转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计专业课程设计报告格式要点

1、专业课程设计报告（级本科）题 目：转速电流双闭环可逆直流调速系统的仿真与设计学院：学院专业：班级：姓名：学号：同组同学：设计时间：评定成绩：指导教师：年 月大学专业课程设计任务书课程名称专业课程设计课程代码15设计题目（可以采用晶闸管整流器 -电动机系统,也可以采用直流PWM变换器-电动机系统）设计时间年 月 日年 月 日专学院学院班级业课程设计任务、具体技术参数课程设计任务:1. 确定控制系统方案主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案2. 确定每一级的具体技术指标（如放大倍数、输入输出电阻、电源电压等）在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中

2、的一个环节， 再设计转速调节器。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定,以滤平电流检测信号为准。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，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节， 称作给定滤波环节。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Ton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 为Ton的给定滤波环节。2.1电流环的设计确定时间常数整流装置之后时间常数Ts三相桥式电路的平均失控

3、时间Ts=0.0017s电流滤波时间常数Toi。为了基本滤平波头。因此取 Toi=2ms=0.02s。电流环小时间常数之和 T i。按小时间常数近似处理，取T j=Ts+Toi=0.0037s=（2）选择电流调节器的结构根据设计要求i % 5%并保证稳态电流无差，可按照典型I型系统设计电流调节器，因此可用PI型电流调节器。其传递函数为Wacr s Ki iS 1 1.0130.03S 1is0.03s>含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器(3)选择电流调节器参数要求i%5% 时，应取 KiT i 0.5，因此 KI Tl T i0.5 0.00371135.1s于是，KiKiiR 13

4、5" °.°3 °.51.013。Ks0.0540(4)校验近似条件要求要求1ci11要求1180.8s现-11 s 1196.1s 1 ci。ci 0ci计算电流调节器电阻和电容取R040k ，则RnKnR。1.013 40k40.52k取Rn40kCiiRi0.03 F 3厂 40 1030.75 F取 0.75Coi4Toi4 0.00240 103106 F0.2 F取 0.2 F按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为i%4.3%5%，故满足设计要求。2.2转速环的设计(1)确定时间常数T°n0.0174s。UtO按跟随和抗扰性能都较

5、好的原则，取h 5，则hT n 5 0.0174s 0.087sKnh 12h2T6 225 0.01742 S396.4s 2则 KnCeTm6 0.05 0.1322h RT n10 0.007 0.5 0.174°1811.7电流环等效时间常数为2T i 0.0074s。根据所用发电机纹波情况，取转速滤波时 间常数Ton 0.01s。转速小时间常数近似处理，取 T n 2T i(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 WasrSiA卜十+含给定滤波与反馈滤波的 PI型转速调节器(3) 计算转速调节器参数(4) 检验近似条件要求cn要求,KcnN n39

6、6.4 0.087s 134.5s 1。KiKI，现 11135.113；0.0037S 63.7 Scn。满足简化条件iV135"s1 38.7s13，0.01cn 3 . TO/ 现 33 MT ;cn满足近似条件计算调节器电阻和电容取R040k ，则RnCnConKnR011.7 40 k0.087R,470 103106468 k取 R, 468 k0.185 F 取 0.2 F4Ton 4 0.01可 40 103106(6)校核转速超调量n%CmaxCbnNz n NTm当h 5时,CmaxCbInR81'2%，而 nNCe136 0.5r min 515.2r

7、min，因此0.132n%81.2%2 1.5 5152°.01741600 0.187.66%10%(7)校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间tst2 t t2CeTmnN°18R In02 200 s 0.12s8 2.03 3.7可见能满足设计要求。3. 静态设计该系统是属于双闭环调速系统，其中具有转速环，称为外环，还有就是电流环，这 里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给asr，内环我们这里采用直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器 GM、脉宽调 制器UPM、逻辑延时环节DLD以及绝缘栅双极性晶体管的 GD和脉宽

8、调制变换器组成。 直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，与晶闸管直流调速系统的区 别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管交流装置，作为系统的功率驱动器。脉宽调制 器是有一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。运算放大器工作在开环状态， 在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制的方波脉冲序列，为PWM提供所需要的脉冲信号。逻辑延时环节DLD保证在一个管子发出关断脉冲 时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流保护 FA 信号，一旦桥臂电流超过允许最大电流值时， 使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。*UiASR U iACR +

9、 卄-1RUc UPE Ud01-IdEUKs1/CeUn双闭环直流调速系统的稳态结构图在负载电流小于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。4. 动态设计在动态系统中为了改善系统的动静态性能，我们设置调节器，包括给定信号的跟随性指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。在跟随性能指标包括上升时间tr，超调量与C max C峰值时间tp，并且有式子 100%，调节时间ts。抗扰性能指标包括动态降C落C max和恢复时间tv。该系统是属于双闭环调速系统，其中具有转速环，

10、称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR，内环我们这里采用直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD以及绝缘栅双极性晶体管的 GD和脉宽调制变换器组成。 直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，与晶闸管直流调速系统的区 别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管交流装置，作为系统的功率驱动器。脉宽调制 器是有一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。运算放大器工作在开环状态， 在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制的方波脉冲序列，为PWM提供所需要的

11、脉冲信号。逻辑延时环节DLD保证在一个管子发出关断脉冲 时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流保护 FA 信号，一旦桥臂电流超过允许最大电流值时， 使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。5. 仿真研究使用Matlab中的simulink来绘制转速电流双闭环可逆直流调速系统，对其进行仿真， 通过计算选择ASR和ACR两个调节器PI参数，来使设计的系统达到完善，进而通过示 波器模块的图像显示出来的波形来确定系统的设计。6. 实验研究通过实验来验证双闭环可逆直流调速系统，并掌握其组成原理及主要单元部件的工作 原理，实验中应用PWM变换器和集成电路SG3525,调试控制

12、单元，经过一系列的努力 以及各个模块的搭建，最终使得当调节不同占空比时，电动机运动方向不同。1时,211为正，电动机正转， -时， 为负，电动机反转，-时，=0，电动机停止。227撰写报告通过这次双闭环直流脉宽调速系统的课程设计，对自己学习运动控制系统有了较深刻 的认识。我认识到不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后 一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘， 而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人 对你的认可！课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让

13、我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。我认为， 在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有 了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的， 真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对 于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣 的事情，发现其中珍贵的事情。直流电动机参数：功率：100W，额定电压：200V，额定电流：0.5A,额定转速：1600rpm二、对课程设计成果的要求（包括课程设计说明书、图纸、图表、实物等软硬件要求）1. 设计报告主电路选用直流脉宽

14、调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电 流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。2. 系统总方案图主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。逆变器采 用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于 脉宽调速系统特有的部分主要是 UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体 管驱动器GD和PWM变换器。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，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流， 后者通过

15、转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到 调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用， 调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反 馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节 电机的电枢电流以平衡负载电流原理图。3. 系统动、静态参数直流电动机参数：功率：100W，额定电压：200V，额定电流：0.5A，额定转速：1600rpm动态参数：由于选择典型I型系统，而要求5%，故查表可知上升时间tr为4.7T,峰值时间为6.2T，KT=0.5静态参数： =0.05V/A，

16、=0.007V/A4. 仿真设计图和结果转速电流双闭环直流可逆调速系统仿真图仿真输出波形图5. 实验研究照片和实验研究结果MMCL-Fff电力串于电弓药3实验总体接线图主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。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，逆变器采用带续流二极管的功率开关管 IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换 器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节 DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器 GD和PWM变换器。实验研究结果：通过掌握双闭环直流可逆调速系统的组成、原理及各主要单元部件的

17、 工作原理，理解直流PWM专用集成电路SG3525的组成功能及PWM变换器的各种方式 的原理及特点，连接好电路，经过不断调试，观察了不同位置产生的波形，调节不同的 占空比，最终实现了电动机的正反转运行。三、课程设计工作进度计划：日系统总体方案设计日系统静态、动态设计日系统仿真日实验研究日撰写报告四、主要参考资料1. 电力拖动自动控制系统，阮毅，陈伯时，机械工业出版社。2. 电力电子技术，王兆安，刘进军，机械工业出版社。3. 自动化学报杂志。4. 电气传动自动化杂志。指导教师（签名）：专业负责人（签名）：转速调节器不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此Ui* * Un n no.Ui*

18、UiId，式中，分别为转速和电流反馈系数，由第一个关系式得n 匹 no当ASR达到限幅值Ui*,双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统，稳亠 U im * 态时 |d |dm。在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。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双闭环直流调速系统的静特性如上图所示，U； Un nno，Ui* Ui Id式中， 一一转速和电流反馈系数。由第一个*关系式可得n b ；o，从而得到上图静特性的 CA段。与此同时，由于 ASR不饱和，U*i < U*im，从上述第二个关系式可知：Id < Idm。这就是说，CA段静特性从 理想空载状态的Id = 0