡方程为：R I E U a +=式(1.1)公式中：U 为电枢电压；E 为电枢电动势；R I a 为电枢电流与电阻乘积。

由于电枢反电势为电路感应电动势，故：n C E φe =式(1.2)式中：e C 为电动势常数；φ为磁通势；n 为转速。

由此得到转速特性方程如下：φe a C R I U /)(n -=式(1.3)由式（1.3）可以看出,调节直流电动机的转速有以下三种方法：1.改变电枢回路的电阻R ——电枢回路串电阻调速。