(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
转速负反馈单闭环有差直流调速系统
JIU JIANG UNIVERSITY电力电子技术课程设计题目转速负反馈单闭环有差直流调速系统院系电子工程学院专业自动化姓名王强年级电A113201(13)指导教师张波2014年 6 月电力电子技术课程设计摘要运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。
自动调速系统主要包括直流调速系统和交流调速系统。
在高性能的拖动技术领域中，相当长时间内基本采用直流电力拖动系统。
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，已满足工作机械的要求。
从机械特性上看就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和负载机械特性的的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。
本文以直流电动机为对象，对转速负反馈有差直流调速系统在单闭环控制下的情形，进行了深入的分析研究，并用计算机仿真工具MATLAB的Simulink工具箱对系统模型进行了仿真研究。
关键词：直流电机调速；单闭环；MATLAB仿真目录引言 (1)1 设计任务及要求 (2)1.1 设计任务 (2)1.2 设计要求 (2)2 设计方案论证 (3)3 设计电路的原理分析 (4)3.1 单闭环控制的直流调速系统的组成 (4)3.2 转速单闭环直流电机调速系统的静态分析 (5)3.3 反馈控制单闭环直流调速系统的动态分析 (7)3.4 转速负反馈单闭环有差直流调速系统原理 (8)4 转速负反馈单闭环有差直流调速系统的仿真模型 (9)4.1 转速负反馈单闭环有差直流调速系统的建模 (9)4.2 仿真模型使用模块提取的路径及其参数设置 (9)5 转速负反馈单闭环有差直流调速系统的仿真及分析 (11)5.1 转速负反馈单闭环有差直流调速系统的仿真 (11)5.2 转速负反馈单闭环有差直流调速系统的仿真结果分析 (11)结论 (12)参考文献 (13)转速负反馈单闭环有差直流调速系统引言三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代，以三相整流桥等整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
第三章 单闭环直流调速系统
2020年9月26日7时45分
23/12
University of Science and Technology Liaoning
博学明德 经世致用 勤奋向上 求实创新
U g1 的正脉冲比 负脉冲窄 ，
E Ud
id 始终为负。
制动状态的电压、电流波形
图3-5 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统
2020年9月26日7时45分
19/12
博学明德 经世致用
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勤奋向上 求实创新
3.1.2 直流PWM变换器-电动机系统
全控型电力电子器件问世以后，就出现了 采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式, 形 成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统， 简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速 系统。
VT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。
2020年9月26日7时45分
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轻载电动状态
id
1
0
t4
4
2 ton
VT1、VD2、VT2和VD1
四个管子轮流导通。
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一般电动状态
在 方一 向般示电于动图状3-5态(a中)中，）id。始终为正值（其正
在 id沿0≤图t<中ton的期回间路，1V流T通1导。通，VT2关断。电流 在 极管ton≤VtD<T2续期流间。，VT1关断，id沿回路2经二 VT1和VD2交替导通， VT2和VD1始终关断。
2.1转速负反馈有静差调速系统
由测速发电机引出与被调量转速成正比的负反馈电压 与给定电压（与给定转速对应）相比较，得到偏差电压 （为转速偏差信号），经放大器产生触发装置的控制电压， 从而控制电动机的转速。该系统用转速偏差信号进行调速， 产生自动纠正转速偏差的作用，从而减小了转速降落。
系统只有一个转速反馈环，为转速负反馈单闭环 调速系统。
静差率与机械特性硬度的区别
调压调速系统在 不同转速下的机械 特性互相平行 。 对于同样硬度的 特性，理想空载转 速越低时，静差率 越大，转速的相对 稳定度越差。
n n0a ∆ nNa
a n0b
∆ nNb b 0 O
TN
Te
举例
在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在 100r/min时同样降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min， 就占100%。
调速系统的静差率指标是以最低速时所能 达到的数值为准。也就是说系统的静差率 指的是最低速时的静差率。
调速范围、静差率和额定速降之间的关系
电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，系 统的静差率应该是最低速时的静差率，即
nN nN s n0 min nmin nN
于是，最低转速为
的。
4. 闭环控制系统的精度依赖于给定和反馈检测精度
如果给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无 法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电 压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精 度的给定稳压电源。
•检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系 统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。
6-4
触发电路
作用：是向晶闸管门极提供所需的触发信号，并能根据 控制要求使晶闸管可靠导通，实现整流装置的控制。
转速负反馈单闭环自动调速系统
的结果, 与注册会计师讨论风险问上题一和页下重一要页 返回
第一节 注册会计师与治理层的沟通
(２) 帮助注册会计师更好地了解被审计单位 及其环境。
在与治理层就计划的审计范围和时间安排进 行沟通时, 尤其是在治理层部分或全部成员 参与管理被审计单位的情况下, 注册会计师 需要保持职业谨慎, 避免损害审计的有效性。
晶闸管整流装置Ks=30,测速发电机PN=22KW，
UN=110V，IN=0.2A，nN=1880r/min,
设计要求稳态指标为调速范围D=10，静差率S≤0.05，
求：①额定负载时闭环系统稳态转速降Δn b与
开环系统稳态转速降Δn k
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全会计政策和财务报表披露的 判断。 针对会计实务重大方面的质量进行 开放性的、建设性的沟通, 可能包括评价重 大会计实务的可接受性。
２.审计工作中遇到的重大困难
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第一节 注册会计师与治理层的沟通
(３) 为获取充分、适当的审计证据需要付出 的努力远远超过预期;
4.2.2 系统静态特性分析与计算
3），当要求的静差率相同，且最高转速相同时，
闭环系统的调速范围D是开环系统的（1+K）倍。
即闭环系统可达到的最低转速要比开环系统小得多。
3，转速负反馈调速系统的稳态参数计算
例：某转速负反馈调速系统如图4-11，
已知直流电动机PN=2.5KW，UN=220V，
IN=15A，nN=1500r/min,电枢电阻R=2Ω,
§4.2 转速负反馈单闭环自动调速系统
4.2.1 系统组成及工作原理 4.2.2 系统静态特性分析计算 4.2.3 转速负反馈系统的抗扰动性能 4.2.4 单环控制调速系统的限流保护——电流
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运动控制实验报告
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。
转速负反馈单闭环直流调速系统
为负载电流。
传递函数
在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得 电压与电流间的传递函数
Id(s) 1/ R Ud0 (s) E(s) Tls 1
电流与电动势间的传递函数
E(s) R Id (s) IdL (s) Tms
动态结构图
Ud0
+
- E(s)
1/R Tl s+1
Id (s)
Id (s)
检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制 系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出 精度。
2.3.2 单闭环调速系统的动态分析
通过稳态性能的研究可知：引入转速负 反馈并使放大倍数 K 足够大，就可以减少稳 态速降，满足系统的稳态要求。但是放大系 数过大，会使闭环系统动态性能变差，甚至 造成不稳定，因此有必要对系统进行动态性 能的分析。
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
失控时间Ts的分析
u
2
O
ud
Ud01
t Ud02
O
Uc
Uc1
O
1
1
Ts
Uc2
t
2
2 t
O
t
图2.23 晶闸管触发与整流装置的失控时间
最大失控时间Tsmax的计算
显然，失控制时间是随机的，它的大小随发 生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是 两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频 率和整流电路形式有关，由下式确定
单闭环直流调速系统
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。
转速负反馈单闭环直流调速系统的
第三章
单闭环直流调速系统
转速负反馈调速系统的调节过程
第三章
结论：
单闭环直流调速系统
①转速负反馈自动调节过程依靠偏差电压 来进行调节；
②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； ③经转速负反馈调整稳定后的转速将低于原来的转速。
第三章
单闭环直流调速系统
第三章
单闭环直流调速系统
复习导入：
转速负反馈单闭环直流调速系统的结构电路图
第三章
单闭环直流调速系统
转速负反馈单闭环直流调速系统的工作原理： 通过调节给定电位器RP1，改变给定电压Ug，即可调 节直流电动机的转速。当Ug增大，转速n升高。其具 体调节过程如下：
Ug U Ug Ud n
当负载转矩减小时，闭环系统的自动调节过程又是怎样的？
第三章
单闭环直流调速系统
二、转速负反馈单闭环调速系统的工作原理
1．电动机内部自动调节过程
①此调节过程主要通过电动机内部电动势E的变化来 进行调节； ②调节过程是以转速的改变为前提，当负载发生变化
时，通过转速的改变，使其达到新的稳定状态。
第三章
单闭环直流调速系统
2．转速负反馈自动调节过程
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例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ks
Ud0 + _ E
1/Ce
n
Un
n
开环机械特性
闭环静特性
B
C
A
A’
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
O
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图2.19 闭环系统静特性和开环机械特性的关系
由此看来，闭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电枢电压， 以补偿电枢回路电阻压降。
运动控制系统
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组网 功率驱动装置 电动机
3. 开环系统机械特性 和闭环系统静特性的关系
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静 特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如
果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
nop
而闭环时的静特性可写成
n
Kp
KsU
* n
Ce (1 K)
— 转速反馈系数，（V·min/r）；
Ud0 — UPE的理想空载输出电压； R — 电枢回路总电阻。
+
U*n
Kp Ks
∆Un A Uct
+
GT
Un
n Ud0 IdR Ce
L
+
Id Ud0
+
M
n
+
Utg TG
采用转速负反馈的单闭环调速系统
转速负反馈单闭环调速系统静态结构图
由上述五个关系式可以得到转速负反馈单闭
生产机械
转速反馈
转速负反馈单闭环调速系统原理框图
1. 单闭环调速系统的组成
放大器
+
U*n
∆Un A Uct
+
GT
Un
L
+
Id Ud
+
Utg TG
+
M
n
测速 发电机
采用转速负反馈的单闭环调速系统
2. 转速负反馈单闭环调速系统的静特性
为分析闭环调速系统的稳态特性，先作如下 的假定：
（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；
4. 单闭环调速系统的基本特征
转速反馈单闭环调速系统是一种基本 的反馈控制系统，它具有以下三个基本特 征，也就是反馈控制的基本规律，各种不 另加其他调节器的基本反馈控制系统都服 从于这些规律。
(1) 具有比例放大器的单闭环系统存在静差 闭环系统的稳态速降为
ncl
RI d Ce (I
K)
只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不 可能实现的。因此，这样的调速系统叫做有 静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠
环调速系统静态结构图。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
a）只考虑给定作用时的闭环系统
n
K
p
K
sU
* n
Ce (1 K )
U*n
+
∆Un Kp Uc
Ks Ud0 1/Ce
n
- Un
b）只考虑扰动作用时的闭环系统
+
n RI d Ce (1 K )
-IdR E
和
sop
nop n0op
当 n0op =n0cl 时，
scl
sop 1 K
(3) 静差率一定时，闭环系统调速范围大大提高
如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速 静差率的要求相同，那么：
开环时，Dop
nnom s nop (1
s)
闭环时，Dcl
nnom s ncl (1
s)
再考虑Δnop和Δncl之间的关系，得
RId Ce (1 K)
n0cl
ncl
(1) 闭环系统机械特性的硬度大大提高
在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为
nop
RI d Ce
它们的关系是
和
ncl
RId Ce (1 K )
ncl
nop 1 K
(2) n0op=n0cl时，闭环系统静差率小许多
闭环系统和开环系统的静差率分别为
scl
ncl n0cl
（2）V-M系统工作在开环机械特性的连续段； （3）忽略控制电源和电位器的等效电阻。
各环节静态关系
电压比较环节 放大器
U n
U
* n
Un
Uct KpUn
电力电子变换器
Ud0 KsUct
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
n Ud0 IdR Ce
U n n
以上各关系式中
Kp — 放大器的电压放大系数； Ks — 电力电子变换器的电压放大系数；
被调量的偏差进行控制的。
(2) 闭环系统具有较强的抗干扰性能
调速系统的扰动源：
负载变化的扰动（使Id变化）； 交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）； 电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）； 放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）； 温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；
Dcl (1 K )Dop
(4) 给定电压相同时，闭环系统空载转速大大降低
n0cl
n0op 1 K
如要维持系统运行速度不变，需要闭环
系统的
U
* n
是开环系统的 (1+ K) 倍。
同时，前三项优点若要有效，也要有足 够大的K，因此必须设置放大器。
结论3：
闭环调速系统可以获得比开环调速系统 硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率 的要求下，能够提高调速范围，为此所需付 出的代价是，须增设电压放大器（控制器） 以及检测与反馈装置。
Δnop = 275 r/min， 但为了满足D = 20，s < 5%的调速要求，须
Δncl = 2.63 r/min，
由式：
ncl
nop 1 K
可得
K nop 1 275 1 103.6
ncl
2.63
代入已知参数，则得
Kp
K
Ks / Ce
103 .6 30 0.015 / 0.2
46
即只要放大器的放大系数等于或大于46， 闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。
n
+
1/Ce
- Ud0
Ks
Kp
静特性方程式
将给定输入和扰动输入下系统的静态方程叠 加，推导出整个系统的静特性方程式：
n
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
式中，K Kp Ks / Ce 为闭环系统的放大倍数。
注意：
闭环调速系统的静特性表示闭环系统电 动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关 系，它在形式上与开环机械特性相似，但本 质上却有很大不同，故定名为“静特性”， 以示区别。