电机控制课程设计报告.docx

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电机控制课程设计报告

电机控制课程设计

课程名称电机控制技术

院（系、部、中心）电力工程学院

专业电气工程及其自动化

班级

姓名

学号

指导教师

一、任务书…………………………………………….3

二、直流开环系统…………………………………….7

三、直流转速单闭环调速系统………………………..9

四、直流双闭环控制系统……………………………..14

五、心得体会…………………………………………..19

六、参考文献…………………………………………..19

课程设计任务书

课程名称电机控制技术

院（系、部、中心）电力工程学院

专业电气工程及其自动化

班级

起止日期2010-5-24——6-4

指导教师

1．课程设计应达到的目的

《电机控制技术》是电气工程及其自动化专业的专业课程，内容包括直流调速、交流调速的基本原理和控制方法。

本课程要求学生在掌握基本理论的基础上,逐步培养运用理论去分析解决现场实际问题的能力，而不是机械地仅仅掌握理论而已。

本课程设计正是为达到这一目的而设计的。

2．课程设计题目及要求

一．必做题

直流开环系统、直流转速单闭环调速系统及直流双闭环控制系统动态模型仿真研究。

1、仿真时间为10秒，具体仿真内容如下：

（1）起动

（2）3秒时加额定负载

（3）5秒时调速（速度自定）

2、要求获得的仿真波形有：

转速波形和电枢电流波形。

3、比较分析上述三种系统转速波形和电枢电流波形，验证课上讲授的理论。

二．选做题

带电流截止负反馈的单闭环系统仿真。

1、仿真时间为10秒，具体仿真内容如下：

（1）起动

（2）3秒时加额定负载

（3）5秒时调速（速度自定）

2、要求获得的仿真波形有：

转速波形和电枢电流波形。

3、比较分析上述三种系统转速波形和电枢电流波形，验证课上讲授的理论。

3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕

课程设计任务：

（1）审题、选题

（2）系统原理、结构框图的设计

（3）系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序

（4）系统仿真结果分析及结论

（5）完整的设计报告

工作量的要求：

（1）必做题+任选题（一题），要完成3000字左右的报告，包括课程设计的原理和工作过程。

（2）要按照题目要求得出仿真模型及相关波形图。

（3）视选题难度、完成的过程报告、所建模型及方真结果而决定成绩。

4．主要参考文献

1、陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统.北京：

机械工业出版社，2003.7

2、电机学

3、电机拖动

5．课程设计进度安排

起止日期

工作内容

2010年5月24日

2010年5月25日

2010年5月26日

2010年5月27日

2010年5月28日

2010年5月31日

2010年6月1日

2010年6月2日

2010年6月3日

2010年6月4日

（1）审题、选题

（2）系统原理、结构框图的设计

（3）系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序

（4）系统仿真结果分析及结论

（5）完整的设计报告

（6）发送电子档设计报告

6．成绩考核办法

1、提问答辩

2、报告、程序及波形图

教研室审查意见：

教研室主任签字：

年月日

院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

年月日

一、直流开环系统动态模型仿真研究

1..1开环系统直流系统的介绍

在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反相联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接有给定电压产生。

如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而开环调速系统结构简单。

但是，在实际中许多需求无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率

1.2开环调速系统的结构原理图

1.忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入-输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段；

2.忽略控制电源和电位器的内阻。

开环调速系统中各环节的稳态关系如下：

电力电子变速器Ud0=KsUc

直流电动机n=（Ud0-IdR）/Ce

有上两式得到开环调系统的机械特性为

=

开环调速系统的稳态结构图如图1.1所示

图1.1开环调速系统的稳态结构图

1.3直流开环系统仿真各环节参数

（1）给定参数

直流电动机：

额定电压Un=220V，额定电流Idn=55A，额定转n=1000r/min，电动机电动系数Ce=0.192V*min/r。

假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44，滞后时间Ts=0.00167s。

电枢回路总电阻R=1.0欧姆，电枢回路电磁时间常数Tl=0.00167s，电力拖动系统机间常数Tm=0.075s。

转速反馈系数α=0.01V.min/r

对应额定转速时的给定电压U*n=10V。

（2）计算参数

=

=

（3）结构框图

（4）仿真图

1.4直流开环系统的分析

开环调节系统的优点是结构简单生产成本低，但静差率大。

二．直流单闭环系统动态模型仿真研究

2..1单闭环直流系统的介绍

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）。

对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统。

按反馈的方式不同分转速反馈，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。

2.2转速负反馈单闭环系统的组成

在本装置中，转速单闭环系统是将反映转速的电压信号，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，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，这就构成速度负反馈闭环系统。

点击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调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调解器换成PI调节。

这是当给定恒定时，闭环系统对速度变换器抑制作用，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。

图2.1采用转速负反馈的闭环调速系统

2.3转速负反馈单闭环系统稳态结构图

有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理的结构图表示，就得到了系统的稳态结构图。

图2.2转速负反馈闭环调速系统稳态结构图

电压比较环节：

放大器：

晶闸管整流与触发装置：

V—M系统开环机械特性：

测速发电机：

——放大器的电压放大系数；

——晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数；

α——测速反馈系数，单位为Vmin/r;

因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式

式中

为闭环系统的开环放大系数，这里是以

电动机环节的放大系数。

2.4转速负反馈单闭环系统真各环节参数

1给定参数

直流电动机：

额定电压Un=220V，额定电流Idn=55A，额定转n=1000r/min，电动机电动系数Ce=0.192V*min/r。

假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44，滞后时间常数Ts=0.00167s。

电枢回路总电阻R=1.0欧姆，电枢回路电磁时间常数Tl=0.00167s，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s。

转速反馈系数α=0.01V.min/r

对应额定转速时的给定电压U*n=10V。

（2）计算参数

=

=

=

α=0.01V.min/r

Kp=0.561/t=11.43

其中：

1．忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出都是线性的；

2．假定只工作在V——M系统开环机械特性的连续段；

3．忽略直流电源和电位器的内阻。

（3）结构框图

Kp=0.561/t=11.43

（4）仿真图

2．5单闭环直流调速系统分析

单闭环环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。

以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：

具有比例调节器的单闭环调速系统的基本性质，强调指出：

有静差系统的概念。

这种系统是以存在偏差为前提的，反馈环节只是检测偏差，减小偏差，而不能消除偏差，因此它是有静差调速系统。

三、直流双闭环系统动态模型仿真研究

3.1.双闭环直流调速系统的介绍

双闭环直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，如突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需求来控制动态过程的电流或转矩。

3.2双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制其实有能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调速器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

3.3双臂环直流调速系统的稳态结构图和动态结构图

首先要画出双臂环直流调速系统的稳态结构图

图3.2双闭环调速系统稳态结构

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然以传递函数或零点模型为基础的系统动态结构图。

双臂环直流调速系统的动态结构图如图3.3所示。

图中

和

分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流

显露出来。

图3.3双闭环调速系统动态结构图

3.4转速调节器的设计

（1）给定参数

直流电动机：

220V，136A，1460r/min，Ce=0.132V*min/r，

允许过载倍数1.5倍

晶闸管装置放大系数：

Ks=40

电枢回路总电阻：

R=0.5欧姆

时间常数：

Tl=0.03s，Tm=0.18s

电流反馈系数：

0.05V/A

转速反馈系数：

0.007V*min/r

转速超调量：

（2）计算参数

=

=

=

α=

β=

Kp=11.7

1/t=134.48

ASR采用PI调节器传递函数为

调速系统的开环传递函数

转速开环增益

（3）结构图

（4）仿真图

3.5双闭环直流调速系统的启动过程分析

设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想的起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探究它的起动过程。

由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，所以在动态过程中分电流上升阶段、恒流升速阶段及转速调节阶段。

双闭环直流调速启动过程有三个特点：

1.饱和非线性控制

当ASR饱和时，转速换开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差系统，而电流内环则表现为电流随动系统。

2.准时间最优控制

在恒流升速阶段，系统电流为允许最大值，并保持恒定，是系统最快起动，即在电流受限制条件下是系统最短时间内起动。

3.转速超调

由于PI调节器的特性，只有转速超调，即在转速调节阶段，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。

所以采用PI调节器的双臂环直流调速系统的转速动态响应必然有超调。

其中：

转速调节器的作用

（1）使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差。

（2）对负载变化其抗干扰作用。

（3）其输出限幅值决定允许的最大电压。

四、心得体会

本次课程设计对所学的内容加深理解，在设计中所遇问题经小组讨论得到了解决，有时会在图书馆或是在互联网上找所需求的资料对课程设计有很大的帮助。

五．文献参考

[1]黄忠霖．《自动控制原理的MATLAB实现》[M]．国防工业出版社.2007.2

[2]杜坤梅，李铁才.《电机控制技术》[M].哈尔滨工业大学出版社.2002.2

[3]李祖明，牛维扬.《电机学》[M].中国电力出版社.2005.9

[4]王划一．《自动控制原理》[M].国防工业出版社.2008.6