自动运动控制系统实训报告

双闭环控制的直流脉宽调速系统设计

一、实验目的：

（1）熟悉IGBT 直流调速系统的组成及其基本结构 （2）了解PWM 全桥直流调速系统的工作原理 （3）分析电流环与速度环在直流调速系统中的作用

二、实验器件：

（1）DGK01 电源控制屏

（2）DJK17 双闭环H 桥DC/DC变换直流调速系统 （3）DJK08可调电阻、电容箱 （4）DJK09 单相调压与可调负载 （5）D42 三相可调电阻

（6）DD03-2点击导轨、测速发电机及转速表 （7）DJ13-1直流发电机 （8）DJ15直流幷励电动机 （9）滑线变阻器 （10）数字存储示波器 （11）万用表

三、实验原理：

1、PWM 脉宽开环直流调速系统实验原理

在本实验中，整流装置的主电路是由4个IGBT 管构成的H 桥，控制电路由给定电压Ug 作为触发器的移向控制电压Uct ，改变Ug 的大小即可改变控制角α，从而获得可调的直流电压以满足实验要求。实

验系统的组成原理图如图3-1所示：

FU

图3-1 开环直流调速系统原理图

2、PWM 脉宽单闭环不可逆直流调速系统实验原理

为了提高直流调速系统的动态性能指标，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，而对条数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，在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

在本实验中，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，得到移向控制电压Uct ，用作控制整流桥的

“触发电路”，触发脉冲经功放后加到IGBT 的门极和源极之间，以改变PWM 的输出电压，这就构成了速度反馈闭环系统。点击的转速随给定电压变化，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，则需将调机器换成PI （比例积分）调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变换起到了抑制作用，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馈电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调机器”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 ，控制整流桥的“触发电路”，改变PWM 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机器的输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用P （比例）调节，对节约输入有稳态误差，要消除该误差，则需将调节器换成PI （比例积分）调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变换起到了抑制作用，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。单闭环系统原理图如图3-2、图3-3所示。

图3-2 转速单闭环系统原理图

图3-3 电流单闭环系统原理图

3、PWM 脉宽双闭环不可逆直流调速系统实验原理

本实验系统的主电路采用受限单极性PWM 控制方式，其中主电路由4个IGBT 管构成的H 桥，通过控制IGBT 的栅极电压，用以控制IGBT 的中断。受限单极性的控制方式是这样进行控制的：在图中，电机正转时，在VT 的栅极是将脉冲VT4的栅极施加高电平，VT1、VT4的栅极为低电平。四个快恢复二极管VD1到VD4用于续流。 电流调节器的电流反馈量是由主回路中的电流传感器取得的。速度反馈量取自反馈转速表输出的电压值。

本实验系统可设定不同的给定量、速度反馈量及电流反馈量，已完成开环、速度单闭环及双闭环的调速实验。

由于给定量Ug 恒为正，因此速度反馈量必须为负值，在需用到速度闭环时，必须检测速度发电机的输出电压的极性，在做双闭环实验时，必须将正端连接到面板T2端，负值端连接到面板的T1端，面板的转向选择开关改变，速度信号与T1、T2端的连线也相应改变。本实验系统原理框图如图3-4所示。

图3-4 双闭环H 桥DC/DC变换直流调速系统原理图

四、实验内容：

（1）调速系统参数和环节特性的测定 （2）控制单元调试

（3）观测并记录在电机正、反转时，H 桥四个桥臂开关器件的控制逻辑。

（4）观察并记录电枢回路电流I d 随给定电压Ug 、负载电阻R g 改变的波形。

（5）电机的正、反转机械特性n=f(I d ) 的测定。 （6）电机的正、反转机械特性n=f(Ug ) 的测定。 （7）系统动态特性观察。 （8）系统静态特性观察。

五、调速系统参数和环节特性的测定

为研究PWM 直流脉宽调速系统，须首先了解点数回路的总电阻R 、总电感L 、以及系统的电磁时间常数Td 与机电时间常数Tm ，这些参数均需通过实验手段来测定，具体方法如下： （1）电枢回路总电阻R 的测定

电枢回路的总电阻R 包括电机的电枢电阻Rd 。平波电抗器的直流电阻Rl 及整流装置的内阻Rn ，即 R=Ra+Rl+Rn

由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Ud0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法。

将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。和上S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud 在30%Ued-70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied-90%Ied范围内，读取电流表A 和电压表V2的数值为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为：

Ud0=I1R+U1

调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud 的条件下读取电流表、电压表的数值I2、U2，则 Ud0=I2R+U2

可得电枢回路总电阻：

R=（U2-U1）/（I1-I2） 如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得： Rn=（U2’-U1’）/（I1’-I2’） 则电机的电枢电阻为： Rn=R-RN

同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻R1 实验数据如下表4-1所示：

表4-1 电枢回路总电阻的测定

经计算得：

Rn=R-RN =24.17-7.69=16.48Ω (2)电枢回路电感L 的测定

电枢回路总电阻包括电机的电枢电感La 和整流变压器漏感Lb ，由于Lb 数值很小，可以忽略，故电枢回路的等效总电感为： L=La=Za 2-Ra 2/2πf

实验数据如下：

U =71.3v

I =0.417A Z =171.4

a a

经计算得：

L=La=Za 2-Ra 2/2πf =0.543

电感的数值可用交流伏安法测定。实验时应给电动机加额定励磁，并使电机堵转。

（3）直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD 2的测定 电力拖动系统的运动方程式为： T-Tz=(GD2/375)dn/dt

电机空载自由停车时，T=0，Tz=Tk，则运动方程式为： TK=-(GD2/375)dn/dt Tk 可由空载功率Pk （单位为W ）求出： Pk=Uala0-Ia02Ra TK=9.55Pk/n

电动机加额定励磁，将电机空载启动至稳定转速后，测量电枢 电压Ua 和电流Ia0，然后断开给定，用数字存储示波器记录 N=f（t ）曲线，即可求取某一转速时的TK 和dn/dt。由于空载转矩不是常数，可以以转速n 为基准选择若干个点，测出相应的TK 和dn/dt,以求得GD2的平均值。由于本实验装置的电机容量比较小，赢用此法测GD2时会有一定的误差。

实验数据如下表4-2所示：

表4-2 电枢回路电感L 的测定

经计算得：

Pk=Uala0-Ia02Ra=3.376 TK=9.55Pk/n=6.448 PK/n 所以：GD 2=14.5

（4）主电路电磁时间常数Td 的测定

采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td ，电枢回路突加给定电压时，电流Id 按指数规律上升： id=Id（1-e -t/td） 当t=Td时，有：

id=Id（1-e -1）=0.632Id

电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在50%-90%Ied范围内。然后保持Ug 不变，将给定的S2拨到接地位置，然后拨动给定S2从接地到正电压阶跃信号，用数字存储示波器记录id=f(t)的波形，在波形图上测量出当电流上升至稳定值的63.2%时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td 。

实验数据如下表4-3所示：

表4-3 主电路电磁时间常数Td 的测定

（5）电动机电势常数Ce 和转矩常数Cm 的测定

将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压Ud ，测得相应的n 即可由下式算出Ce ：

Ce=（Ud2-Ud1）/（n2-n1） 实验数据如下表4-4所示：

表4-4 电动机电势常数Ce 和转矩常数Cm 的测定

（6）系统电机时间常数Tm 的测定 系统的电机时间常数可由下式计算： Tm=（GD2R ）/（375CeCm φ2）

由于TM>>Td，也可以近似的把系统堪称是一阶惯性环节，即 N=KUd/（1+TmS）

当电枢突加给定电压时，转速N 将按指数规律上升，当N 到达稳态值得63.2%时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。 测试时电枢回路中附加电阻应全部切除，突然给电枢加电压，用数字存储示波器记录过度过程曲线n=f（t ），即可由此确定几点时间常数。

实验数据如下表4-5所示：

表4-5 系统电机时间常数Tm 的测定

（7）晶闸管出发及蒸馏装置特性Ud=f（Ug ）和测速发电机特性Utg=f（n ）的测定

电动机加额定励磁，逐渐层架触发电路的控制电压Ug ，分别读取对应的Ug 、Utg 、Ud 。N 的数值若干组，既可描绘出特性曲线得： Ks=ΔUd/ΔUg 实验数据如下表4-6所示：

表4-6 Ud=f（Ug ）和Utg=f（n ）的测定

六、实验方法：

1、系统单元调试

（1）偏移电压调节：把系统接至开环，给定为0，调节面板上的调节偏移电压的电位器，使电机处于刚好不转的状态。给定电路图如图6-1所示。

图6-1 给定电路图

（2）电流调节器的调节：在电流调节器的4、6之间接50K Ω电阻，把调节器的1、2、3接地，用万用表测量电流调节器的输出7（Uct ）和之间的电压，调节电位器RP3，使输出尽可能接近0V 。 （3）电流调节器正负限制的整定：在电流调节器的4和5之间接50K 欧电阻，5和6之间接1UF 的电容，输入端2(Ui*)和一负的给定，用万用表测量电流调节器的输出7和地之间电压，调节正的限幅值电位器RP1，使输出为4V 左右，加一定给定，调节负限值电位器RP2，使输出为-4V 。电流调节器电路图如图6-2所示。

1

Un

2Un

3

图6-2 电流调节器电路图

（4）速度调节器负幅值的整定同电流调节器相同。速度调节器电路图如图6-3所示。

1Un

2Un

3

图6-3 速度调节器电路图

（5）电流反馈输出的整定：一般电机限流在额定电流的1.2倍，本实验所使用电机应调节限流值为1.2A 左右。把给定直接接至PWM 发生器2（Un*/Uct），改变负载使电机的电枢电流达到1.2A ，调节电流反馈输出电位器RP1使电压值等于速度调节器的限幅值即可，本实验设定电流在1.2安的时候反馈值为4V 。电流反馈调节电路图如图6-4所示。

图6-4 电流反馈调节电路图

（6）速度反馈输出的整定：把给定直接接至PWM 发生器，调节给定，使转速为1400r/min，调节转速调节器电位器RP1使输出3（UN) 为4V 。转速反馈调节电路图如图6-5所示。

图6-5 转速反馈调节电路图

2、双闭环调速系统的调试原则

（1）先单元，后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系

统。

（2）先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后再确定电流和转速均为负反馈后才组成闭环系统。

（3）先单环、后双环，即先使系统在电流单闭环和转速单闭环下稳定运行，然后再做电流速度双闭环。 3、双闭环调速系统的调试 （1）开环系统测定：

把给定接至面板上的Un*/Uct，把220V 直流电源和直流电机接入主电路，直流发电机接至负载电阻R ，负载电阻放在最大值，给定调至零。

接好线后，先打开控制电源的开关，接通电机励磁电源，然后接通220V 直流电源。逐渐增大给定电压Un*，使电机启动升速，使转速达到1200rpm 。

逐渐减小负载电阻R 的阻值，使电动机的电枢电流达到额定电流1A ，可测出该系统的开环特性n=f（Id ），记录于下表6-1中：

表6-1 系统的开环特性n=f（Id ）

把负载减小至最小，给定减小至零，切断直流电，断开励磁，关断电源，结束实验。

（2）电流速度双闭环系统测定

根据图3-4接线，可组成电流转速双闭环。

给定电压为正电压，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载R ，负载电阻调至最大值，给定调节至零。将速度调节器、电流调节器都接成PI 调节器，接入系统，形成双闭环调速系统（速度调节器、电流调节器的电阻值可调为50K Ω，电容值可调节为1uf ）。

接好线后，先打开控制电源的开关，接通电机励磁电源，然后接通220V 直流电源。逐渐增大给定电压U n *, 使电机启动升速，使转速达到1200rpm 。

（3）机械特性n=f（Id ）测定：

A 、先把负载电阻调至最大，从零开始增大给定电压，使电动机转速达到n=1200rpm，调节负载电阻逐渐减小至零。测出n ，Id 值，记录于表6-2中：

表6-2 机械特性n=f（Id ）测定1

B 、降低Ug ，测试n=800rpm的n ，Id 值，记录于表6-3中：

表6-3 机械特性n=f（Id ）测定2

（4）系统动态特性观察：

用慢扫描示波器或数字示波器观察动态波形。在不同的系统参数下记录下列动态波形：

突加给定，电机启动时的电枢电流Id 波形和转速n 波形，波形如图6-6、图6-7所示。

图6-6 电机启动时的电枢电流Id 波形

图6-7 电机启动时的转速n 波形

突加负载（20％Ied ≧100％Ied ）时电机电枢电流波形和转速波形，波形如图6-8、图6-9所示。

图6-8 突加负载时电机电枢电流Id 波形

n

t

图6-9 突加负载时电机转速n 波形

突降负载（100％Ied ≧20％Ied ）时电机电枢电流波形和转速波形，波形如图6-10、图6-11所示。

I

t

图6-10 突降负载时电机电枢电流Id 波形

图6-11 突降负载时电机转速n 波形

附图1 主回路接线图

J4

附图2 系统总结线图

J5

J3 J3(主)

J8

VD3

附图3 DJK17

七、结束语

经过将近三周的自动控制系统课程设计，终于完成了双闭环控制的直流脉宽调速系统（H 桥）设计，在这次设计制作的过程中，我将大学期间所学的电力电子、电力拖动自动控制系统知识有效的结合在一起，完成了此次的设计，真的让我长进了很多。进一步理解了PWM 脉宽开环直流调速系统、PWM 脉宽单闭环不可逆直流调速系统、PWM 脉宽双闭环不可逆直流调速系统的原理。这次通过双闭环控制的直流脉宽调速系统（H 桥）设计，给我最大的体会是对每个系统单元和系统整体的把握和控制，在实训中我进一步了解了电力电子器件的基本特征、分类和应用场合；熟悉了晶闸管直流调速系统的组成及其

基本结构，了解了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，掌握了晶闸管直流调速系统一的一般调试过程；认识了闭环反馈控制系统的基本特性，了解了闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理；掌握了双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定，研究了调节器参数对系统动态性能的影响。

在此次实训中我们团队分工合作，互帮互助，上网找资料，上图书馆，尽可能的了解有关于双闭环控制的直流脉宽调速系统（H 桥）这方面的知识。这个系统的程序相对比较复杂，它由多个环节组成，只有将这些环节按合理的参数整定然后结合在一起，才能完成设计的目的。另外，在电路的调试过程中，我也遇到了很多意想不到的困难，在老师、同学的帮助和自己的不懈努力下，我终于完成了双闭环控制

的直流脉宽调速系统（H 桥）得设计，同时也得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在对电力电子、电力拖动自动控制系统知识的掌握方面都能向前迈了一大步。

最后衷心的感谢此次实训的指导老师，感谢你们耐心地指导和帮助，谢谢！