1、. 运动控制课程设计双闭环直流调速系统设计学 院 自动化科学与工程学院 专 业 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 2013 年 9 月 4 日 目 录一、 设计任务 21.1 课程设计目的 .21.2 初始条件 .21.3 技术指标 .21.4 设计要求 .2二、双闭环调速系统设计 .22.1 双闭环调速系统概述 .22.2 双闭环调速系统电路原理图 .22.3 双闭环调速系统动态结构图 .22.4 设计的基本思路 .22.5 参数计算 .22.7 系统 Simulink 仿真 2三、心得体会 .2四、参考资料 .2、设计任务1.1 课程设计目的1联系实际，对双闭环直流电动机调速系统进行
2、综合性设计，加深对所学自动控制系统课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。2熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。3培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题的能力。4设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌握工程设计的方法。5掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。1.2 初始条件1系统主电路总电阻 R=22电磁时间常数：T1=0.005s3机电时间常数：Tm =0.2s4PWM 整流装置：放大系数 Ks=4.8, 失控时间 Ts=0.4ms5电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波 时间常数：Ton=0.014s6额定转速时的给定
3、电压：Unm =10V7转速调节器饱和输出电压 Uim=10V1.3 技术指标1该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D20），系 统 在工作范围内能稳定工作；2系统静特性良好，无静差；3动态性能指标：空载启动到额定转速的超调量 n9%，电流超调量i4%， 调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts0.1s；4调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。1.4 设计要求根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图；1绘制双闭环直流脉宽（PWM）调速控制系统线路 图（主电路、控制电路（脉宽调制 PWM 电路
4、、 电压电流检测单元、调节器，驱动电路、检测与故障保护电路）；2对所设计出的双闭环 PWM 调速系统仿真实验 ，并给出仿真结果图；0.1s；3整理设计数据资料，课程设计总结， 对本课程设计提出新设想和新建议。二、双闭环调速系统设计2.1 双闭环调速系统概述在许多应用场合，为了充分发挥生产机械的效能，提高生产率，速度控制系统经常处于起动、制动、反转以及突加负载等过渡过 程中。所以要求速度控制系统有较好的动态性能。对高性能、静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性（起制性）、较好的抗干扰性和高可靠性（可瞬态过载但不过电流）。因此引入了转速、电流双闭环调速体统。转速负反馈和比例积分调节器的单闭环调
5、速系统能够保证系统在稳定的条件下实现转速无静差调节。但是该控制系统也有自身的缺点，比如要求快速启动、突加负载动态速降等。这种 单闭环控制系统就难以满足要求。这是因为在单闭环调速系统中尚不能按需要来控制动态过程的电流和转速。为解决这一矛盾，在上一章中又讲述了电流截止负反馈环节，它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。从工作原理上分析，它只能是在超过临界电流值以后，才能靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电机 转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过 程变慢，启 动的时间也比较长（长）， 带电流截止负反馈单闭环调速系统启）所示。动过程的波形，如 图在
6、工业生产中，如 龙门刨床、可逆轧钢机等要求经常正反转 运行的调速系统， 为了提高生产效率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间小。为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制 规律， 经论证与实践，采用转速、电流双闭环调速系统就能达到上述要求。2.2 双闭环调速系统电路原理图图 21 为转速、电流双闭环调速系统的原理图。 图中两个调节器 ASR 和ACR 分别为转 速调节器和 电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用 电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流 环在内，称之为内环；转速环在外，称之 为 外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR 的输出限幅
7、什 Uim决定了电流调节器ACR 的给定电压 最大值 Uim，对就电机的最大电流；电流调节器 ACR 输出限幅电压 Ucm限制了整流器 输 出最大电压值，限最小触发角 。MT G+_+U nR 0R 0U f n_+_+R nC nA S RU iR 0R 0+U f iR i C iA C R_+U cG T V+_R P 2+_U dI dL ML M+_图 2 1 双闭环调速系统电路原理图2.3 双闭环调速系统动态结构图双闭环调速系统的动态结构如图 22 所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数 Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时
8、也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 Ton表示。根据和 电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为 Ton的给定滤波环节。A S R A C R1son 1sToi 1sTk/sRl sTmeC11sTonsoiUn( s )+_Uf nUi( s )+_Uf iUc( s )Ud 0( s )+_E ( s )+_Id l( s )
9、Idn ( s )电流环图 2 2 双闭环调速系统的动态结构图To i 电流反馈滤波时间常数 To n 转速反馈滤波时间常数2.4 设计的基本思路转速、电流双闭环调速系统属于多环控制系统。 对电流双闭环调速系统而言，先从内环（即电流环）出发，根据电流控制要求，确定把电流环校正为那种典型系统。按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环环节之后，把它等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分。然后用同 样的方法进行转速环的设计，每个环的设计都是把该环校正为一个典型系统，以获得预期的性能指标。目前的V-M 调速系统多为带电流内环的速度控制系统。电路中，直接提供的是三相交流 380V 电源，而直
10、流电机的供电需要三相直流电， 因此要进行整流，本设计 采用三相桥式整流 电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把 电源提供给直流电动机。如下图设计的总框架。系统设计总框架2.5 参数计算1.有关参数的计算a) 根据电动机的电势常数 Ce=(220-0.18*1000)/37=1.08b) 三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间 smfTS 017.5621c) 电流反馈系数 设最大允许电流 ，则电流反馈系数为NdmI25.AVIUdmi /216.03725.1d) 转速反馈系数 min01.rVnUNm保护电路三相交流电源 三相直流电源 直流电机驱动电路 双闭环调速系统整流 供电2.电流
11、环的设计a) 电流环小时间常数b) 电流调节 器结构选择按典系统设计，且选用 PI 调节器，其传递函数为c) 确定电流调节器参数 ACR 超前时间常数电流环开环放大系数 KI：按照二阶“最佳” 系统设计，取从而，ACR 的比例系数 为d) 检验近似条件 电流环截止频率：晶闸管装置传递函数近似条件满足近似条件小时间常数近似条件满足近似条件忽略反电动势对电流环影响的条件满足近似条件e) 计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，则由有由得取表 典型型系统参数与动态跟随性能指标的关系参数关系KT0.25 0.31 0.39 0.5 0.69 1.0 1.56足迹系数 1.0 0.9 0.8 0.707
12、 0.6 0.5 0.4上升时间 rt11.1T 6.66T 4.71T 3.32T 2.42T 1.73T超调量 0 0.15% 1.52% 4.43% 9.48 16.3% 25.4%截止频率 c0.243/T 0.299/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T 1.068/T相角裕量 76.3.569.5.9.251.843.93.转速环的设计a) 转速环小时间常数b) 选择转速调节器结构 根据稳态、动态性能指 标的要求，应按典系统设计转速环，为此应选用 PI 调节器，其传递函数为c) 选择转速调节器参数 为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好， 应采用准则选
13、择参数，且取 h=5，因此 ASR 的超前时间常数为转速环开环放大系数为从而，转速调节器比例系数为d) 检验近似条件 转速环截止频率电流环传递函数简化条件而满足近似条件。小时间常数近似处理条件满足近似条件。e) 计算转速调节器电阻和电容 取输入电阻，则f) 核校转速超调量 因为当 h=5 时而 所以 可见所设计的系统能满足设计要求。2.7 系统 Simulink 仿真双闭环直流电动机调速系统多为带电流内环的转速控制系统，该系统增加了电流， 转速反馈滤波环节 ，以抑制反馈信号中的交流分量，同 时在转速、电流给定信号通道中加入两个给定滤波器，其 时间常数与相应反馈滤波环节的时间常数相等，以平衡反馈
14、滤波 环节给转速、 电流反馈信号 带来的延滞。相应的动态结构图如下所示。图中，ASR 和 ACR 为结构和参数待定的转速和电流调节器。A S R A C R1sTon 1sToi 1sTk/sRl sTmeC11sTonsoiUn( s )+_Uf nUi( s )+_Uf iUc( s )Ud 0( s )+_E ( s )+_Id l( s )Idn ( s )电流环图 2 2 双闭环调速系统的动态结构图To i 电流反馈滤波时间常数 To n 转速反馈滤波时间常数1、 基于数学模型双闭环直流调速控制系统模型2、 基于数学模型双闭环直流调速控制系统模型 matlab 代码s=tf(1 0,
15、1);Ton=0.014;Toi=0.0025;Ts=0.0004;T1=0.005;Tm=0.2;R=2;Ce=0.18;Unm=10;PN=8500;UN=220;IN=37;nN=1000;Ks=4.8;Uim=10;lam=1.5;a=Unm/nN;Idm=IN*lam;B=Uim/Idm;Tsi=Toi+Ts;KI=0.39/Tsi;Ki=KI*T1*R/B/Ks;h=5;Tsn=2*Tsi+Ton;Tn=h*Tsn;KN=(h+1)/(2*h2*Tsn2);Kn=(h+1)*B*Ce*Tm/(2*h*Tsn*a*R);wci=KI;test1=1/3/Ts;test2=1/3*sq
16、rt(1/Ts/Toi);test3=3*sqrt(1/Tm/T1);y1=(wci=test3);wcn=KN*Tn;test4=1/5/Tsi;test5=1/3*sqrt(1/2/Tsi/Ton);y4=(test4wcn);y5=(test5wcn);sys1=1/(Ton*s+1);ASR=Kn*(Tn*s+1)/Tn/s;sys2=1/(Toi*s+1);ACR=Ki*(T1*s+1)/T1/s;sys3=Ks/(Ts*s+1);sys4=1/R/(T1*s+1);feed1=B/(Toi*s+1);feed2=a/(Ton*s+1);syss1=feedback(series(s
17、eries(ACR,sys3),sys4),feed1);syss2=feedback(R/Tm,series(Ce,sys4);sys=series(sys1,feedback(series(series(series(ASR,sys2),syss1),syss2),feed2);sysI=feedback(series(series(ACR,sys3),feedback(sys4,1.8),feed1);通过运行代码，在命令窗口中使用 impulse(sys*10/s)可以得到该阶跃相应曲线如下图所示：3、 双闭环直流调速系统的仿真模型（注：改图借鉴梅粲文同学，特此申明）（1）转速仿真结果
18、：（2）电流仿真结果：三、 心得体会本设计的主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，详细 地介绍了器件的保 护、 电流调调节器、转速 调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然还有其它电路的设计，最后得到整个调速控制的电路原理图。本次设计总体来说，题目明确，方向明确，因此不需要从多个方面去考虑，任务的设计涉及的内容除了运控外，还有电路， 电力电子等相关方面的知识。通过本次课程设计，进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比较全面地将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计当中， 对设计中一些参数的 计算也比较清析得到，整个双闭环直流调速电路分阶段地完
19、成，从电力电子方面的设计到电力拖动方面的设计，最后MATLAB/SIMULINK 的运用，是一步一步的完成和组合。本次设计在书本有参考题目，这就大大方便了我们的设计过程，主要的部分是参数的计算，计算量也比 较大，但 总体原理不难，只要认真耐心去做，基本没什么难度就可以设计出来。在 进行硬件电路图的设计时，电流调节器和转速调节器都可以在课本上找到相应的知识原理，而触发电路，主电路在电力电子课程中学习过，也不难设计出它们 的硬件连接图。通过此次设计，我从中得了不少收获。不 仅在理论上，知道课本理论知识的重要性，而且也知道实践如何运用理论，理 论联系实 践。 虽然在整个过程中遇到一些额外的问题，比如
20、 Word 里如何修改公式， Matlab 的仿真使用，以及中途修改参数而增加不少工作量等，但是我坚持到底，尽自己最大努力去解决这些问题，锻炼了自己耐心、求真务实 的作风。相信通 过这次的 设计将在以后的工作中给我不少的启发。我也会在今后更多的时间学习各种新知识，给自己不断的充电，增值。四、参考资料1 罗飞，郗晓田，文小玲，许玉格. 电力拖动与运动控制系统（第二版）. 北京：化学工业出版社，2007.22 苏开才等 . 电力电子技术基础. 广州：华南理工大学出版社，2003.123 吴玉香，李艳，刘华，毛宗源. 电机及拖动. 北京：化学工业出版社， 2008.14 薛定宇， 陈阳泉. 基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用. 北京：清华大学出版社，2002.45 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2006.56 高国燊、余文烋、彭康拥、 陈来好. 自动控制原理（第三版）. 广州：华南理工大学出版社，2009.9 7 袁玲. 自 动控制实验教程. 广州：华南理工大学教材供应中心
