直流电动机转速电流双闭环调速系统设计

直流电动机调速系统课程设计

班级：电气0802

姓名：刘志勇

学号： 08140218

目录

第一章：设计内容 (2)

1.1设计内容： (2)

第二章：设计要求 (2)

2.1设计要求 (2)

2.2设计参数： (2)

第三章：双闭环直流调速系统设计 (3)

3.1转速、电流双闭环直流调速系统的成 (3)

3.2系统电路结构 (4)

3.3调节器的设计 (7)

第四章单闭环直流调速系统设计 (14)

4.1闭环系统调速的组成及其静特性 (14)

4.2 稳态参数计算 (16)

第五章相关原理图设计波形图 (19)

5.1.主电路图 (19)

5.2.控制电路图 (20)

第六章设计总结及参考文献 (23)

6.1设计总结 (23)

6.2 参考资料 (23)

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第一章：设计内容

1.1设计内容：

（1）根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统

（2）根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，使用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统

第二章：设计要求

2.1设计要求

2.1.1根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图

2.1.2直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量γ及GM、计算调节器参数、绘系统动态结构图

2.1.3设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图

2.1.4测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、电压电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。

2.2设计参数：

=1.8Ω

2.2.1电枢电阻R

a

电枢电感L

=9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35ms

a

2

2.2.2测速发电机参数：U

n =80V，n

N

=3000r/min，

P N =16W,I

N

=200mA，负载电阻R=400Ω

2.2.3PWM主电路：驱动频率f≥10kHz,R=2.7+1.8=4.5Ω2.2.4设计指标

转速电流双闭环直流调速系统：U*

n =5V，U

im

=5V，I

dm

=1.5I

N

，

σ

i ≤5%，σ

n

≤10%。

第三章：双闭环直流调速系统设计

3.1转速、电流双闭环直流调速系统的成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。

3

图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

3.2系统电路结构

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压U c为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

3.2.1稳态结构框图和静特性

4

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双闭环直流调速系统的稳态结构图

α—转速反馈系数; β —电流反馈系数

分析静特性的关键是掌握这样的PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：①饱和——输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。②不饱和——输出未达到限幅值。即PI 的作用使输入偏差电压U ∆在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：

（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都

是零，因此*0n

U n n α

==，而得到下图静特性的CA 段。 （2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值*

im U ，转速外环呈

开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时

*im

d dm U I I β==，从而得到下图静特性的AB 段。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷

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大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI 调节器”时，静特性的两段实际上都N 略有很小的静差，见图的虚线。

3.2.3 稳态参数的计算

双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 速反馈转系数

电流反馈系数

电动机的电动势常数

r /min 0071.0min/3000

8

.15.124⋅=⋅⨯-=

-=V r V Ce n

R I U

N

a

N N

r

V r V n U min/.0017.0min

/30005max *nm ===αA

V A

V I U /22.25.15.15dm *im =⨯==β