转速负反馈单闭环直流调速系统汇总
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。
电压负反馈直流调速汇总
一. 概述1.1 调速的基本概念调速即速度控制，是指在传动系统中认为地或自动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。
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，从而改变它与工作机械特性的交点，改变电动机的稳定运转速度。
速度调节，可以通过手动给定信号并通过中间放大、保护等环节来实现。
电动机转速人为给定，不能自动纠正转速偏差的方式称为开环控制，在很多情况下还希望转速稳定，即转速不随负载及电网电压等外接扰动而变化。
此时电动机转速应能自动调节，即采用闭环控制，这样的系统称为闭环系统1.2调速的分类1.2.1 无级调速和有级调速无级调速，又称连续调速，是指电动机的转速可以平滑地调节。
其特点是：转速变化均匀，适应性强而且容易实现调速自动化，因此在工业中被广泛使用。
有级调速，又称间断调速或分级调速。
它的转速只有有限的几级，调速范围有限且不易实现调速自动化。
1.2.2 向上调速和向下调速电动机未作调速时的固有转速，即为电动机额定负载时的额定转速，也称为基本转速或基速。
一般地，在基速方向提高转速的调速称为向上调速。
反之为向下调速。
1.2.3 恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速：有很大一部分机械，其负载性质属于恒转矩类型，即在调速过程中不同的稳定速度下，电动机的转矩为常数。
如果选择的调速方法能使电磁转矩T为常数，则在恒转矩负载下，电机无论在高速或低速下运行，其发热情况始终是一致的。
这就使电动机容量能得到合理而充分的利用。
这种调速方法称为恒转矩调速，例如，当磁通一定时，调节电动机的电枢电压或电枢回路电阻的方法就属于恒转矩调速方法。
恒功率调速：具有恒功率特性的负载，是指在调速过程中负载功率P为常数，其负载转矩T=α/n （α为励磁调节系数），这种调速方法称为恒功率调速。
用恒功率调速方法去带动恒转矩负载是不合理的，在高速时会使电机过载。
1.3调速系统的静态指标调速范围：生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围。
闭环转速单闭环的直流调速系统
制
系 统 》
nN
nN s D(1 s)
1000 0.05 r / min 20 (1 0.05)
2.63r / min
课
件
由 上 例 可 以 看 出 ， 开 环 调 速 系 统 的 额 定 速 降 是 275
r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百
倍！
由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈 首页 控制的闭环调速系统来解决这个问题。
动 控 制 系
开环机械特性
： n Ud0 IdR Ce
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
nop
统 》 课 件
闭环时的静特性： 系统特性比较：
n
K
p
KsU
* n
Ce (1 K )
RId Ce (1
K)
n0cl
ncl
（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。
动
控
制 利用上述各环节的稳态关系式可以画出闭环系统的稳态结构图
系
统
》 课
- IdR
件
U*n + ∆Unn Kp Uc Kss Ud0 + E
1/Ce
n
- Un
首页
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结束
图2-2a 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
机械与材料学院
《
运
动 控
图2-2b 只考虑给定作
制 用 时的闭环系统
机械与材料学院
《 系统调节过程：
运
(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
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
直流调速系统单闭环
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
结论： 1. 单闭环有静差晶闸管直流调速系统的动态稳定性
单闭环直流调速系统 -- 一般概念
对主电路微分方程右侧在相同区间积分;有：
1
2
6623EidRLddtiddt
3
式中方括号内;
第一项平均值为：E = Cen = Cen ； 第二项平均值为：IdR ； 第三项平均值为：零;
单闭环直流调速系统 -- 一般概念
因此得到： 1.17U2cosCenIdR n1.17U2cosIdR
(1K) (1K)
1K
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
闭环系统特征方程即为：
T m T T ss3 T m (T T s)s2 T m T ss 1 0 1 K 1 K 1 K
应用劳斯稳定判据可以得到系统的动态稳定条件：
KTm(TTs )Ts2 TTs
式中右侧即为系统临界放大系数 Kcr ;
nminnmin nN(1s)
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
在假设忽略各种非线性因素等条件下;系统中各环节 的稳态关系为：
➢ 电压比较器 UnUn *Un
➢ 放大器 UcKpUn
➢ 晶闸管触发整流装置 ➢ 调速系统开环机械特性
➢ 测速发电机
Ud0KsUc nUd0 IdR
Id(s)
1 R (1)
Ud0(s)E(s) Ts1
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
电动机轴上转矩与转速之间的关系符合电气传动系统
运动方程：
GD 2 dn
T e T L C m I d C m I dL 375 dt
GD 2 R 1 dn I d I dL 375 C m R dt
电流转速单闭环直流调速系统课程设计汇总
皖西学院课程设计系别：机电系专业：09电气(电力拖动方向)学生姓名：课程设计题目：电流转速单闭环直流调速系统起迄日期: 11月5日~11月18日课程设计地点:指导教师:俞鹤一、摘要反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。
对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。
要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。
本文通过利用Matlab仿真平台设计单闭环直流调速系统，，包括单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理、对所设计系统的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink 仿真模型，验证所设计系统的性能。
关键词：稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差二、总体方案设计1、控制原理设计如下的原理图：图1、单闭环直流调速系统原理图根据设计要求，所设计的系统为单闭环直流调速系统，该系统的控制对象是直流电动机，被控对象是电动机的转速，晶闸管同步脉冲触发电路用来调节晶闸管的控制角，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，测速模块把测得的转速反馈到输入中。
采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。
本系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机和测速反馈组成。
图中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Uct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。
通过改变脉冲相位来改变三相全控整流的输出电压，达到控制电机转速的目的。
电动机的转速随着给定电压变化，即反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。
转速负反馈单闭环自动调速系统
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电
4.2.1 系统组成及工作原理
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电
4.2.1 系统组成及工作原理
2，工作原理 闭环反馈控制系统是按照被调量给定值与实际值 的偏差来进行控制的系统，只要被调量出现偏差， 系统自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由于 负载变化引起的转速偏差，自动调节过程如下：
2 带电流截止负反馈调速系统的稳态分析
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第44章.2电.工4测单量与工环厂输配控电和制安全用调电 速系统的限流保护— 电流截止负反馈
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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,
42转速负反馈单闭环自动调速系统421系统组成及工作原理422系统静态特性分析计算423转速负反馈系统的抗扰动性能424单环控制调速系统的限流保护电流截止负反馈目录退出返回上页下页第4章电工测量与工厂输配电和安全用电2421系统组成及工作原理11系统组成如图4411系统由他励直流电动机mm晶闸管相控整流器vv永磁式测速发电机tg比例运算放大器aa相控触发器gt等环节组成
从上分析可见，当负载增加时，闭环系统会自动 增加输出电磁转矩使转速自动稳定在给定值上，
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统
实验八带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统一、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方法及电流截止负反馈的整定。
(3)通过实验，加深理解负反馈原理及转速负反馈电流截止负反馈的在调速系统中的作用。
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)。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，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。
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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
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；
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）；
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成及静特性
转速给定
控制器
电网 功率驱动装置 电动机
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 Nhomakorabeas)闭环时，Dcl
nnom s ncl (1
s)
再考虑Δnop和Δncl之间的关系，得
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。
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
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)
（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；
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。
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。
— 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
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。
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