运控课设报告格式

1、北方工业大学北方工业大学课程设计报告课程设计报告姓姓 名名 学学 号号 专专 业业 班班 级级 小组成员小组成员 课程名称课程名称 设计题目设计题目 起止时间起止时间 成成 绩绩 指导教师签名指导教师签名 北方工业大学运动控制系统课程设计2目录目录图表目录图表目录.3前言前言.4摘要摘要.41 系统方案选择和总体结构设计系统方案选择和总体结构设计.51 . 1 调速方案的选择.51 . 1 . 1 系统控制对象的确定.51 . 1 . 2 电动机供电方案的选择.51 . 2 总体结构设计 .51 . 2 . 1 系统结构选择.51 . 2 . 2 系统的工作原理.62 主电路设计与参数计算主电

2、路设计与参数计算.62.1 整流变压器的选择与计算.62.2 晶闸管元件的选择与计算.62.3 晶闸管保护环节的计算.62.3.1 过电压保护.62.3.2 过电流保护.62.4 平波电抗器的选择与计算.63 触发电路的选择与校验触发电路的选择与校验.63.1 晶闸管触发控制电路的设计.74 控制电路的设计与计算控制电路的设计与计算.74.1 给定环节电路的设计与计算.74.2 检测装置的设计与计算.74.2.1 转速检测装置的设计与计算.74.2.2 电流检测装置的设计与计算.74.3 调速系统的静态参数计算.75 双闭环直流调速系统的调节器设计双闭环直流调速系统的调节器设计.75.1 调节

3、器的设计与计算.75.1.1 电流调节器的设计与计算.75.1.2 转速调节器的设计与计算.75.2 调节器电路的设计与计算.76 MATLAB 仿真仿真.76.1 SIMULINK 模型的构建.76.2 SIMULINK 模型的仿真调试与结果.76.3 SIMULINK 模型仿真结果的分析.77 结论结论.78 参考文献参考文献.8北方工业大学运动控制系统课程设计3图表目录图表目录图 1-1 带电流负反馈截止环节的单闭环调速系统总体结构图 .5图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图 .6北方工业大学运动控制系统课程设计4前言前言 直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机

4、械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工作电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。如轧机、龙门刨床、推床、压下装置和剪床这类机械需要尽量缩短起动、制动时间，保证系统的快速性，以提高生产率。快速性是应该首先保证的动态性能指标。 摘要摘要 在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力，但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求。晶闸管电动机调速系统（VM 系统）在 20 实际 60 年代开始逐步取代 GM 系统而成为 20 世纪后 30 年中直流调速系统的主要形式。电源是静止装置，由电力电子 AC/DC 变换器

5、供电。输出电压可调的电力电子AC/DC 变换器最常见的就是大家所熟悉的晶闸管可控整流器，通过改变晶闸管的可控整流器的控制角 来改变可控整流器输出电压的极性和大小。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值

6、，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。在设计过程中，为了实现转速和北方工业大学运动控制系统课程设计5电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 设计好系统的结构图以及参数选择计

7、算后，我们还通过用 MATLAB 来对所设计的系统进行仿真。通过对仿真图行的结果分析计算反过来又验证设计的正确性。关键词：XXX,XXX,XXX,XXX北方工业大学运动控制系统课程设计61 系统方案选择和总体结构设计系统方案选择和总体结构设计本设计主电路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电方案，控制电路由触发控制芯片实现系统的功能。系统包括模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器和直流电动机等。1 . 1 调速方案的选择调速方案的选择调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。1 . 1 . 1 系统控制对象的确定系统控制对象的确定(

8、1）技术数据：本次设计选用的直流电动机的额定参数为 11kW、230V、47.8A、1450r/ min,电枢电阻 Ra=0.9,电机过载系数为 =1.5,电机飞轮矩GDa2=6.39Nm2，(2) 电枢回路总电阻可取为 R=2Ra=1.8，系统总飞轮矩 GD2=2.5 GDa2 (3)设计要求:调速系统性能指标：调速范围 =10，静差率 5%；Ds稳态指标：稳态无静差，电流脉动系数10%；is动态指标：电流超调量5%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量i10%。n抗扰性能：在负载波动70%时，15% ，恢复时间400ms。max%nvt要求系统具有过流和过压保护。要求对拖动系统设置给定积分器

9、。1 . 1 . 2 电动机供电方案的选择电动机供电方案的选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有 3 种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。1)旋转电流机组此系统简称 G-M 系统，由交流电动机拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速北方工业大学运动控制系统课程设计7的直流电动机 M 供电。调节 G 的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速N。但是该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机和励磁发电机。因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装需要打地基，运行有噪声，维护不方便。20 世纪

10、 60 年代后逐渐被淘汰。2)直流斩波器和脉宽调制变换器过去用切换电枢回路电阻来控制电动机的启动制动调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实现无触点控制，现在多采用电力电子开关器件。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发成使用各种脉宽调制开关的电路，称为脉宽调制变换器。此系统可实现电机的可逆无级调速。3)静止可控整流器晶闸管-电动机调速系统，简称 V-M 系统。它克服了旋转变流机组的许多缺点，大大缩短了响应时间。在控制器的快速性上，变流机组是秒级，晶闸管整流器是毫秒级，大大提高了系统的动态性能。现代晶闸管应用技术已经成熟，只要器件质量过关，装置设计合理，保护电路齐备，晶闸管装置的运行是

11、十分可靠的。三相全控桥式整流器电路采用共阴极接法的三相半波和共阳极接法的三相半波的串联组合，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流，因此变压器绕组中没有直流磁通，且每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器的利用率，且直流侧脉动较小，元件利用率较好，无直流磁化同时波形畸变较小，故选择三相全控桥式整流电路可用来给直流电机供电。1 . 2 总体结构设计总体结构设计1 . 2 . 1 系统结构选择系统结构选择虽然采用 PI 调节器的单个转速比换直流调速系统（单闭环系统）可以保证在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

12、，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , 其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产北方工业大学运动控制系统课程设计8机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器

13、局部饱和,从而破坏系统的正常工作。采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 因此本次课程设计的系统结构将被设定为转速电流双闭环直流调速系统。其系统总体结构图如图 1-1 所示。图图 1-1 带电流负反馈截止环节的单闭环调速系统总体结构图带电流负反馈截止环节的单闭环调速系统总体结构图1 . 2 . 2

14、 系统的工作原理系统的工作原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速电流双闭环调速系统。理想的快速起动在电机最大允许电流和转矩受限制的调解下，能够充分利用电机的过载能力，在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统能够以最大的加速度起动，达到稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从

15、而转入稳态运行。由于主电路电感的作用，电流不可能突变，但是在双闭环系统中采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程。为了获得良好的动静态性能，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 1-2 所示。北方工业大学运动控制系统课程设计9图图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图2 主电路设计与参数计算主电路设计与参数计算2.1 整流变压器的选择与计算整流变压器的选择与计算(1)的计算2U )230 U( 133V132.793/1 UNN2V（2）一次和二次向电流和的计算1I2I = 23.6A KIKIdNIL1 =39Ad

16、NLVIKI2由表得 K=0.816, K=0.816 ， =47.8A,ILLVNdI变压器变比(相电压比值)65. 1133220K北方工业大学运动控制系统课程设计10（3）变压器的容量计算=26904VA23.638033111111IUIUmS15561VA3913333222222IUIUmSVASS5 .21232)1556126904(21)(21S21=15620VAdNVUVSTTIUKKSSS221查表可知功率计算因数05. 1STK整流电压计算因数34. 2UVKVU1332AIdN47.82.2 晶闸管元件的选择与计算晶闸管元件的选择与计算AIIVT392IAIVTAV

17、VT8 .2457. 1)(晶闸管承受的最大正向电压等于最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值:北方工业大学运动控制系统课程设计11。考虑安全裕量，选择电压裕量为VUUURMFM85.32513345. 23222 倍关系，电流裕量为 1.5 倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为： VUVTN7 .65185.3252 AIVT2 .378 .245 . 12.3 晶闸管保护环节的计算晶闸管保护环节的计算2.3.1 过电压保护过电压保护系统在变流器交流侧使用压敏电阻保护电路1）额定电压LmAUU21233. 1二次线电压有效值VUUL1 .361133357. 1357. 122VUmA1

18、 .6791 .361233. 112）泄放电流初值能量转换系数，使用空气断路器LZRmIKI02235 . 0ZK变压器空载线电流有效值AIIL5.3357. 1%5202AIRm3.243 . 55 . 0233）压敏电阻最大电压压敏元件非线性系数1RmRRmIKU20压敏元件特性系数VUKmAR7 .9501 .6794 . 14 . 11VURm6653.247 .9502014）过电压倍数1.31 .361266522LRmguUUK北方工业大学运动控制系统课程设计125）计算和校验压敏电阻的能耗实际能耗泄放电流初值2RmmRYILAAIRm3.24变压器每相励磁电感变压器短路电压（

19、阻抗电压）百分比=6，估计值取值偏大便mLe于校验HIUeKfLdNTLm42105 . 647.8133100622. 1502110021漏感计算因数 22. 1KTL0、8？满足能耗要求AAARY8 . 00068. 024. 3105 . 624图图 2-2 压敏电阻型号参数压敏电阻型号参数由以上计算可知压敏电阻选择 MYG-32D112K图图 2-3 压敏电阻接法压敏电阻接法北方工业大学运动控制系统课程设计132.3.2 过电流保护过电流保护系统使用快速熔断器实施过电流保护，通常采用臂接方式1）额定电压VLFNUU1 . 1整流变压器二次线电压有效值VUVL1 .361VUFN2 .

20、3971 .3611 . 12）额定电流电流计算系数DNIFNIKI3 . 131IK负载电流有效值AIDN758 .4757. 1AIFN3 .5637513 . 1由于晶闸管一个周波的过载能力小于熔断器，所以选择额定值较小的熔断器熔断器参数熔断器参数由以上计算可知选择 RS3-500/500,连接方式为臂接见图 2-5。图图 2-5 臂接臂接北方工业大学运动控制系统课程设计142.4 平波电抗器的选择与计算平波电抗器的选择与计算1）电动机电枢电感无补偿电动机系数极对数MNMNMNMnIPnUCL21 .194 . 0C1PVUMN230min/1450rnMNAIMN8 .47HLMn01

21、267. 047.81450122304 . 01 .192）励磁绕组电感由于相关数据缺失无法计算如：主级每极匝数，额定励磁电流时主iL极漏磁系数，额定励磁电流时每极有效磁通NN3）整流变压器电感频率为 50时电源角频率dNTLTIUeKL1002ZHsrad /314HLT00064. 08 .47314100133622. 14）限制电流脉动所需电感值TLmnMNUVmdmdLKLIUKKL2计算系数脉动率mseKmd5 . 0131005 . 0arccoscos310%10电枢电感变压器电感折算系数mHLMn12.62LKmHLmd67.1864. 0212.647.81 . 0133

22、34. 25 . 05）保持电流连续所需电感值TLMnUVlxlxLKLIUKKLmin2电感计算系数msKlx3 . 0AIIdn39. 28 .4705. 005. 0minmHLlx2 .2564. 026 .1239. 213334. 23 . 0由以上计算可知平波电抗器取 中最大值即，对于不可逆系统可将平mdLlxLmHLlx2 .25波电抗器串联在电动机电枢端。见下图北方工业大学运动控制系统课程设计153 触发电路的选择与校验触发电路的选择与校验北方工业大学运动控制系统课程设计163.1 晶闸管触发控制电路的设计晶闸管触发控制电路的设计集成电路可靠性高，技术性能好。国内常用 KJ

23、系列集成触发芯片，使用三个 KJ004集成块和一个 KJ041 集成块就可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大可构成完整的三相全控桥整流电路的集成触发电路。KJ004 内部结构与分立元件的锯齿波移相触发电路相似。可分为同步，锯齿波形成，移相，脉冲形成，脉冲分拣及脉冲放大几个环节。图 3-1 双窄脉冲触发电路原理图北方工业大学运动控制系统课程设计174 控制电路的设计与计算控制电路的设计与计算4.1 给定环节电路的设计与计算给定环节电路的设计与计算转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给

24、定电压。其电路原理图如下图所示。电压给定范围 010V，2111RPR KR11 KRP21 转速给定电路原理图4.2 检测装置的设计与计算检测装置的设计与计算4.2.1 转速检测装置的设计与计算转速检测装置的设计与计算转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如下图所示。北方工业大学运动控制系统课程设计18 转速检测电路原理图4.2.2 电流检测装置的设

25、计与计算电流检测装置的设计与计算电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如下图所示。 电流检测电路原理图北方工业大学运动控制系统课程设计194.3 调速系统的静态参数计算调速系统的静态参数计算额定励磁下电动势系数291 . 014509 . 047.8230NaNNenRIUC额定励磁下的转矩系数232. 1/291 . 03030eMCC电力拖动系统机电时间常数sCCRGDTMem0.48232. 1291 .

26、03759 . 026.395 . 23752电枢回路电磁时间常数sRLTl210 . 09 . 0238510 . 0其中HLLLLPTMn03851. 02520 . 000064. 012670 . 0整流器滞后时间常数smfTS0017. 05062121其中全控桥式整流器脉波数6m整流器放大系数125.201223005. 105. 1ctmNSUUK其中电流调节器输出限幅值取VUctm12电流反馈系数AVIUdmim/139. 08 .475 . 101*其中速度调节器输出限幅值取VUim01*取电流反馈滤波时间常数三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms，为了基本滤平波头，应有

27、,因此取msToi33. 321smsToi002. 02转速反馈系数1*min/0069. 0145010rVnUNnm其中转速给定最大值取VUnm10*取反馈滤波时间常数sTon01. 0北方工业大学运动控制系统课程设计205 双闭环直流调速系统的调节器设计双闭环直流调速系统的调节器设计5.1 调节器的设计与计算调节器的设计与计算5.1.1 电流调节器的设计与计算电流调节器的设计与计算电流环的主要作用是限制电流过大，使电流超调量尽可能的小。一般校正为典型型系统，调节器使用 PI 调节器sTli210 . 0826. 1002. 00017. 00.1252139. 02210 . 01.8

28、2oiSSliTTKTRK0.0115iiIiKK校验近似条件。电流环截止频率: sTKiI1 .1350037. 02121 sKIci1 .1351）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：13cisT因为 ，所以满足近似条件。111196.133 0.0017ssTci2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：13cimlT Ts12.43021. 048. 013ci满足近似条件。3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件:北方工业大学运动控制系统课程设计21113cisoiT T,满足近似条件。11111180.78330.00170.002soisTTci4） 检验电流环

29、超调量电流闭环性能指标%5%3 . 4按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。5.1.2 转速调节器的设计与计算转速调节器的设计与计算转速的超调与动态速降均可由抗扰指标来衡量，因此将转速调节器校正为典型型系统调节器使用 PI 调节器sTTTonin0174. 001. 00037. 022按最小谐振峰值法设计，取中频宽度得“三阶工程最佳设计法”设计参数pM5hsTnn087. 00174. 05523.8960174. 01.80069. 00.48291 . 0139. 0521521nmenTRTChhK=0.00364nnKInK校验近似条件。选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都