转速负反馈的单闭环直流调速系统的设计

【关键字】设计东北大学秦皇岛分校控制工程学院《自动控制系统》课程设计设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真学生：张海松专业：自动化班级学号：指导教师：王立夫设计时间：2012年6月27日东北大学秦皇岛分校控制工程学院《自动控制系统》课程设计任务书专业：自动化班级：509 学生姓名：设计题目：转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真一、设计实验条件实验设备：PC机二、设计任务直流电机额定电压，额定电枢电流，额定转速，电枢回路总电阻，电感，励磁电阻，励磁电感，互感，，允许过载倍数。

晶闸管装置放大系数：，时间常数：，设计要求：对转速环进行设计，并用Matlab仿真分析其设计结果。

目录绪论--------------------------------------------------------------------------------11.转速单闭环调速系统设计意义-----------------------------12.原系统的动态结构图及稳定性的分析-----------------------22.1 转速负反应单闭环控制系统组成-----------------------22.2 转速负反应单闭环控制系统的工作原理-----------------33.调节器的选择及设计-------------------------------------33.1调节器的选择- --------------------------------------33.2 PI调节器的设计--- ---------------------------------44.Mat lab仿真及结果分析----------------------------------74.1 simulink实现上述直流电机模型-----------------------74.2 参数设置并进行仿真---------------------------------74.3结果分析--------------------------------- ---------155.课设中遇到的问题--------------------------------------166.结束语- ---------------------------------------------17参考文献- ---------------------------------------------17转速单闭环直流电机调速系统设计与仿真绪论直流电动机由于调速性能好，启动、制动和过载转矩大，便于控制等特点，是许多高性能要求的生产机械的理想电动机。

带电流截止负反馈的转速单闭环可逆调速系统设计心得在设计带有电流截止负反馈的转速单闭环可逆调速系统时，我获得了一些有价值的心得。

这种系统通常用于电机控制，通过闭环反馈来实现对电机转速的精确控制。

首先，设计一个合适的电流截止负反馈环路非常重要。

电流截止是一种常用的控制策略，通过将电流与设定值进行比较，然后根据比较结果调整控制信号来实现对转速的控制。

在设计负反馈环路时，需要注意选择合适的比例和积分增益来实现稳定的控制。

其次，选择合适的转速控制策略也是至关重要的。

常见的转速控制策略包括PID 控制、模糊控制和神经网络控制等。

根据实际需求和系统特点，选择最适合的控制策略能够提高系统的控制性能和稳定性。

此外，设计合适的传感器和测量电路也是设计可逆调速系统的重要一环。

转速传感器的准确性对于精确控制转速至关重要。

在选择传感器时，需要考虑其测量范围、精度和响应速度等因素。

最后，合理设计控制回路，并对系统进行充分的仿真和实验。

通过仿真和实验可以验证设计的合理性和系统的性能。

在仿真和实验中，可以对系统进行各种工况的测试，以确保系统在各种条件下都能稳定工作。

总结起来，设计带有电流截止负反馈的转速单闭环可逆调速系统需要考虑多个因素，包括负反馈环路设计、转速控制策略选择、传感器选择和系统仿真与实验。

通过综合考虑这些因素，可以设计出高性能和稳定的转速控制系统。

带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统概要概述直流调速系统是现代工业中常见的一种控制系统，其主要作用是通过控制电机的转速来调节其输出的功率。

转速单闭环直流调速系统是其中一种常见的控制系统，它采用了带电流截至负反馈的技术，可以有效地提高系统的稳定性和响应速度。

系统结构转速单闭环直流调速系统主要由三部分组成：电机控制电路、转速测量电路和控制器。

其中电机控制电路用于控制电机的转速，转速测量电路用于测量电机的转速，控制器用于计算误差并发送控制信号到电机控制电路。

具体来说，电机控制电路包括电源、电机以及功率调节器等组件。

电源提供电流给电机，功率调节器则可以控制电流的大小和方向，从而实现对电机转速的控制。

转速测量电路主要用于测量电机的转速，它通常包括一些传感器和信号处理电路。

传感器可以检测电机转子的位置，信号处理电路则将传感器输出的信号转换为脉冲信号，供控制器使用。

控制器是这个系统的核心部件，它负责计算误差并发送控制信号到电机控制电路。

具体来说，控制器可以将目标转速和实际转速之间的差值作为误差，通过算法计算出电机电流的大小和方向，从而实现对电机转速的控制。

技术应用转速单闭环直流调速系统广泛应用于各种需要精确控制电机转速的场合，比如机床、风扇、电动机车、水泵等等。

用转速单闭环直流调速系统可以实现对电机的精确的控制，提高设备的工作效率和稳定性。

此外，带电流截至负反馈的技术也可以应用于其他类型的控制系统中，比如温度控制系统、光照控制系统等等。

它的优点是可以提高系统的稳定性和响应速度，从而提高设备的性能和可靠性。

转速单闭环直流调速系统是一种常见的控制系统，它采用了带电流截至负反馈的技术，可以实现对电机转速的精确控制。

该系统结构简单，应用广泛，可用于机床、风扇、电动机车、水泵等设备的控制。

此外，该技术也可以应用于其他类型的控制系统中，提高设备的性能和可靠性。

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计与仿真 一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、闭环直流调速系统稳态参数的计算 1）额定负载时的稳态速降应为：m i n/12.6min /)02.01(1002.03000)1(r r s D s n n N cl =-⨯⨯≤-=∆2）闭环系统应有的开环放大系数：计算电动机的电动势系数： r V r V n R I U C N a N N e min/071.0min/3000087.03.87220⋅=⋅⨯-=-=闭环系统额定速降为：min /97.106min /071.0087.03.87r r C R I n e N op =⨯==∆闭环系统的开环放大系数为：5.16112.697.1061=-≥-∆∆=clop n n K003.0/max max n ==n U α3）计算运算放大器的放大系数和参数 运算放大器放大系数K p 为:5.16/e p ≥=s K KC K α电枢回路的总电感为0.0032H电磁时间常数为037.0/l ==R L T 27/1l ==τK4)电流截止负反馈 四加电网扰动（第8s电压220→240）负载扰动给定值扰动五、将PI调节器参数改变1.电网扰动（第8s电压220→240）2.负载扰动3.给定值扰动转速、电流双闭环直流调速系统设计与仿真一、设计要求系统稳定并无静差 二、给定参数17,220,3000/min N N N P kw U V n r ===，I N =87.3A ，电枢回路电阻0.087a R =Ω，电感0.0032a L H =,励磁回路电阻181.5Ω,电动机的转动惯量20.76.J Kg m =三、电流调节器ACR 参数计算允许电流过载倍数λ=2；设调节器输入输出电压im nm **U U ==10V ，电力电子开关频率为f=l kHz ．首先计算电流反馈系数β和转速反馈系数α：06.0 I n im *==ββλU N U n nm *α= α=0.003s T 001.0s = ，电流环小时间常数为s T T T oi 002.0s i =+=∑电流调节器超前时间常数为s T K l i 015.0/1i ===τ 而对电流环开环增益局l K =250/5.0=∑i T ，于是ACR 的比例系数为：94.4/i l i ==s K R K K βτ 四、转速调节器ASR 参数计算 选中频段宽度h=5。

第十七单元 晶闸管直流调速系统第二节单闭环直流调速系统一.转速负反馈宜流调速系统转速负反馈直流调速系统的原理如图17-40所示。

转速负反馈直流调速系统由转速给左、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、 测速发电机TG 等组成。

直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。

经分圧器分圧取出与转速n 成正 比的转速反馈电压Ufn 0转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压A U=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入 端。

ASR 输出电圧作为触发器移相控制电压Uc,从而控制晶闸管变流器输出电压Udo 本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统.1. 转速负反馈调速系统工作原理及其静特性设系统在负载T L 时，电动机以给定转速nl 稳定运行，此时电枢电流为Idl,对应 转速反馈电圧为Ufnl,晶闸管变流器输出电压为Udi 。

当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下 降，则Ufn 也相应下降， 而转速给定电压Ugn 不变，A U=Ugn-Ufn 加。

转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角a 减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为：T L t — Id t — ld （R 》+Rd ） t I -*Ufn I U t — Uc t -* a | —Ud t -*n t 。

图17-41所示为闭坏系统静特性和开环机械特性的关系。

n亠 =H o + A//图17—41闭环系统静特性和开环机械特性的关系.图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。

假设当负载电流为Idl时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。

当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由丁•电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至&点，转速只能相应下降。

目录摘要 (2)1主电路的设计 (2)1.1变压器参数的设计与计算 (2)1.2平波电抗器参数的设计与计算 (3)1.3晶闸管元件参数的计算 (4)1.4保护电路的设计 (4)2反馈调速及控制系统 (5)2.1闭环调速控制系统 (5)2.2带电流截止负反馈闭环控制系统 (5)2.3调节器设定 (9)2.4控制及驱动电路设计 (10)3参数计算 (11)3.1基本参数计算 (11)3.2电流截止负反馈环节参数计算与设计 (13)3.3调节器的参数设计与计算 (14)3.4调节器串联校正设计 (17)4总电气图 (18)5心得体会 (20)参考资料 (20)带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统设计摘要直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。

在直流电动机中，带电流截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。

本次课设就带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统进行参数的设计。

1主电路的设计1.1变压器参数的设计与计算变压器副边电压采用如下公式进行计算： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=N sh Td I I CU A nU U U 2min max cos αβVU C I I U A n V U V U Nsh T d 110)105.05.09848.0(9.034.2122205.0105.0109.034.221,220222min max =⨯⨯-⨯⨯+==========则取已知αβ因此变压器的变比近似为：45.311038021===U U K 一次侧和二次侧电流I 1和I 2的计算 I 1=1.05×287×0.861/3.45=75A I 2=0.861×287=247A 变压器容量的计算S 1=m 1U 1I 1=3×380×75=85.5kVA S 2=m 2U 2I 2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S 1+S 2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA1.2平波电抗器参数的设计与计算U d =2.34U 2cos αU d =U N =220V, 取α=0° U 2=V U d 0171.9434.22200cos 34.2==I dmin =(5%-10%)I N ,这里取10% 则 L=0.693mH I U d 2308.375.171.00171.94693.0min 2=⨯⨯=⨯0067.0150010*===N nm n U α1.3晶闸管元件参数的计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压U DRM和反向重复峰值电压U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压。

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的设计和仿真1.设计原理带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统由速度反馈环和电流反馈环组成。

其基本原理是，通过测量电机驱动器的输出转速，并与给定的转速进行比较，从而产生误差信号。

误差信号经过比例、积分和微分三个环节进行处理后，作为电机驱动器的控制量，用于调节电机的输入电压。

具体的设计步骤如下：(1)确定电机的调速要求和性能指标，包括稳态误差、调速范围、动态响应时间等。

(2)根据电机的参数和特性曲线，确定理想的速度控制系统传递函数。

(3)选择合适的调节器类型和参数，并确定反馈信号的获取方式。

(4)设计速度环和电流环的控制回路，包括比例、积分和微分环节的参数设置。

(5)进行系统稳态和动态性能的仿真和分析。

2.仿真过程在进行仿真前，需要先确定电机的参数和特性曲线，并建立相应的数学模型。

然后，在Simulink等软件中搭建整个调速系统的模型。

具体步骤如下：(1)根据电机的特性曲线确定电机的传递函数模型，例如：Gs=1/(Js+B)其中，Gs为电机的机械转速传递函数，J为转动惯量，B为阻尼系数。

(2)设计速度环的控制回路，包括比例环节、积分环节和微分环节。

通常采用PID控制器，其传递函数为：Gc=Kp+Ki/s+Kd*s其中，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分环节的增益。

(3)设计电流环的控制回路，采用电流截止负反馈的方式。

电流环的控制器传递函数为：Gc=Kc*(1+s*Rf)其中，Kc为增益，Rf为电流截止反馈的滤波器。

(4)将速度环和电流环相连接，构成整个闭环控制系统。

(5)进行系统的仿真，观察系统的稳态和动态响应，并根据需要进行参数调整和优化。

3.仿真结果和分析根据以上步骤进行仿真后，可以得到系统的稳态和动态响应曲线。

通过观察和分析这些曲线，可以评估系统的性能和效果。

首先，可以通过误差曲线来评估系统的稳态性能，即在给定转速下是否存在稳态误差。

如果误差较大，需要调整PID控制器的参数来改善系统的稳定性。

浙江信息工程学校教案纸（1）施教日期2014 年12 月31 日星期三第19 周第1-2 教时步骤用时教师活动学生活动备注组织教学复习回顾新课导入新课讲授1分钟7分钟2分钟10分钟师生致礼、点名、检查学生学习准备情况、使学生集中注意力上课。

（组织教学贯彻于上课的始终）复习提出问题：1．直流电动机的调速方法有哪些？2．转速负反馈控制系统的工作原理。

（学生回答问题，教师补充说明）补充直流电动机调速控制第三节单闭环有静差直流调速系统一、转速负反馈晶闸管直流调速控制系统1.系统组成由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。

2.工作原理系统的自动调节过程：学生回答问题学生听课要求做好课堂笔记新课讲授25分钟电网波动负载波动速度负反馈的特点：1）该系统依据输入量之差来改变整流输出电压，以维持转速近似不变，故称该系统为有静差调速系统。

2）系统的开环放大倍数K越大，调节的静差精度就越高。

3）提高放大倍数K是减小转速降，扩大调速范围的有效措施。

受系统稳定性限制，不可能无限增大。

二、闭环速度控制系统的电流控制1.问题的提出：闭环速度控制是利用转速误差来限制电动机端电压，以达到稳定速度的目的。

因此只能限速不能限流，但在生产过程中电动机需要经常启动、制动。

另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况（如挖土机等）。

这些情况都会造成过流。

由于闭环系统的机械特性很硬，若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。

为此，对电动机的冲击电流必须加以限制。

2.引入电流负反馈限制冲击电流学生听课要求做好课堂笔记新课讲授课堂小结25分钟6分钟弊端：由于负反馈的作用在限制大的启动电流的同时，引起大的转速降，机械特性变软，不能满足一般调速系统的要求。