辽宁工业大学电机控制技术课程设计说明书

辽宁工业大学电机控制技术课程设计（论文）题目： 120V、10KW 转速电流双闭环调速系统建模与仿真院（系）：汽车与交通工程学院专业班级：车辆 131 学号： 131805019 学生姓名：鄢立宝指导教师：张大明教师职称：讲师起止时间：2016.12.5 -2016.12.23 辽宁工业大学课程设计说明书1课程设计（论文）任务及评语院（系）：汽车与交通工程学院 教研室：新能源车辆工程学号 131805019 学生姓名 鄢立宝 专业班级 车辆 131课程设计（论文）题目120V、10KW 转速电流双闭环直流调速控制系统建模与仿真课程设计（论文）任务设计参数额定功率 10Kw，额定电压 120V，额定电流 95A，额定转速 3000r/min；=0.0362，电流允许过载倍数 =1.5，电力电子转换装置放大系数=0.117；滞后时间=0.005ms，电枢回路总电阻 R=120m，电磁时间常数=0.04s；转速反馈滤波时间常数=0.005s，电流反馈滤波时间常数=0.002s；电流反馈系数=0.01V/A，转速反馈系数=0.001Vmin/r；总飞轮力矩=6Nm2设计内容：1.双闭环控制系统结构设计及参数计算；设计双闭环控制系统电流环及转速环调节器的结构根据电机参数计算电流环调节器的参数根据电机参数计算电流环调节器的参数2.双闭环控制系统的计算机建模及仿真电流环计算机仿真及参数调整转速环计算机仿真及参数调整3.基于微控制器的双闭环控制系统软件设计设计基于 H 桥电路的功率开关管导通方法设计基于微控制器的双闭环控制系统的软件流程图电流环调节器的软件设计转速环调节器的软件设计功率驱动电路软件设计指导教师评语及成绩成绩：指导教师签字：年月日辽宁工业大学课程设计说明书2目录摘要 .1一、设计思路 .21双闭环调速系统的动态结构框图 .22. 电流调节器的设计思想 .33. 转速调节器的设计思想 .6二、设计步骤 .81.对电流调节器进行设计 .92.对转速调节器进行设计 .123.对转速调节器退饱和时转速超调量的计算 .15三、控制系统的建模以及仿真 .15四、基于微控制器的双闭环控制系统软件设计 .221.设计基于 H 桥电路的功率开关管导通方法及电路图 .222.设计基于微控制器的双闭环控制系统的软件流程图 .223.电流环和转速环调节器的软件设计 .24五、总结心得 .25参考文献 .26附录 .27附录 .27辽宁工业大学课程设计说明书3摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，在电气传动中应用广泛。本次课设要求基于工程设计对直流调速系统进行设计，根据直流调速系统的工作原理，设计一个转速电流双闭环直流调速系统。该系统中设置了电流检测环节，电流调节器以及转速检测环节，转速调节器，构成了电流环和转速环。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用 PI 调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个 PI 调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE，形成转速电流双闭环直流调速系统。分别调节转速和电流，合理的选择调节器的结构和参数，使系统满足动态、稳态性能指标的要求。在 MATLAB/ Simulink 中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。关键字：直流双闭环调速 MATLAB Simulink 转速环 电流环 PI 调节器辽宁工业大学课程设计说明书4一、设计思路本次课设我们根据工程设计方法对 ASR 和 ACR 的结构及参数进行设计设计仿真。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，设计转速调节器。根据工程设计方法的基本思路我们首先选择电流调节器的结构。因为电流环作为内环，在稳态特性上我们要求电流无静差，以得到理想的堵转特性，在动态特性上我们要求实际系统不允许电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动态过程不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。因而电流环应以跟随性能为主。所以本文采用典型型系统。对于转速环，由于转速环作为外环，主要要求系统抗干扰性能好和转速无静差，所以将转速环设计成典型系统 1。1. 双闭环直流调速系统的动态结构框图 )(sUi )(sE)(sIdL1sTon)(ASR1Toi )(scACR1TK0Ud1/Rl TmeC1oi)(sn1sn电流环1-1 双闭环调速系统的动态结构框图上图 1-1是双闭环调速系统的实际动态结构框图。因为在电流检测信号的时候常常含有一些交流分量，我们为了不使它影响到调节器的输入加入了低通滤波。滤波环节传递函数用一阶惯性环节来表示。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 2。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常数 的给定滤波onT onT环节。辽宁工业大学课程设计说明书52. 电流调节器设计思想电流环结构框图的化简在图 1-1点划线框的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响 3。在一般情况下，系统的电磁时间常数 远小于机电时间常数 ，因此，转速的变化往往比电流变lTmT化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即 ，这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考0E虑反电动势变化的动态影响，得到的电流环的近似结构框图如图 1-2。)(sUi )(sUc )(sId)(0sd1sToi1Toi ACRKs1/TRl图1-2 忽略反电动势的动态影响如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1-3。/)(sUi )(sUc )(sIdACR1sToi)(si )1(/sTRKls图1-3 等效成单位负反馈系统由于 和 比 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常sToil数为： isi则电流环结构框图最终简化成下图1-4。辽宁工业大学课程设计说明书6)(sIdACR)(sUi 1)(/sTRKil图1-4 小惯性环节近似处理电流调节器结构的选择图1-4 表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型型系统，显然应采用PI 型的调节器，其传递函数可以写成：（1-1）sKWiACR)1()式中 -电流调节器的比例系数iK-电流调节器的超前时间常数i为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 liT则电流环的动态结构框图便成为图1-5 所以的典型形式，其中 RKisI)(sId)(sUi 1(sTKiI图1-5 校正成典型型系统电流环动态结构框图下图1-6 绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性. dBL/OciiT1decB/40de/201/s图1-6 校正成典型型系统电流环开环对数幅频特性辽宁工业大学课程设计说明书7校验， ，是否满足条件13cisT1cisoiT13cisoiT电流调节器的参数计算由式 可以看出，电流调节器的参数是 和 ，其中 已选定，待sKWiACR)1() iKii定的只有比例系数 ，它可根据所需的动态性能指标选取 4。i计算电流环开环增益： （1-2）Ici计算电流调节器的比例系数： （1-3）2lisiTRK如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式 和 可以做相应的改变，Ici2lisiTRK然后再次校验抗扰性能的指标是否满足。计算调节器电阻和电容按含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图 1-75，图中 为电流iU给定电压， 为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压 。dI c根据运算放大器的电路原理计算， ，是否满足要求。0 iiRK iiC01 4oioiTR-iU20R2000balRiRioiCoidI cUA+图1-7 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器辽宁工业大学课程设计说明书83. 转速调节器设计思想电流环的等效闭环传递函数电流环经化简后可视作转速环中的一个环节，为此需要求出它的闭环传递函数 ，)(sWcli由图1-5 可知：（1-4）1)1(/)( 2 sKTsKsUIWIIiiIiIidcli忽略高此项， 可降阶近似为：)(scli（1-5）1)(sKWIcli接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为 ，因此电流环在转速环中应等效为：)(sUi（1-6）1)()(sKsIIcliid这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数 的一阶惯性环节 6。IK1转速环结构的化简和转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图1-1中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图1-8所示。11sTo n1sTo n)( sUnA S R)( sUi111sKI)( sId)( sId L)( snsTCRme辽宁工业大学课程设计说明书9图1-8 用等效环节代替电流环和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数 和 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为/)(sUn IK/1onT的惯性环节，其中 ，则转速环结构框图可化简成图1-9。nT InA S R)( sId)( sId L)( snTC sRme1/Tn)(*sUn图1-9 等效成单位负反馈和小惯性的近似处理为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器中。