单闭环直流调速系统实验报告

个人资料整理仅限学习使用一. 实验原理直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采纳电枢电压控制电机的转速与方向。

功率放大器是电机调速系统中的重要零件，它的性能及价钱对系统都有重要的影响。

过去的功率放大器是采纳磁放大器、交磁放大机或可控硅 < 晶闸管）。

此刻基本上采纳晶体管功率放大器。

PWM 功率放大器与线性功率放大器对比，有功耗低、效率高，有益于战胜直流电机的静摩擦等长处。

PWM 调制与晶体管功率放大器的工作原理：1．PWM的工作原理图 1-1PWM 的控制电路上图所示为 SG3525 为中心的控制电路， SG3525 是美国 Silicon General 企业生产的专用。

PWM 控制集成芯片，其内部电路构造及各引脚如图1-2 所示，它采纳恒频脉宽调制控制方案，其内部包括有精细基准源、锯齿波振荡器、偏差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

调理Ur 的大小，在 A、 B 两头可输出两个幅度相等、频次相等、相位互相错开180 度、占空比可调的矩形波< 即 PWM 信号）。

它合用于各开关电源、斩波器的控制。

2.功放电路直流电机 PWM 输出的信号一般比较小，不可以直接去驱动直流电机，它一定经过功放后再接到直流电机的两头。

该实验装置中采纳直流15V 的直流电压功放电路驱动。

3.反应接口在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。

磁钢的下边中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感觉输出。

4．直流电机控制系统如图1-3 所示，由霍耳传感器将电机的速度变换成电信号，经数据收集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值依据一定的规律 < 往常为 PID）运算，而后经数据收集卡输出控制量，供履行器来控制电机的转速和方向。

图 1-2 SG3525 内部构造图 1-3直流电机控制系统5.PID 原理过程控制的基本观点过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。

转速单闭环可逆直流脉宽调速系统实验报告成都信息工程大学课程实验报告课程名称所在学院专业指导教师实验小组小组成员姓名成绩总评学号签名 2021年 2 月《电机拖动及运动控制系统I》课程实验报告实验名称实验地点指导老师一、实验目的 1. 掌握转速单闭环可逆直流脉宽调速系统的组成及主要单元部件的工作原理。

2. 掌握转速单闭环可逆直流脉宽调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。

二、实验项目 1、各控制单元的仿真调试。

2、开环机械特性n=f(Id)(n=1000r/min，n=500r/min) 的仿真测定 3、闭环静特性n=f(Id)(n=1000r/min，n=500r/min) 的仿真测定三、实验线路简图及基本操作步骤（一）基本单元特性仿真测试 1、三相桥式晶闸管整流单元转速单闭环可逆直流脉宽调速系统实验实验日期实验小组教师评阅 A B C D 22、ASR调节器的调整（调零和正负限幅值的调整）（二）开环机械特性n=f(Id)(n=1000r/min，n=500r/min) 的仿真测定四、数据记录及处理结果3n=1000r/min T2=200N.m alpha_deg=125 n=500r/min4(三)闭环静特性n=f(Id)(n=1000r/min，n=500r/min) 的仿真测定四、数据记录及处理结果 1、开环系统调试，观测电动机在全电压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化，系统（正转）开环机械特性测 n=1000r/minT2=200N.m alpha_deg=125 实验资料 Ia（A） n(r/min) T2(N.m) 1.75 -0.36 2.17 25.83 -5.13 31.97 54.20 -13.3 67.07 56.54 -17.6 69.97 1299 -12.7 1264.4 1259.6 46.37 53.07 1607.6 1654.7 1558.8 n=500r/min 实验资料 Ia（A） n(r/min)T2(N.m) 1.75 -0.36 2.17 25.83 -5.13 31.96 54.20 -13.3 67.07 55.54 -19.4 68.73 1193.8 1172.6 1154.9 -14.6 20.87 43.96 1477.3 1451.1 1429.2 2、闭环系统调试，系统（正转）闭环机械特性测 T2=200N.m n=500r/min 或n=1000r/min 5实验资料 Ia（A） n(r/min) T2(N.m) 1.75 -0.36 2.17 25.75 -5.11 31.86 28.33-5.64 35.06 54.15 -13.3 67.01 54.87 -13.7 67.90 56.67 -17.2 70.13 53.09 -24.1 65.69 五、思考题及考察为了防止上、下桥臂的直通，有人把上、下桥臂驱动信号死区时间调得很大，这样做行不行？为什么？您认为死区时间长短由哪些参数决定？答：不行。

单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告摘要：本文基于基本原理和方法，设计和仿真了一个单闭环直流调速系统。

首先介绍了直流电机调速的基本原理，然后根据系统要求，设计了控制系统的结构和参数，包括PID控制器的参数调整方法。

接下来使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，对系统的性能进行评估。

最后根据仿真结果对系统进行分析和总结，并提出了可能的改进方法。

关键词：直流电机调速、单闭环控制系统、PID控制器、仿真实验一、引言直流电机广泛应用于机械传动系统中，通过调节电机的电压和电流实现电机的调速。

在实际应用中，需要确保电机能够稳定运行，并满足给定的转速要求。

因此，设计一个高性能的直流调速系统至关重要。

本文基于单闭环控制系统的原理和方法，设计和仿真了一个直流调速系统。

首先介绍了直流电机调速的基本原理，然后根据系统要求，设计了控制系统的结构和参数，并采用PID控制器进行调节。

接着使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，并对系统的性能进行评估。

最后根据仿真结果对系统进行分析和总结，并提出了可能的改进方法。

二、直流电机调速的基本原理直流电机调速是通过调节电机的电压和电流实现的。

电压变化可以改变电机的转速，而电流变化可以改变电机的转矩。

因此，通过改变电机的电压和电流可以实现电机的调速。

三、控制系统设计和参数调整根据系统的要求，设计一个单闭环控制系统，包括传感器、控制器和执行器。

传感器用于测量电机的转速，并将信息传递给控制器。

控制器根据测量的转速和给定的转速进行比较，并调节电机的电压和电流。

执行器根据控制器的输出信号来控制电机的电压和电流。

在本实验中，采用PID控制器进行调节。

PID控制器的输出信号由比例项、积分项和微分项组成，可以根据需要对各项参数进行调整。

调整PID控制器的参数可以使用试错法、频率响应法等方法。

四、系统仿真实验使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，建立直流调速系统的模型，并对系统进行性能评估。

实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验7页目的1. 了解采用脉冲宽度调制控制单相半波可控整流电路的直流电机调速系统的性能、工作原理和结构特点。

2. 掌握直流电机无速度传感器和有速度传感器调速系统的控制原理和操作方法。

3. 了解欠速、超速等异常情况下对直流电机调速系统进行保护的方法。

实验设备本实验采用全数字化交流电机直流调速装置，配备了采用脉冲宽度调制控制单相半波可控整流电路的直流电机、直流电机调速器、速度传感器、控制器、操作面板等。

初始设置1. 将直流电机通电。

2. 调速装置上电，按下系统测试键，检查系统是否正常工作。

3. 调速装置上按下参数设定键，进入参数设定界面，设置本实验所需参数。

设置如下：转矩基数：2.0N·m调速范围：0～1500r/min转速比例：P=10制动时间：1s制动电压：60%控制器型号：无速度传感器控制实验步骤(1) 在实验 System 1 中选择无速度传感器控制，按“进入”键，进入控制界面。

(2) 在控制面板上调节电位器获得所需的转矩基数，在调节完后按“回车”键。

(3) 通过“+”键或“-”键调节实际转速与设定转速之间的差值，使控制器输出的调速信号使转速趋近于设定转速。

(4) 通过“SP”键进入设定转速设置的界面，设置所需的设定转速，设置完后按“回车”键。

(5) 按下启动键，由于原来的设定转速是0r/min，转速开始加速，和设定转速的差值开始减小，控制器的输出信号越来越大，快进电机的电流越来越大，快进电机的扭矩也逐渐增大。

(6) 当实际转速接近设定转速的时候，控制器输出的调速信号被减小，电机的电流和扭矩也被减小，实际转速和设定转速之间的差值也减小，直到实际转速即为设定转速。

(7) 在设定转速下按下停止键，电机开始制动，制动时间为系统设定的1s，制动电压为60%。

(8) 如未设定转速，快进（TA）维持不变，保持电机转子位置不变。

此时转子电势低而维持高转矩状态。

(9) 在设定转速下按下停车键，电机完全停止。

单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真一、实验目的1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。

2．通过改变比例系数K K 以及积分时间常数τ的值来研究K K 和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。

二、实验内容1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析三、实验要求建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。

四、实验原理图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。

转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。

在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。

当t=0时突加输入K in 时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到K ex (K )=K K K in ，实现了快速响应；随后K ex (K )按积分规律增长，K ex (K )=K K K in +(K /τ)K in 。

在K =K 1时，输入突降为0，K in =0，K ex (K )=(K 1/τ)K in ，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。

五、实验各环节的参数及K K和1/τ的参数的确定各环节的参数：直流电动机：额定电压K N=220V，额定电流K dN=55A,额定转速K N=1000r/min,电动机电动势系数K e= min/r。

假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数K s=44，滞后时间常数K s=。

电枢回路总电阻R=Ω，电枢回路电磁时间常数K l=电力拖动系统机电时间常数K m=。

实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的本实验旨在通过实验研究单闭环不可逆直流调速系统的基本原理、调速特性和调速方法，掌握闭环调速的基本思想和方法，熟悉DC电机的调速控制原理和方法。

二、实验原理在单闭环不可逆直流调速系统中，电机的速度调节采用PID控制方式，通过控制电机的电源电压来实现调速。

具体的原理如下：1.电机的动作原理：当电枢通电后，电枢周围会产生一个磁场，同时在电枢内产生一个磁场，这两个磁场互相作用产生力矩，从而将电枢带动转动。

2.电机的调速控制：通过改变电机的电源电压来实现对电机的调速控制，电源电压越高，电机的转速越快，电源电压越低，电机的转速越慢。

而电源电压的改变通常是通过PWM调制实现的。

3.PID算法：PID控制算法采用比例、积分、微分三种控制信号结合的方式实现对电机转速的控制。

比例控制用于实时调整电机转速，积分控制用于修正电机转速下降过程中的偏差，微分控制用于提高系统的动态响应速度。

三、实验步骤1.将实验电路图搭建好，并连接好电源、电机、PWM信号发生器等模块。

2.对电机进行标定：通过对电机的空载转速和负载转速进行测量，确定电机传动系数和最大负载系数。

3.进行调速实验：通过修改PWM信号发生器的占空比来改变输入电压，从而实现对电机速度的控制。

同时通过示波器和万用表实时对电流、转速、电压等参数进行测量与记录。

4.使用PID算法对电机进行调速控制，对比比例控制、积分控制、微分控制和PID控制四种方法的效果和优缺点。

四、实验结果与分析实验中我们对电机的标定得到了电机的传动系数约为0.0134，最大负载系数为0.39。

在进行调速实验时，我们可以明显地感受到PWM信号发生器占空比的改变会对电机的转速产生影响。

同时通过测量和记录不同占空比下的电流、转速、电压等参数，我们可以得到调速系统的调速特性曲线。

通过加入PID算法，我们可以明显地感受到PID控制的稳定性和动态性，相比其他三种控制方法，PID控制能够更快速地达到稳定状态，同时产生的超调也更小。

运动控制系统试验报告——单闭环直流调速系统学号:0504220110 姓名:杨娟一.实验目的:通过实验了解单闭环直流调速系统的结构和工作原理，通过系统调试深入领会系统的动静态特性， 并掌握控制系统的调试方法。

二.实验内容及结果:1) 转速负反馈的单闭环直流调速系统。

转速负反馈单闭环调速系统的静特性为:其中 为闭环系统的开环放大系数 要求输入信号U n *为阶跃信号，初值为0，终值为30，阶跃起始时刻为0时刻；负载电流为斜坡信号，斜率为1，起始时间为0，初始输出为0。

仿真时间不小于20秒。

设计转速调节器的参数，使得该闭环直流调速系统为有静差系统，理想空载转速为800r/min ，并计算其在I d =15时的闭环系统静态转速降落。

即n ocl=800r/min ，又图中给出了Ks=30，*n U =30V ，a=0.02，Ce=0.127，代入方程得到参数Kp=0.2419。

其结构图及仿真的静特性。

如下： n a 0.02XY GraphUn*R 3PID Controller 1PID Ks 30IdAdd 1/Ce1/0.127转速负反馈的单闭环直流调速系统的稳态结构图 转速负反馈单速度闭环调速系统的静特性 如图所示，电动机转速随着负载电流的增加线性下降，正好满足静特性方程的特点。

当负载电流 Id=15时，代入静特性方程得静态转速降落为Δn cl=165.4r/min2) 电压负反馈的单闭环直流调速系统电压负反馈单闭环调速系统的静特性为:其中K=γKpKs 为闭环系统的开环放大系数。

clcl ed e *ns p e s p e d *n s p Δn n K C RI K C U K K α/C K K C R I U K K n -=+-+=+-=0)1()1()1(es p C αK K K =eda e d pe e n s p C I RK C I RK C U K K n -+-+=)1()1(*输入信号参数与上面的一样，同时理想空载转速n ocl=800r/min ，又图中给出了Ks=30，*n U =30V ，γ=0.157，Ce=0.127，代入方程得到参数Kp=0.2419。

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。

实验二单闭环直流调速系统实验一、实验目的(1) 了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理(2) 掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。

(3) 认识闭环反馈控制系统的基本特性。

二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。

对调速指标要求不咼的场合，米用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。

按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。

在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压U Ct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。

电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P （比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI（比例积分）调节。

这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。

在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压U Ct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流” 的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。

电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。

同样，电流调节器若采用P （比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI（比例积分）调节。

当“给定” 恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。

•［相电源输出电流反馈与过流保护图5-7 转速单闭环系统原理图3速度■变换[2电源1)图5-8 电流单闭环系统原理图四、实验内容(1) 学习DJK01 “电源控制屏”的使用方法。