1、武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书1PWM-M 可逆调速系统设计运动控制系统课程设计说明书目录摘要 .3一、直流调速介绍 .41.1 调速定义 .41.2 调速方法 .41.2.1 调节电枢供电电压 U .41.2.2 改变电动机主磁通 .41.2.3 改变电枢回路电阻 R .41.3 调速指标 .51.3.1 调速范围（包括：恒转矩调速范围/恒功率调速范围） .51.3.2 动态速降 .51.3.3 恢复时间 .5二、双闭环直流调速系统介绍 .62.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 .62.2 双闭环调速系统的起动过程 .72.2.1 理想启动过程 .72.2.2 实际启动过程分析 .
2、92.3 双闭环调速系统的起动过程三个特点： .112.3.1 饱和非线性控制 .112.3.2 准时间最优控制 .112.3.3 转速超调 .11武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书22.4 PI 调节器的稳态特征 .122.4.1 速调节器不饱和 .122.4.2 转速调节器饱和 .132.5 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 .14三、设计任务及要求 .153.1 设计初始条件 .153.2 要求完成的主要任务 .15四、PWM-M 调速系统设计 .164.1 直流 PWM-M 调速系统 .164.2 UPE 环节的电路波形分析 .184.3 电流调节器的设计 .194.3.1 电流环
3、结构框图的化简 .194.3.2 电流调节器参数计算 .204.3.3 参数校验 .224.3.4 计算调节器电阻和电容 .234.4 转速调节器的设计 .234.4.1 电流环的等效闭环传递函数 .234.4.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择 .244.4.3 转速调节器的参数的计算 .274.4.4 参数校验 .274.4.5 计算调节器电阻和电容 .284.5 调速范围静差率的计算 .29五、系统仿真 .305.1 仿真软件 Simulink 介绍 .305.2 Simulink 仿真步骤 .305.3 双闭环仿真模型 .315.4 双闭环系统仿真波形图 .31六、心得体会及小
4、结 .33七、参考文献 .34武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书3武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书4摘要为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度，在当代工业上 PWM 控制调速系统已经被广泛地应用，轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。其优点还是日益突现，而带有双闭环的调速系统更是受到广泛欢迎。生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，首先要具有较高的机电能量转换效率；其次
5、应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速，在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要在。因此，
6、为了使调速达到高精度、高准度的要求，本次设计使用了电流调节器和转速调节器，以此来组成双闭环，电流环为内环，转速环为外环。这样的设计能够达到任务要求的静态指标和动态指标。关键词：PWM 调速、直流电动机、双闭环调速武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书5一、直流调速介绍1.1 调速定义调速是指在某一具体负载情况下，通过改变电动据或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。1.2 调速方法1.2.1 调节电枢供电电压 U改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好
7、。 变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可I调直流电源。1.2.2 改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速） ，从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 变化时间遇到的时间fI常数同 变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。I1.2.3 改变电枢回路电阻 R在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书61.3 调速指标1.3.1 调速范围（包括：恒转矩调速范围
8、/恒功率调速范围）恒转矩调速范围是指调速系统在额定负载下，可长期稳定运行的最低速度和最高速度之比，一般这个最高速度就是额定速度，比如：1：1000，假定该调速系统的最大（额定速度）为 2000rpm，则其最小运行速度为 2rpm。指标越宽，调速范围越大，系统性能越好。恒功率调速范围是指调速系统在额定功率下，可长期稳定运行的最低速度和最高速度之比，一般这个最低速度就是额定速度，比如：1：2，假定该调速系统的额定速度为 1000rpm，则其最高运行速度为 2000rpm。1.3.2 动态速降它是指电机由空载突加额定负载时最大的速度跌落（下降） ，这个值越小，表明系统响应快，系统特性硬。1.3.3
9、恢复时间当电机突加额定负载后可以恢复到原先速度所需的时间，时间越短，响应越好，反之表明系统响应慢。武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书7二、双闭环直流调速系统介绍2.1 转速、电流双闭环调速系统的组成图 2-1 双闭环直流调速系统的稳态结构稳态结构图如图 2-1 所示，两个调节器均采用带限幅作用的 PI 调节器。转速调节器 ASR 的输出限幅电压 决定了电流给定的最大值，电流调节器 ACR*imU的输出限幅电压 限制了电力电子变换器的最大输出电压 ，图中用带限幅cm dmU的输出特性表示 PI 调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输出量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节
10、器退出饱和。当调节器不饱和时，PI 调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压 在稳态时为零。 )(sUi )(sE)(sIdL1sTon)(ASR1Toi )(scACR1TK0Ud/Rl TmeC1oi)(sn1sn电流环图2-2 双闭环调速系统的动态结构框图双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-2。由于电流检测信号中常含有武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书8交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数 按需要选定，以滤平oiT电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为
11、了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使得二者在时间上恰好的配合。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间onT常数 的给定滤波环节。2.2 双闭环调速系统的起动过程2.2.1 理想启动过程由前面的分析可知，采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起、制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求。这主要是因为在单闭环
12、系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流 Idcr 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截至负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形如图 2-3 所示。当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书9图 2-3 带电流截至负反馈得单闭环调速系统启动过程在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用
13、最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形见图 2-4，这时，起动电流呈方形波，而转速是呈线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。图 2-4 理想快速启动过程实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图 2-4 所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键要获得一段使电流保持为最大值 的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个dmI物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负
14、反馈，而不能让它和转矩负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳定转速后，又希望只要转速负反武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书10馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢？双闭环调速系统可以解决这个问题。2.2.2 实际启动过程分析双闭环调速系统突加给定电压，由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程示于图 2-5。图 2-5 双闭环直流调速系统启动过程转速和电流波形由于在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别标以 I、和 III。（1）第阶段 电流上升的阶段突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器 ASR 的输人偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流 迅速上升。当 时，dIdlI，电流调节器的作用使 不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在iimUdI这一阶段中，ASR 由不饱和很快达到饱和，而 ACR 一般应该不饱和，以保证电
