带电流截至负反馈的直流调速系统

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运动控制原理实验报告——

带电流截止负反馈的直流调速系统

实验原理 ……………………………………………………………………………… 2

直流调速系统的分类和指标 …………………………………………… 2

带电流截至负反馈调速系统的静特性 ………………………………… 4

带电流截至负反馈调速系统的动态特性 ……………………………… 4

带电流截至负反馈调速系统的设计 …………………………………… 5

实验内容和过程 ……………………………………………………………………… 6

晶闸管—电动机系统的自然机械机械特性测试 …………………………6

系统控制单元整定 …………………………………………………………8

系统静态性能测试 …………………………………………………………9

系统动态性能测试 …………………………………………………………13

实验结论与体会………………………………………………………………………… 17

实验原理

1.直流调速系统的分类和指标

由于良好的起动制动性能和宽范围的平滑调速能力，直流电动机常被用于需要做快速正反向拖动的领域中。直流拖动系统的控制往往是通过控制转速来实现的，由直流电动的电动势平衡方程推出转速表达式 2 eadldCRIUn0

U为电枢电压 ,dlI为一定负载对应的电流,aR为电枢回路总电压

电枢励磁磁通 eC电机的电动势参数

可知直流电机有三种可用的调速方法，分别是调压（U）调速，弱磁（）调速和改变串入电阻（aR）调速。然而通过改变串入电阻阻值来调速不能实现无级调速，弱磁调速的调速范围又太小，所以直流调速系统常采用调压调速的方式。

对于一个建立好的直流调速系统，可以从调速范围（D），干扰造成的转速波动大小（静差率s）和调速系统的起动和制动时间这三个方面来衡量，这些参数有如下关系，

minmaxnnD

NNnnnsmin

其中Nn为直流电机的转速降落，是在电机负载从理想空载增加到额定值对应的转速降落，可以作为衡量直流电机机械特性硬度的参量。

调速范围和静差率两个概念也有密切的联系，同样的转速降落Nn下，调速范围越大，转速越低对应的静差率也会大一些,两者满足

)1(DnnDsNN

而真正衡量不同系统机械特性时我们用的是转速最低时的静差率，这是的静差率最难满足系统的性能指标。

本次实验使用的是晶闸管整流器-电动机调速系统的组合（MV),同样广泛使用的还有PWM-电动机的组合。常用的MV系统有开环直流调速系统，带转速反馈的闭环直流调速系统（根据转速调节器ASR的不同又分为比例和P比例积分PI调节），致力于解决过电流问题的带电流截止负反馈的直流调速系统（同样分为有差和无差）和能快速启动制动的双闭环直流调速系统。从开环系统到带转速反馈的调速系统，同样电机的转速降落大大减小，静差率减小，调速范围扩大，调节精度和系统抗干扰的能力增强，比例积分调节还消除了系统 3 的静态误差；从单闭环转速反馈系统到双闭环转速电流，直流电机可以实现最大恒流起动和制动。

V-M触发的电机调速系统

在转速负反馈控制的调速系统中突加给定电压，由于电机的惯性，转速不可能立即上升，反馈电压尚未建立时，转速调节器ASR的输入偏差电压很大，电枢电流会很快升到其最大值，此时电枢电流极易过流，在制动和堵转时，电枢电流也容易过流。为了限制电流，系统需要有自动限制电枢电流的环节，也就是电流截至环节

通过三相电流互感器取出电动机电枢回路的电流dI, 当dI大于临界截至电流dcrI,稳压管两端电压comU大于sdcrRI时，稳压管STV被击穿，电流负反馈加入，阻止电流的进一步上升。

利用稳压管产生比较电压

带电流截至负反馈的有静差调速系统的稳态结构图如下，电流较小时，iU=0，调速系统 4 只由转速负反馈调节，当comsdURI时，电流反馈电压comsdiURIU

电流反馈环节输入输出特性

2.带电流截至负反馈调速系统的静特性

带电流截至负反馈的闭环系统稳定结构图

带电流截至负反馈的闭环直流调速系统静特性分为2段

dcrdII 时，sR上的电压小于稳压管的击穿电压comU，电流反馈环没有接入，系统只受反馈转速环ASR控制，此时

)1()1(*KCRIKCUKKnedensp

dcrdII 时，稳压管被击穿，随即电流负反馈环节接入系统，进一步减小输入放大器的偏差电压，抑制了转速的进一步上升，效果上如同串入了一个阻值为sspRKK的大电阻并提高电枢电压，结果使系统的机械特性变软，堵转电流减小 5 )1()()1()(*KCIRKKRKCUUKKnedsspecomnsp

直流调速系统的机械特性如图

在电流较大时加入电流负反馈相当于在主回路中串入了一个值为sspRKK的大电阻，使系统的特性迅速下降，堵转电流大大减小。

此时的堵转电流为

scomnsspcomnspdbRUURKKRUUKKI**)( (RRKKssp)

实验中用到的直流调速系统属于有静差的调速系统。

3.带电流截至负反馈调速系统的设计

设备：直流他励电动机的参数(额定电压，电流，转速）

vUnom220 AInum1.1 rpmnnom1450

电枢回路电阻 22aR 平波电感电阻 12LR

整流电源电阻 12nR 晶闸管整流增益 135sK

调节器电阻 kRo22 稳压管稳压电压 VUw9.6

性能指标和要求： 最大给定电压 vUnm7||* 6 截至电流 AIInomdcr2.11.1

最大堵转电流 nomdblII4.1

调速范围 3D 静差率 %10s

根据性能指标计算P调节的电阻1R和电流截至反馈回路的电阻2R.

(1)计算额定速降

rpmsDsnnnomcl704.53)1(

(2)计算系统开环增益

07.61espclenomCKKnCRIK

(3)确定调节器比例系数

5.1)1(*nsnomenompUKRIKCnK

(4)在最大堵转点时利用运放的特性计算电阻

210*RUURURUwimctn kR331 kR2.62

(5)计算电流反馈系数

75.5dcrwIU

(6)计算转速反馈系数

165.0nUdn

实验内容和过程

1.晶闸管—电动机系统的自然机械机械特性测试

（1）连接晶闸管的直流电源—电动机系统主电路及负载（L=700MH,R=450,I=1A），负载电机励磁回路（R=900，I=0.5A） 7 （2）空载启动调节到空载转速0n（rmp1600~1500），加上负载将电机调整到额定工作点（aNI,Nn），在额定负载电流范围内测量出一条自然机械特性（5组数据）

空载点 额定点 N1 N2 N3

N4

转速n(min/r) 1537 1447 1510 1545 1574 1610

负载dlI(A) 0.11 1.05 0.8 0.7 0.6 0.5

端电压U(V) 224 236 239 241 243 244

（3）计算出电机的自然机械特性为

deddICRIUn159.4-1629.90

（4）利用端电压基本相等的N1~N4 和额定点绘制电机的一条自然机械曲线

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实验中负载电流较小的时候转速偏大，这是主要由于此时的电枢电压比理论值（220V）偏大，电机的机械特性曲线已经上移。随着电枢电流增大，转速增加，实验中得到的曲线与实验曲线越来越接近。

2.系统控制单元整定

（1）调试出满足系统要求的电流反馈强度

为了防止系统过流，电流负反馈环节发挥作用需有稳压管被击穿，dWIU此时的负载电流AIInomdcr1.11.1 ，dI取稍大于dcrI的1.2A ，因此

nomWIU2.1

稳压管击穿电压wU为6.9V，所以 单位为 AV，取5.75，同时由于电流截至环节产生电压的不是电阻而是稳压管，得物理意义不能理解为电阻。

通过调节电阻3pR可以调节，先将给定电压降低到额定的三分之一，再加负载使电枢 9 电流达到dcrI,调节3pR的阻值使电机转速刚好出现明显下降，这时的值就对应了实验所需的截至电压。

（2）确定截至稳压管的极性，连接电流反馈支路

确定稳压管的极性可以通过测稳压管正反接时的电阻，选择M级电阻，接入电流反馈端和主回路。

（3）按实现计算出的21RR，连接调节器和反馈回路

由堵转点时的运放特性得出

210*RUURURUwimctn kR331 kR2.62

（4）调试出合适的速度反馈强度

加入转速负反馈，将给定电压*nU设置到额定给定7V，再调节测速电阻和转速反馈电阻FR和0R,使电机的转速达到额定转速。

3.系统静态性能测试

（1）给定电压*nU为最大值时是转速调到最大，在NI1.1范围内测量出一条静特性（给出5组数据）

组数 1 2 3 4 5

转速n/rpm 1451 1467 1485 1492 1497

电枢电流dI/A 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4

转速反馈电nU/V 7 7 7 7 7

电枢电压dU/V 234 232 229 228 225

给定电压最大时系统理论上静特性方程应该为

dIn4.1591626.9