运动控制系统课程设计-直流电动机调速系统课程设计.doc

直流电动机调速系统课程设计报告 姓名： 班级：电气优创0902 学号： 同组人：目录第一章 设计内容及要求1.设计内容：2.设计要求：第二章 双闭环直流调速系统设计1.系统的组成2.系统的原理图3.系统的稳态结构框图和静特性3.1系统稳态结构图3.2系统静特性3.3各变量稳态工作点和稳态参数的计算4.双闭环直流调速系统的动态结构图5.调节器的设计5.1电流调节器的设计5.2转速调节器的设计6.调速系统的开环传递函数第三章 单闭环直流调速系统设计1.闭环调速系统的组成及其静特性2.静特性方程式3.稳态结构框图4.动态结构框图5.稳态参数计算6.判别系统的稳定性7.调速系统的开环传递函数8. 实验室实测结果9.电路控制图10.转速单闭环直流调速系统零件表第四章 设计总结及心得第五章 附录参考资料第一章 设计内容及要求1.设计内容： 1.1根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统。1.2根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，并利用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统。2.设计要求： 2.1根据设计要求完成单闭环、双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图。 2.2按工程设计方法设计转速单闭环、转速电流双闭环直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量及GM、计算调节器参数、绘制系统动态及结构图。 2.3设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图。2.4测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、PWM电压波形、电机电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。3.设计参数： 3.1直流电动机参数：PN=20W、UN=24V、IN=1.5A、nN=3000r/min、电枢电阻Ra=1.8电枢电感La=9.76mH、GD2=16.68Ncm2、Tm=35ms。 3.2测速发电机参数：Un=80V，nN=3000r/min，PN=16W，IN=200mA，负载电阻R=400。 3.3 PWM主电路：驱动频率f10kHz,R=2.7+1.8=4.5。 3.4 设计指标:转速电流双闭环直流调速系统：U *n=10V，Uim=10V，Idm=1.5IN，i5%，n10%。第二章 双闭环直流调速系统设计1.系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调节系统可以在保证系统稳定的前提下实现无静差调速。但对于系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足要求了。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个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应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制是：起动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调机器的输入，再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里，称作内环；转速换在外，称作外环。这就形成了转速电流双闭环调速系统。2.系统的原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。3.系统的稳态结构框图和静特性3.1系统稳态结构图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图3所示。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况： 饱和输出达到限幅值：当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值：当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 3.2系统静特性 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图4中虚线所示。 3.3各变量稳态工作点和稳态参数的计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。 这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。由已知条件，带入公式（4）和公式（5），得 4.双闭环直流调速系统的动态结构图5.调节器的设计 作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分作两步：第一步：选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。第二步：设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。5.1电流调节器的设计5.1.1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。驱动频率 f10kHz 时，PWM装置的延长时间Ts=0.1ms=0.0001s。（2）电流滤波时间常数Toi。 应有（1-2）Toi=0.1ms，因此取Toi=0.06ms=0.00006s。（3）电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取Ti= Ts+Toi=0.00016s。（4）电磁时间常数Tl。Tl=L/R=9.76mH/4.5=0.0022s。5.1.2选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 式中 Ki-电流调节器的比例系数； i-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： ,参照表1的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。表1 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系5.1.3计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益:要求时,按表2可取 ，因此， PWM装置的放大系数： 于是，ACR的比例系数为：表2典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系5.1.4 校验近似条件电流环截止频率：(1)PWM装置传递函数的近似条件： 满足近似条件。(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 满足近似条件。(3)电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。5.1.5 计算调节器电阻和电容由图6，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 取90 ，取0.024 取0.006 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。图6含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器5.2转速调节器的设计5.2.1 确定时间 （1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则: （2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取 . （3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 5.2.2 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为 5.2.3 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 则转速环开环增益 可得ASR的比例系数为式中电动势常数 5.2.4检验近似条件 转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件。 5.2.5计算调节器电阻和电容根据图7所示，取，则 取 , 取 , 取 图6 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器5.2.6校核转速超调量当h=5时，查表3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于表3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。 设理想空载起动时，负载系数，已知， ， ，。当时，由表4查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 （6） 调速系统开环机械特性的额定稳态转速为基准值，对应为额定转速。根据式（6）计算得 满足设计要求。 表3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标表4典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系6.调速系统的开环传递函数，其中代入以上求得的数据得应用MATLAB编程画伯德图，如下图所示直流双闭环调速系统伯德图第三章 单闭环直流调速系统设计1.闭环调速系统的组成及其静特性根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。 调节原理 ： 在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 DUn ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。2.静特性方程式速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式:式中: 放大器的电压放大系数； 电力电子变换器的电压放大系数； 转速反馈系数，（Vmin/r）； UPE的理想空载输出电压； 电枢回路总电阻。3.稳态结构框图 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。4.动态结构框图由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是: 式中 K = KpKs/Ce 5.稳态参数计算 （1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为（假设要求调速范围D=10，静差率s5%；）：（2）求闭环系统应有的开环放大系数。先计算电动机的电动势系数 则开环系统额定速降为 闭环系统的开环放大系数为 （3） 转速反馈系数 （4） 运算放大器的放大倍数 取Kp=416.判别系统的稳定性为保证系统稳定，开环放大系数应满足的稳定条件为按稳态调速系统指标要求显然，系统完全能在满足稳态性能的要求下稳定运行。7.调速系统的开环传递函数反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是代入已经求得的数据有应用MATLAB编程画伯德图如下图所示直流单闭环调速系统伯德图 8. 实验室实测结果8.1 upc4570端口输出波形（方波）8.2 uPC4570端口输出波形（三角波）8.5 LM311端口输出波形8.4 TD62084端口输出波形8.5电动机电枢电流波形9.电路控制图9.1主电路图9.2控制电路图9.3总体电路图9.4总体电路实物图10.转速单闭环直流调速系统零件表名称个数名称个数运放upc45701电动机SS40E21运放Upc457415.1K电阻5比较器LM311210K电阻6与门74HC08120K电阻2非门TD62084112K电阻2光耦TLP25041.2M电阻1MOS管2SK26614300电阻4触发器74HC14122电阻1二极管1DL42A251电阻40.1电容73K电阻43300P电容1100K电阻10.47电容11M电阻11200P电容120K电位器10.01电容410K电位器11电容1直流稳压电源，导线等第四章 设计总结及心得 通过本次设计，使我受益匪浅。整个设计过程历时长达半个月，无论是在寝室还是在实验室，我与我组成员都积极研究实验相关资料，做了大量计算，既做到动手也同时让自己对直流调速系统有了深刻的认识。 起初，我们仔细阅读了运动控制理论这本书上与设计课题相关的章节，大致了解了设计方向。接着，我们上网查阅了大量涉及实验相关的器件资料，掌握芯片型号，管脚作用及连接图，模拟了设计的大体框架。期间我们还用了大半天的时间在实验室搭线，组装，测试。最终完成了整个设计。 这次设计，让我更加熟悉和掌握了转速电流双闭环直流调速系统和转速单闭环直流调速系统的结