120V10KW转速电流双闭环调速系统建模和仿真设计

1、. . . . 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课程设计（论文）任务与评语院（系）： 汽车与交通工程学院 教研室：新能源车辆工程学 号9学生专业班级课程设计（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

2、波时间常数=0.002s； 电流反馈系数=0.01V/A，转速反馈系数=0.001V·min/r；总飞轮力矩=6N·m2设计容：1.双闭环控制系统结构设计与参数计算；设计双闭环控制系统电流环与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与仿真电流环计算机仿真与参数调整转速环计算机仿真与参数调整 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与成绩成绩：

3、指导教师签字： 年 月 日目录摘要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、控制系统的建模以与仿真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与电路图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摘 要直流调速系统具有调速围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，在电气传动中应用

4、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，电流调节器以与转速检测环节，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

5、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 的结构与参数进行设计设计仿真。按照设计多环控制系统先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。因为电流环作为环，在稳态特性上我们要求

6、电流无静差，以得到理想的堵转特性，在动态特性上我们要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与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

7、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一样的延时，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环节。2. 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

8、常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，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。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，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。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，其时间常数为：则电流环结构框图最终简化成下图1-4。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

9、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）式中 -电流调节器的比例系数 -电流调节器的超前时间常数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.图1-6 校正成典型型系统电流环开环对数幅频特性校验 ， 是否满足条件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，待定的只有比例系数，它可根据所需的动态性能指标选取4。计算电流环开环增益： （1-2）计算电流调节

10、器的比例系数：（1-3）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，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。根据运算放大器的电路原理计算，是否满足要求。图1-7 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器3. 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，由图1-5可知： （1-4）忽略高此项，可降阶近似为： （1-5）接入转速环，电流环等效环节的输入量应为，

11、因此电流环在转速环中应等效为： （1-6）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。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。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，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的惯性环节，其中，则转速环结构框图可化简成图1-9。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

12、在转速调节器中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求7。至于其阶跃响应超调量较大，那么线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。由此可见也应该采用PI调节器，其传递函数为：（1-7）式中 -转速调节器的比例系数 -转速调节器的超前时间常数图1-10 校正后成为典型系统这样，调速系统的开环传递函数为：（1-8）令转速环开环增益为： （1-9） 则 （1-10） 至于中频宽为多少，要看动态性能的要求决定。 转速调节器的参数的计算转速环开环增益为： （1-

13、11）的比例系数为： （1-12）校验转速环的截止频率为： （1-13） 计算调节器电阻和电容图1-11 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器根据图1-11，计算， 是否满足要求最后对转速退饱和超调量进行校核。下面根据第二步的思想进行具体的步骤设计。二、设计步骤：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=0.0

14、1V/A，转速反馈系数=0.001V·min/r；总飞轮力矩=6N·m21、对电流调节器进行设计1.1确定时间常数 整流装置滞后时间常数 。三相桥式电路的平均失控时间为。 电流滤波时间常数 。由条件可知 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=1.2选择电流调节器结构根据设计要求，在保证稳态电流无差的前提下，可按典型型系统设计电流调节器9。电流环控制对象是双惯性的，因此可用 型电流调节器，它的传递函数为（2-1）检查PI电流调节器电流电压的抗扰性能：（2-2）表2-1典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系参照表2-1典型型系统动态抗扰性能13，各项指标都是可以接受的

15、。1.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：表2-2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参数关系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070605超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.64.73.32.4峰值时间8.36.24.73.6相角稳定裕度截止频率电流开环增益：要求时，根据15，按表2-2应取（2-3）因此 （2-4）于是，ACR的比例系数为（2-5）1.4校验近似条件电流环截止频率： （2-6）(1)闸管整流装置传递函数的近似条件 （2-7）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 （2-8）满足近似条件

16、。(3)电流环小时间常数近似处理条件 （2-9）满足近似条件16。1.5计算调节器电阻和电容图2-1含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器由图2-1可知计算各电阻和电容值，其中 取 取 取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标（见表2-2），满足设计要求17。 2、对转速环调节器进行设计2.1确定时间常数（1）电流环等效时间常数:有前面的计算可 （2）转速滤波时间常数 ：根据测速发电机的纹波可知可知转速环时间常数 ：按小时间常数近似处理，取。2.2选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器18，其传递函数表达式为 （2-10）2.3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都比较好的原则，

17、取 ,则ASR的超前时间常数为 （2-11） 转速开环增益 （2-12）ASR的比例系数（2-13）2.4检验近似条件由公式 可得转速环截止频率为（2-14）（1）电流环传递函数简化条件为 （2-15）满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为 （2-16）满足简化条件。2.5计算调节器电阻和电容图2-2 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器根据图2-2已知 取取 取2.6校核转速超调量表2-3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512

18、.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2032211111当 时，由上表2-3查得，不能满足设计 的要求19。实际上，由于上表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退饱和的情况计算超调量。3、对转速调节器退饱和时转速超调量的计算设理想空载启动时 ，已知数据有， ，表2-4典型II型系统动态抗干扰性能指标与参数关系34567891072.2%775%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.85

19、19.8022.8025.85当h=5由表2-420查得 ， 带入 得 ，可以满足设计要求。三、控制系统的建模以与仿真通过以上对直流电机转速环、电流环的计算与选择，我们使用 Maltlab/Simulink平台搭建直流电机双闭环系统的模型，调试相关参数来达到设计的要求。图3-1 使用Simiink软件建模出的动态结构图 分别在空载与额定负载的情况下，使电机转速的给定信号由零阶跃为额定转速值，进行的计算机仿真：图3-2空载无电网扰动的转速曲线曲线分析：转速曲线由开始逐渐上升，经过短暂的升速达到峰值，经过一段超调调整后，转速到达稳定，为3313r/min。图3-3空载无电网扰动的电流曲线曲线分析：

20、电流曲线快速上升，且在0.0125s时达到峰值，经过超调调整后，电流稳定在138A一段时间，随后慢慢下降直至将至为0A。图3-4 空载无电网扰动的转速和电流曲线曲线分析：电流曲线开始时逐渐上升，电机几乎不转，当达到电流限幅值后，电流保持不变，转速快速上升，当转速稳定时，电流下降至0，此时电机转速稳定在3313r/min，电流为0A。图3-5空载无电网扰动的ASR输入、输出曲线曲线分析： ASR输入、输出信号开始时，输入信号快速达到2.93。随后缓慢下降至-0.312之后一直保持不变，ASR输出信号开始时为1.42，在5.9秒时降至为0之后保持不变。图3-6空载无电网扰动的ACR输入、输出曲线曲

21、线分析： ACR输入、输出信号开始时，输入信号在1s时开始上升至1.42保持到6秒时开始下降至0随后保持不变。ACR输出信号开始时会有一个超调调节随后上升至1025并保持不变。图3-7额定负载无电网扰动的转速曲线曲线分析：转速曲线由开始逐渐上升，达到峰值，经过短暂超调调整后，转速到达稳定2998r/min。随后保持不变。图3-8额定负载无电网扰动的电流曲线曲线分析：电流曲线快速上升，达到峰值，经过短暂超调调整后，电流稳定在允许的最大电流值一段时间，随后慢慢下降至额定电流并保持不变。图3-9额定负载无电网扰动的转速和电流曲线曲线分析：电流曲线开始时逐渐上升，电机不转，当达到负载电流值后，转速开始

22、上升，当电流达到限幅值后，电流保持不变，转速快速上升，当转速经过超调稳定后，电流下降至额定电流并保持不变。图3-10额定负载无电网扰动ASR输入、输出曲线曲线分析： ASR输入、输出信号开始时，输入信号快速达到2.98。随后缓慢下降至0.02之后一直保持不变，ASR输出信号开始时为1.42，并保持不变。图3-11额定负载无电网扰动ACR输入、输出曲线曲线分析： ACR输入、输出信号开始时，输入信号在3s时开始上升至0.47并保持不变。ACR输出信号开始时会有一个超调调节随后上升至1025并保持不变。图3-12空载 电网电压扰动的转速曲线曲线分析：转速曲线由开始逐渐上升，达到峰值，经过短暂超调调

23、整后，转速到达稳定3313r/min。在5秒时加电网电压扰动，转速开始下降至2981r/min并保持不变。图3-13空载 电网电压扰动的电流曲线曲线分析：电流曲线快速上升，达到峰值，经过超调调整后，电流稳定在允许的最大电流值一段时间，随后慢慢下降0A，在第5秒加电网电压扰动，电流下降至-73A随后恢复到0A并保持不变。图3-14空载 电网电压扰动的转速和电流曲线曲线分析：电流曲线开始时迅速上升，电机不转，当达到负载电流值后，转速开始上升，当电流达到限幅值后，电流保持不变，转速快速上升，当转速经过超调稳定3313r/min保持不变，电流下降至0A并保持不变。在第5秒加电网电压扰动，电流下降至-7

24、3A随后恢复到0A并保持不变，转速开始下降至2981r/min并保持不变。图3-15空载电网电压扰动ASR输入、输出曲线曲线分析： ASR输入、输出信号开始时，输入信号快速达到2.93。随后缓慢下降至-0.312之后一直保持不变，ASR输出信号开始时为1.42并保持不变。在第5秒加电网电压扰动，ASR输入上升至0.0186并保持不变，输出一直不变。图3-16空载电网电压扰动ACR输入、输出曲线曲线分析： ACR输入、输出信号开始时，输入信号在1s时开始上升至1.42保持到5秒扰动时上升至2.15之后下降至1.42随后保持不变。ACR输出信号开始时会有一个超调调节随后上升至1025并保持不变。图

25、3-17额定负载 电网电压扰动的转速曲线曲线分析：转速曲线由开始逐渐上升，达到峰值，经过短暂超调调整后，转速到达稳定2998r/min。在5秒时加电网电压扰动，转速开始下降至2666r/min并保持不变。图3-18额定负载 电网电压扰动的电流曲线曲线分析：电流曲线快速上升，达到峰值，经过超调调整后，电流稳定在允许的最大电流值一段时间，随后慢慢下降95A，在第5秒加电网电压扰动，电流下降至-21.95A随后恢复到95A并保持不变。图3-19额定负载 电网电压扰动的转速和电流曲线曲线分析：转速曲线由开始逐渐上升，达到峰值，经过短暂超调调整后，转速到达稳定2998r/min。在5秒时加电网电压扰动，

26、转速开始下降至2666r/min并保持不变。电流曲线快速上升，达到峰值，经过超调调整后，电流稳定在允许的最大电流值一段时间，随后慢慢下降95A，在第5秒加电网电压扰动，电流下降至-21.95A随后恢复到95A并保持不变。图3-20额定负载电网电压扰动ASR输入、输出曲线曲线分析： ASR输入、输出信号开始时，输入信号快速达到2.98。随后缓慢下降至0.002之后一直保持不变，ASR输出信号开始时为1.42并保持不变。在第5秒加电网电压扰动，ASR输入上升至0.333并保持不变，输出一直不变。图3-21额定负载电网电压扰动ASR输入、输出曲线曲线分析： ACR输入、输出信号开始时，输入信号在3s

27、时开始上升至0.47保持到5秒扰动时上升至1.2之后下降至0.47随后保持不变。ACR输出信号开始时会有一个超调调节随后上升至1025并保持不变。四、基于微控制器的双闭环控制系统软件设计1、设计基于H桥电路的功率开关管导通方法与电路图图4-1H桥电路图2、设计基于微控制器的双闭环控制系统的软件流程图电流反馈子程序开始开始A/D转换系统初始化子程序转速设定子程序等待转换结果允许输出T法数字测速子程序信号采集电流反馈A/D转换子程序输出关闭速度PI调节子程序结束电流PI调节子程序PWM被生成子程序图4-2 主程序框图图4-3 电流反馈程序框图 Ek=Ed-EsEk>0 ?TR=(TR)-1

28、？YN（TR）=0 ? Es=0取值采样ASC码转换显示速度值恢复现场开中断中断返回Un=7F开 始保护现场启动A/D 延 时取给定值Un取偏差值Ek取P测量反馈电压Un并储存求偏差Ek=Un*-UnEk>0 ?图4-4转速环流程图数字PI调节器计算偏差e(k)?结束YNNY图4-5 位置式数字PI调节器程序框图NYNY3、电流环和转速环调节器的软件设计C语言程序见附录。五、心得总结本次课设设计转速、电流双闭环直流调速系统让我对直流电机的转速控制和电流控制有了更深刻的了解，同时在课设期间学习了如何运用MATLAB中的Simulink进行模型搭建和计算仿真。课设初期还不确定要校正哪一类典型

29、系统，后来通过仔细阅读课本与查询资料以与请教老师，知道了电流环应以跟随性为主，应选用型系统。电流环的控制对象是双惯性的，要校正成型系统应采用PI型的电流调节器。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面增加了一个积分环节，所以转速环共有两个积分环节，因此转速环就选择型系统了。再设计转速电流控制环时发现它们有很多的共同点：结构框图化简、调节器结构选择、调节器参数计算、调节器实现、近似条件的检验等步骤。在没有设计前对双闭环的一些参数和表示符号总是混淆，但是通过亲自设计、通过自己反复模拟仿真，逐渐地明白了各个参数的关系与来龙去脉和它们的对应关系，同时大大提高了我对MATLAB的操作的熟练程度。这次课程

30、设计提高了我独立思考，查阅资料的能力，是我更熟练掌握课本知识，将书本容结合到实际应用中，对我的能力是一个很大的提升。在此非常感大明老师和丽萍老师的悉心指导。参考文献1伯时.电力拖动自动控制系统. 机械工业,20032王成元主编.现代电机控制技术. 机械工业,20093坚.电力电子技术. 高等教育,20044王兆安.电力电子技术(第4版). 机械工业,20115亮.自动控制原理(第三版). 高等教育,20116胡寿松.自动控制原理(第6版). 科学,20137汤蕴璆.电机学(第四版). 机械工业,20118鸿才.电机原理与拖动(第二版). 机械工业,20079明义. 设计自动调节系统的

31、震荡指标.信息与控制，1978（2） 10宗安.自动控制系统.机械工业，199611Texas Instruments Second Generation TMS320 Users Guide,199512周德泽，电气传动控制系统的设计. 机械工业,198513赖福新. 电机控制系统.交通大学,199514Leonhard,W.Control of Electrical Drives 3rd ed.Springer- verlag,2001 15Bord D.M. Novotny D.W.Cyrrent Control of VSI-PWM Inverter.IEEE Trans.I

32、A,1985,21(2)16王离九.电力拖动制动控制系统.中华理工大学，199117彦民.电力拖动系统的微型计算机控制.交通大学，1988 18Depenbrock M.Direct Self Control(DSC) of Inverter-fed Induction Machine.IEEE Trans.PE,1988(4)19王晓明.电动机的单片机控制.航空航天大学, 201120立志.PWM与数字化电动机控制技术应用.中国电力,2008附录含有动态结构图中各参数的M文件Ton=0.005;Toi=0.002;Ks=0.117;Ts=0.000005;R=0.12;Tl=0.04;Tm=

33、0.1534;Ce=0.0362;b=0.01;%Aa=0.001; %AKn=30.816;A=684.04;%Kn/OnKi=1023.1;B=25577.5;%Ki/Oi附录C语言程序：#include <hidef.h> #define data portb#define data _dir ddrb#define uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delay_xms(int a); double f,g,h,i,j,k,s ;void delay_xms(int a) int i; for(i=0;i<x;i+);void setbus_64M() CLKSEL=0x00; PLLCTL_PLLON=1; SYNR=0xc3; REFD