电动机速度开环控制和闭环控制.docx

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1、目录实验四十九、DC/DC单端正激式变换电路设计实验1实验三十三、电动机速度开环控制和闭环控制8实验感想14参考文献1521实验四十九、DC/DC单端正激式变换电路设计实验一、实验目的通过研究DC/DC单端正激式变换电路的工作原理，进一步掌握其复位特性和设计方法，并熟悉电路闭环控制的设计方法。二、实验原理1、实验主电路及原理该实验中我们采用辅助绕组复位方式的电路，电路图如图1所示：图1 辅助绕组复位方式电路图其中隔离变压器有3个绕组：一次绕组N1，二次绕组N2和复位绕组N3,设开关周期为T，占空比为D。则在Ton期间，开关管T导通，VD2导通，VD1、VD3截止，电流向负载传递能量，此时有：磁

2、通增加量：+=ViN1DT输出电压：Vo=N2N1Vi同理，在在Toff时间内，开关管T截止，VD2截止，VD1导通续流，VD3导通向电源回馈能量，如果在整个Toff期间内，VD3都导通，则有：磁通减少量：-=ViN3(1-D)T输出电压：Vo=0为了使磁通完全复位，须使磁通增加量小于磁通减少量，由以上四式可得：占空比需满足：DN1(N1+N3)输出电压平均值:Vo=N2N1DVi2、实验中运算放大器使用LM324，其引脚图如右图所示，实验中采用12V的电源给其供电。3、控制电路与闭环的实现实验中使用实验板BO1控制电路产生PWM波，由实验板的电路可知反馈电压信号可以加在TP1上，它将与TL4

3、94芯片2号端口的输入图2 LM324引脚图给定电压（约为2.5V）做比较，实现闭环。将输出电压通过电压传感器，经过PI环节加到BO1实验板上，PI环节的作用是使得输出电压稳定值与给定电压相差更小，相当于实现无静差。4、电路参数设计（1）实验中绕组N1、N2、N3的匝数分别为20匝、32匝、10匝。（2）滤波电感L的选择：设输出电压为50V，最大负载为500时有最小输出电流0.1A，因此可知此时为保证输出电流不断流，在占空比D=0.5，开关频率为20kHz的情况下，必须有：LVo2fsIOmin1-D=6.25mH实际上，电感同时也有滤除输出电压谐波的作用，在考虑输出电流不断流的前提下，为了使

4、得输出的电压更为平稳、滤除更小次数的谐波，同时也是考虑到实验室的实际元件参数情况，我们最终取电感L=133mH。（3）滤波电容C的选择:根据输出电压的波动公式可得：VoVo=(1-D)8LCfs2为了使得纹波小于0.1%，可得CVoVo(1-D)8Lfs2=1.17F结合实验室的实际情况，我们取电容C=10F。这样，LC滤波器的截止频率为：fc=12LC=138Hz也即能够有效滤除频率大于138Hz的谐波。5、电压传感器：电压互感器在闭环实验中用到，用来测定输出电压，返回到反馈网络，实现闭环控制，传感器输入端选择15k的电阻，输出选择300k的电阻，设输入电压为V1，输出电压为V2，则根据实验

5、板上的参数可得：V115000V2300=1025因此有：V1V2=20三、实验步骤1、测试控制电路：在BO1实验板中，连接JP1的1、2端选择开关频率为20kHz，连接JP2的5、6端，连接JP3选择单路输出，用示波器观察输出Vg1的波形，同时调节电位器R24使得输出PWM波占空比为0.5。 2、开环特性测试：（1）连接电路，但先不加入电压传感器与运算放大器，不构成闭环。（2）保持输入电压为100V，占空比D=0.5，改变负载的大小，观察并记录输出电压变化。（3）保持负载为200，改变输入电压的大小，观察并记录输出电压变化。3、闭环特性测试：（1）将输出电压通过电压传感器引到PWM产生实验板

6、上。（2）选择给定电压值Vo*=4V（该电压可以通过5V电压源用电阻分压得到），此时相当于给定输出电压值为80V，保持输入电压为100V，占空比D=0.5，改变负载的大小，观察并记录输出电压变化。（3）保持负载为200，改变输入电压的大小，观察并记录输出电压变化。4、在输入为50V，占空比D=0.5的情况下，记录绕组、开关管、二极管两端的波形。四、实验结果及分析1、BO1实验板产生的PWM波：图3 BO1实验板产生的PWM波2、开环特性测试：（1）保持输入电压为100V，占空比D=0.5，改变负载的大小：表1 开环下输出电压与负载大小的关系R/50100200300400500Vo/V77.5

7、81.692.5101.0108.3114.3负载为50时输出电压波形（大小已经示波器衰减10倍）：图4 R=50时输出电压波形负载为200时输出电压波形：图5 R=200时输出电压波形从实验数据可以看出，保持输入电压不变时，输出电压会随着负载的变化而变化，并不满则Vo=N2N1DVi的关系，这是因为负载变大时，要求电源输出更大的电流，导致输出电流变大，电压变大。因此开环下输出电压并不能保持恒定。（2）保持负载为200，占空比D=0.5，改变输入电压的大小：表3 开环下输出电压与输入电压的关系Vi/V8090100110120Vo/V76.084.593.2102.5112.9从实验数据可以看

8、出，负载保持不变时，若输入电压改变，则输出电压也会变化。3、闭环特性测试：（1）选择Vo*=4V，保持输入电压为100V，占空比D=0.5，改变负载的大小：表3 闭环下输出电压与负载大小的关系R/50100200300400500Vo/V78.178.979.680.280.781.5这里输出电压的波形数据有遗失，实验中得到的输出电压波形是一高电平。可以看出，加入闭环控制之后，输出电压的大小能够保持恒定，且我们能够根据需要选择输出电压的给定值以满足不同的需要。当输出负载改变时，输出电压仅有很小的变化（理论上应该是完全恒定的），这是输出电压不断调节的结果。（2）选择Vo*=4V，保持负载为200

9、，占空比D=0.5，改变输入电压的大小：表4 闭环下输出电压与输入电压的关系Vi/V8090100110120Vo/V76.878.179.380.281.4同样可以看出，当输入电压变化时，输出电压也没有太大的波动，输出特性很好。4、输入电压为50V，负载为200，开环条件下绕组、开关管、二极管两端的电压波形（已用示波器将波形大小衰减为原来的十分之一）：绕组N1两端电压波形：图6 绕组N1两端电压波形绕组N3两端电压波形：图7 绕组N3两端电压波形开关管T两端的电压波形：图8 开关管两端电压波形二极管VD1两端电压波形：图9 二极管VD1两端电压波形二极管VD3两端电压波形：图10 二极管VD

10、3两端电压波形这几组波形是在开环闭环实验完成之前测得的，目的是为了进一步了解电路各个元件的工作状态。从中可以看出，绕组、开关管、二极管在工作中两端电压都有较大的突变（还是加了缓冲电路的），过大的电压变化率对元件是有损害的。而且二极管、开关管在关断状态下还要承受反压。因此该电路对元件的性能有一定的要求，而且可以看出，输出电压越大、输出功率越大时，对元件性能的要求就越高。所以该电路不适用于输出功率较高的情况。实验三十三、电动机速度开环控制和闭环控制一、实验目的 1、通过实验，研究电机调速模拟方式下的开环、闭环控制的性能。2、了解PWM调制方式对速度的控制。3、熟悉并掌握电机转速闭环控制的方法及其原

11、理。二、实验原理1、电机的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示。而系统在某一给定转速下运行时，负载由空载增加到额定负载时所对应的转速降落与该给定转速下理想空载转速之比，称作静差率S。即有：D=nmaxnmin=nNnminS=nNno显然，对静差率的要求，只要在低速时能够满足，则在高速时也能够满足。故可用最小转速时的转差率来代表系统的转差率。他励电机转速为：n=U-IRC其中，U为他励电动机的电枢电压，I为电枢电流，R为电枢回路的总电阻，为励磁磁通，C为由电机结构决定的电动势系数。由转速控制公式可知，直流他励电机的调速有三种方式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及

12、减小气隙磁通量的弱磁调速。常用的是通过改变电枢电压来调速。2、开环实验。由理论知识可知，用DC/DC变换电路来控制电机比用交流整流电路的性能会好些，因此该实验中我们采用DC/DC变换电路。开环实验电路图如下所示：图1 开环实验电路图通过电动机带动发电机的运行，发电机输出的交流电经过整流与滤波之后，加在负载两端，通过测量负载两端电压的大小可以间接测量电动机的转速。输入电压Vi=25V。由电压纹波公式可得：VoVo=(1-D)8LCfs2其中fs=10kHz，假设D=0.5，为使纹波不超过0.1%，可解得LC1.2510-8s。为使输出电流不断流，可知电感必须满足LVo2fsIOmin1-D因此，

13、综合以上两式，我们可取电感L1=L2=66.5mH，C1=C2=10F。这样，LC滤波器的截止频率为：fc=12LC=195Hz也即能够有效滤除频率大于195Hz的谐波。3、闭环实验。在开环状态下，施加负载相当于在控制系统中加入了扰动，导致输出偏离希望值。闭环控制能有效地抑制扰动，稳定系统的输出，挡在扰动作用的反馈通道内加入积分环节，能够消除扰动的破坏因素，但是也会对系统的动态性能和稳定性产生不利影响。闭环实验电路图如下所示：图2 闭环实验电路图其中，Vn*为电动机转速的给定值，其实际值与转速的关系还需要通过实验确定。由电容、电阻与运放组成的PI调节器能够实现转速的无静差，反馈电路最后接在PW

14、M产生电路板上，控制占空比的大小，进而控制转速。电压互感器测定输出电压，返回到反馈网络，实现闭环控制，传感器输入端选择15k的电阻，输出选择300k的电阻，设输入电压为V1，输出电压为V2，则根据实验板上的参数可得：V115000V2300=1025因此有：V1V2=20也即电压传感器一次侧电压大小是二次侧的20倍。三、实验步骤1、测试PWM实验板，在BO1实验板中，连接JP1的2、3端选择开关频率为10kHz，连接JP2的5、6端，连接JP3选择单路输出，用示波器观察输出Vg1的波形，同时调节电位器R24使得输出PWM波占空比为0.5。2、开环实验（1）连接电路图。（2）测取直流电机输入端电

15、压与发电机输出整流滤波后的电压的关系，并记录所得的数据。（3）保持输入电压不变，改变负载大小时，测量负载两端电压大小。（4）测量突加突减负载时，负载两端电压的波形。3、闭环实验（1）连接电路图。（2）测量电机启动时负载两端波形。（3）保持负载不变，改变输入电压大小时，测量负载两端电压大小。（4）保持输入电压不变，改变负载大小时，测量负载两端电压大小。（5）测量突加突减负载时，负载两端电压的波形。四、实验结果1、PWM产生电路板输出的PWM波形：图3 PWM波形2、开环实验（1）测取直流电机输入端电压与发电机输出整流滤波后的电压的关系：表1 负载不变，输入电压与输出电压关系输入电压/V46810

16、12输出电压/V3.86.79.011.213.1根据数据，有最小二乘法，可得发电机输出整流后的电压与电动机端电压关系为：Uo=1.155Ui-0.48其关系曲线为：图4 输出电压与输入电压的关系曲线（2）保持输入电压为10V不变，改变负载大小时，测量负载两端电压大小：表2 输入电压不变，输入电压与输出电压关系负载大小/50100200500输出电压/V8.39.511.812.6（3）突加突减负载时输出电压波形：图5 开环下突加与突减负载3、闭环实验（1）测量电机启动时负载两端波形：图6 闭环下电机启动时输出电压波形（2）令给定电压为Vn*=5V，保持负载为100不变，改变输入电压大小时，测

17、量负载两端电压大小：表3 负载不变，输入电压与输出电压关系输入电压/V4681012输出电压/V6.78.49.49.910.5（3）令给定电压为Vn*=5V，保持输入电压为10V不变，改变负载大小时，测量负载两端电压大小：表4 输入电压不变，输入电压与输出电压关系负载大小/50100200500输出电压/V9.59.810.411.2（4）突加突减负载时输出电压波形：图7 闭环下，突加负载时输出电压波形图8闭环下，突减负载时输出电压波形五、实验结果分析1、由开环数据可知，在负载大小不变的情况下，如果输入电压发生了变化，则电机的转速也会发生变化，实际的电网电压是有一定的波动的，这时电机便不能保

18、持恒定的速度运行。当输入电压保持不变时，如果电机的负载发生了变化，则其转速同样也会受影响。而且，开环情况下，突加突减负载后，转速并不能得到恢复。以突加负载为例，突加负载时负载转矩变大后，由于电磁转矩小于负载转矩，导致电机转速下降，而由于给定不变，电机输入电压基本不变，无法抬高电压进而提高转矩实现稳速。只能等电机转速下降后，电机反电势下降，电枢电流上升，电机转矩上升，最终在新的转速下达到平衡。也就是说，开环系统中，突加负载后，需要减速以满足负载转矩的需求。综合来看，开环系统不能稳定电机的转速，性能差。2、而在闭环系统中，当输入电压或者负载大小发生变化之后，可以看到电机的转速变化不大，能够在一定程度上稳定电机的转速。而在突加或突减负载之后，通过PI调节器的调节，电机的转速能够最终恢复到突加突减负载之前的速度，实现转速的稳定控制。实验感想参考文献1、信号与系统综合实验教程.熊蕊.华中科技大学出版社2、电力电子学电力电子变换和控制技术.陈坚.北京高等教育出版社3、线性控制系统工程.Morris Driels.清华大学出版社4、电子技术基础（模拟部分）.康华光.高等教育出版社5、电力拖动控制系统.马志源.科学出版社6、电力电子装置及系统.杨萌福，段善旭，朝泽云.清华大学出版社.忽略此处.