运动控制课程设计(直流单闭环调压调速系统成大版)

1、 转速电流双闭环直流调压调速系统课程设计报告题 目 转速电流双闭环直流调压调速系统学 院 电子信息工程学院 专 业 自动化 学生姓名 XXXXXXX 学 号 XXXXXXXXXXX 年级 2011 级指导教师 谭健敏 职称 讲师 2014年 11月 10 日 转速电流双闭环直流调压调速系统的设计摘要：在现代工业的发展中,在调速领域中, 直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统发挥着极为重要的作用。双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。它通过转速和电流两个调节器分别引入转速负反馈和电流负反馈，并构成双闭环系统；动静态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得

2、良好的动静态效果。本设计主要采用三相全控桥式整流电路对直流电机供电，并采用工程设计的方法来计算调节器的相关参数；从而电流环设计成典型I型系统，速度环设计成典型型系统。 关键词：调速系统；双闭环；工程设计目 录第一章 系统设计参数要求11.1 主要技术参数11.1.1 系统性能要求11.1.2 他励直流电动机参数11.2 晶闸管电动机系统主电路21.2.1 整流变压器容量的选择21.2.2 晶闸管器件的选择2第二章 系统总体设计32.1 双闭环系统32.2 系统电路结构图32.3 稳态结构图42.4 三相桥式整流电路5第三章 按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器53.1 电流

3、调节器的设计53.2 转速调节器的设计8第四章 调节器参数计算94.1 电流调节器参数计算94.1.1 确定时间常数94.1.2 选择电流调节器结构94.1.3 计算电流调节器参数94.1.4 校验近似条件94.1.5 计算调节器的电阻电容104.2 转速调节器参数计算104.2.1 确定时间常数104.2.2 选择转速调节器结构104.2.3 计算转速调节器参数104.2.4 检验近似条件114.2.5 计算调节器电阻和电容114.2.6 校核转速超调量11第五章 调速系统的仿真125.1 电流环系统的仿真125.1.1 电流环的仿真模型125.1.2 电流环的仿真结果125.1.3 电流环

4、的仿真说明145.2 转速环系统的仿真155.2.1 转速环的仿真模型155.2.2 转速环的仿真结果155.2.3 电流环的仿真说明16第六章 结 论17参考文献18附 录19I成都学院课程设计报告第1章 系统设计参数要求1.1 主要技术参数1.1.1 系统性能要求1) 稳态无静差；2) 调速范围：；3) 静差率： ；4) 起动时电流超调量：；5) 在额定转速时的转速超调量： ；6) 动态速降：；7) 振荡次数：次；8) 控制参数：； ；9) 电流反馈滤波常数:；10) 转速反馈滤波常数:；11) 电流过载倍数： ；12) 电流反馈系数：；13) 转速反馈系数：；1.1.2 他励直流电动机参

5、数1）额定电压：；2）额定电流：；3) 额定转速：；4) 电势系数：5) 电磁时间常数：；6) 机电时间常数：；7) 电枢回路总电阻：；1.2 晶闸管电动机系统主电路1）晶闸管整流电路方案选则三相桥式整流电路；2）晶闸管装置的放大系数：；1.2.1 整流变压器容量的选择根据选择的电机参数中，所以可以得到三相桥式电路带电阻负载时候 因为桥式整流二次侧无直流分量，它的一次测和二次侧容量相等为： 再根据变压器的输出按照80%计算则变压器应该选择。1.2.2 晶闸管器件的选择在三相全控整流电路中，流过晶闸管电流的有效值为：,晶闸管承受的最大反向电压为：；考虑到安全因素的影响，所以：晶闸管的额定电压为：

6、 晶闸管的额定电流为： 选择晶闸管为KP 200型；KP200型晶闸管的相关参数如图1-1所示图1-1 晶闸管的相关参数第2章 系统总体设计2.1 双闭环系统为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节电流和转速。如图2-1，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电力电子变换器UPE。电流环在里面，称作内环；速度环在外面，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。图2-1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子调节器

7、 Un*-转速给定电压 Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压 Ui-电流反馈电压2.2 系统电路结构图采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。所以选用转速电流双闭环系统结构图2-2 双闭环直流调速速系统电路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 P I 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2-2。图中标出了两个调

8、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为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。2.3 稳态结构图 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的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，当调节器饱和时，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节环开环。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。为了实现电流的实时控制和快速跟随，则希望电流饱和器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图2-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图2.4 三相桥式

9、整流电路第三章 按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器用工程用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。图3-1 双闭环直流调速系统的动态结构图3.1 电流调节器的设计反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。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

10、比电流变化慢得多。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响（如图3-2）。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：由于一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作一个惯性环节，其时间常数为图3-2 电流环的动态结构图则可以讲电流环的结构图简化（图3-3），简化的近似条件为图3-3 小惯性环节近似处理电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的控制对象，如果采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 在一般情况下，希望电流超调量，可选，则 再 根据 得到 含给定滤波和反馈滤波的模拟PI型电流调节器原理图（图3-4）

11、图3-4 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器 根据运算放大器的电路原理，可以得出 按典型I型系统设计的电流环的闭环传递函数为 化简可得到近似条件 根据图3-1，电流环的输入量，因此电流环在转速环中应等效为电流的闭环控制改造了控制对象，把双惯性环节的电流环控制对象近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节，加快了电流的跟随作用，这是内环控制的一个重要功能。3.2 转速调节器的设计用电流环的等效环节代替图3-1中的电流环后，整个转速环控制系统的动态结构如图3-5图3-5 转速环的动态结构图为了实现转速无静差，在负载扰动点之前必须含有一个积分环节。它应该包含在转速调节器ASR中，由于扰动点后面已

12、经有一个积分环节，因此转速开环传递函数应有两个积分环节，按典型型系统设计。ASR采用PI调节器，其传递函数为这样，调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益为则则 至于中频宽应选择多少，要看动态性能的要求，无特殊要求时，一般选择为好。含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器原理类似于电流调节器的（图3-4）所以转速调节器参数与电阻和电容的关系为 第四章 调节器参数计算4.1 电流调节器参数计算4.1.1 确定时间常数 因为选择的三相桥式电路的平均失控时间 ；电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取 。4.1.2 选择电流调节器结构 根据设计要求，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计电流调节

13、器。用PI型电流调节器，其传递函数为： 。 检查对电源电压的抗扰性能：，参看典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都可以接受的。4.1.3 计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：； 电流环开环增益：按照要求应取 ，因此 于是，ACR的比例系数为： 4.1.4 校验近似条件 电流环截止频率： ；1） 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件2） 校验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） 效验电流环小时间常数近似处理条件： 满足近似条件4.1.5 计算调节器的电阻电容按照所用运算放大器取 ，各电阻和电容值计算如下： 取 取 取4.2 转速调节器参数计算4.2.1

14、 确定时间常数1） 电流环等效时间常数 ,已经取 ，则 2） 转速环小时间常数 ；按小时间常数近似处理，取 4.2.2 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： 4.2.3 计算转速调节器参数 按照跟随和抗扰性能都比较好的原则，取 ，则 ASR的超前时间常数为： 转速环开环增益可求的为： ASR的比例系数可求的为： 4.2.4 检验近似条件 转速环截止频率为: 1) 电流环传递函数简化条件 满足简化条件 2）转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件4.2.5 计算调节器电阻和电容按照所用运算放大器取 ，各电阻和电容值计算如下： 取 取 取4.2.6 校核转速超调量当时，

15、查表可得并不能满足设计要求。实际上由于表格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，应该按照ASR退饱和的情况重新计算超调量。 当时，查表可得； ； 带入相关的数据算的 能满足设计要求第5章 调速系统的仿真5.1 电流环系统的仿真 仿真过程中的其它基本参数按照相关的规定设置：根据设计额定的转速给定为10V，所以Step模块的阶跃值设为10，Integrator模块的积分饱和值设为10和-105.1.1 电流环的仿真模型图5-1 电流环的仿真模型5.1.2 电流环的仿真结果图5-2 仿真结果图图5-3 仿真结果图图5-4 仿真结果图5.1.3 电流环的仿真说明图5

16、-2 按照 ，PI调节器的传递函数为 设置参数；图5-3 按照 ，PI调节器的传递函数为 设置参数；图5-4 按照 ，PI调节器的传递函数为 设置参数；从波形图中可以得出图5-3相比于图5-2可以得到在无超调的情况，但是上升时间很长；图5-3相比于图5-4上升的时间很短，但是超调量很大；所以可以根据图5-2、图5-3、图5-4的波形，观察PI参数对跟随性能指标的影响趋势，找到符合工程要求的更合适的参数。5.2 转速环系统的仿真5.2.1 转速环的仿真模型图5-5 转速环的仿真模型5.2.2 转速环的仿真结果图5-6 空载启动波形图图5-7 满载电流启动波形图5.2.3 电流环的仿真说明图5-6

17、 按照 PI调节器的传递函数为 ，空载情况下设置参数；图5-7 按照 PI调节器的传递函数为 ，负载电流为136A情况下设置参数；图5-6、图5-7均在电流环按照 ，PI调节器的传递函数为 设置参数；第6章 结 论在本次课程设计中翻阅了以前的课本，以及以前的作业计算本进行了参考计算设计；此次设计时候发现很多公式不熟悉，无法从脑海中直接调用，只能不断的翻阅书籍查找，以及一些概念，不得不在网上查找相关的资料。尤其是指导老师谭健敏老师所给的设计指导思想，要求在每一步，每一个器件参数的选取，尤其是实际的器件需要查找市场相应的型号规格，不能根据计算值随便的选取，应该结合市场提供的产品和计算值相结合。公式

18、的选择都要做到有理有据，要有实际的参数，和可行性；这些方法和思想不但帮助完成了课程设计，还教会了我们在以后的工程设计的相关工作中要做到严禁，不能马虎凭感觉办事。从课程设计中得到，转速的退饱和超调量与稳态转速有关，当按照线性系统计算和按照退饱和过程计算时，超调量的值却不一样；在设计电流环的时候，忽略反电动势的条件下，可以满足系统的要求，得出反电势对电流环影响可以不计，在转速环中，却不能忽略反电动势的影响，只是在实际的设计中考虑到反电动势的影响会使超调量更加小，所以忽略对系统的影响不是很大。在工程设计中，分别对电流环和转速环的转折频率以及截止频率的比较，可以得到设计的外环响应比内环慢，这样有利于系

19、统的稳定，以及系统的调试，但是不能有利的达到快速性的指标。在使用MATLAB的仿真中，因为工程设计是在一定的近似条件下得到的，所以仿真的结果可能存在不足，这就要根据实际情况对部分的仿真参数进行适当的修正。参考文献1 阮毅，陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统 M4版北京：机械工业出版社，20092 张德丰，雷晓平，周燕MATLAB基础与工程应用 M北京：清华大学出版社，20113 谭健敏运动控制系统课程设计指导书 成都大学电子信息工程学院自动化系，20134 王兆安，刘进军电力电子技术 M5版北京：机械工业出版社，20095 彭鸿才电机原理及拖动 M2版北京：机械工业出版社，2007附 录表格1：晶闸管整流器的失控时间表整流电路形式最大失控时间平均失控时间单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67表格2：典型I型系统动态跟随性能指标和