课程设计直流电机调速系统设计

1、自动控制原理课程设计(论文)题目: 无超调小功率直流调速系统设计 学生姓名 654313405 专 业_ 自动化（工程方向） 学 号_ 654313405 班 级_ 2008 级2 班 指导教师 彭生祥 成 绩_ 工程技术学院2011 年 1 月目 录1.课程设计任务、内容与步骤21.1.设计指标21.2.设计内容与步骤22.直流电机相关参数的测算33.调速系统的总体设计3电流调节器33.1.转速调节器43.2.系统原理图44.直流电源的选择55.电流内环的设计55.1.电流环结构组成56.转速外环的设计76.1.转速环结构组成76.2.转速环PI调节器部分参数计算87.仿真与调试过程97.1

2、.绘制系统框图97.2.系统调试108.心得体会与收获118.1.巩固了相关知识118.2.第一次将理论知识运用于实践128.3.其他感想12无超调小功率直流调速系统设计1. 课程设计任务、内容与步骤1.1. 设计指标设计无超调小功率直流调速系统，要求满足以下指标：转速无超调，电流最大超调量小于5%；转速与电流调节器均为带限幅输出的调节器；阶跃负载扰动作用下的恢复时间小于0.1S。1.2. 设计内容与步骤测定直流电机的各个参数，包括电枢回路电阻、电阻、电感、电磁时间常数及机电时间常数；按可逆调速的要求，选择直流电源的形式，给出电路图及输出波形图；不要求对具体的元件型号及参数进行选择，也不要求对

3、电源本身的控制电路（如可控硅整流的触发电路与PWM整流的驱动电路）及相关的保护电路进行选择；按各分组中性能指标额要求，设计转速、电流双闭环系统，给出系统的原理图及动态结果图；利用静态特性图确定反馈系数及各环节增益；利用动态结构图进行校正，确定各调节器（控制器）的结构与参数；利用matlab进行仿真调试，观察系统启动过程中（即阶跃响应）转速误差、电流误差、点数回路电流及转速的变化曲线，对参数进行适当调整，直至满足性能指标要求；2. 直流电机相关参数的测算电枢回路电阻的测量：采用伏安法测电阻，将电枢绕组当做简单的电阻来测量，并采用多次测量求平均值的方法；电枢回路电感的测量：与测量电阻类似，采用伏安

4、法测量，但输入电源采用交流电源输入，先求阻抗，再算电感值；机电时间常数的测量：在示波器上测量测速发电机的输出电压，记录一组电压时间数据，然后曲线拟合求电机时间常数。电机参数列表电枢电阻21.6电枢电感0.646H机电时间常数0.10065电磁时间常数0.0029额定电压220V额定电流1.2A额定功率185W额定转速1600r/min3. 调速系统的总体设计直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。电流调节器电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时

5、抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。3.1. 转速调节器转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。它对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。由于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。3.2. 系统原理图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。由于调速系统的主要被控量是转速,

6、故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 双闭环调速系统原理图如下所示：4. 直流电源的选择应用于直流电机调速系统的常用的直流电源有晶闸管相控整流电源和PWM控制与变换器，二者的动态数学模型基本一致，但考虑到晶闸管相控整流电源需要在环内加装平波电抗器，设计过程较为复杂，且PWM在工程中运用已相当普遍，故本次课程设计的直流电源采用PWM控制与变换器。如下图所示：5. 电流内环的设计5.1. 电流环结构组成从稳

7、态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2.3.1c可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应跟随性能为主，即应选用典型型系统。图2.3.1c 表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 （16）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 （17）则电流环的动态结构框图便成为图所示的典型形式52.电流调节

8、器参数计算由公式（1-6）得电流调节器传递函数为，要求得具体参数，则需要知道及，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 则由公式（1-8）可得到电流环放大系数，又由公式（1-12）有，则可得到 （2-1）其中，选取时间常数,为了基本滤平电流，取电流滤波时间常数，则有；;，;则可求得则有电流环传递函数为： （2-2）此时电流超调量=4.32%，小于5%，符合系统要求。6. 转速外环的设计6.1. 转速环结构组成由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，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型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见

9、，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 （122）式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超其时间常数在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器，和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容和滤波电阻，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。在转速变化过程中，转速负反馈和转速微分负反馈两个信号一起与给定信号相抵，将在比普通双闭环系统更早一些的时刻达到平衡，开始退饱和。其结构图及其化简形式如下图所示：6.2. 转速环PI调节器部分参数计算由公式（1-22）可知转速调节器的传递函数为，又由式（1-21）及（1-23）可求得 （2-3）按跟随性能和抗扰性能

10、都较好的原则选取，则可得由公式（1-24）及（1-25）可求转速环开环增益K及转速调节器ASR的比例系数，其中 (2-4)其中Tm=0.52s；;；则可求得，则求得转速调节器闭环传递函数为： （2-5）在退饱和的情况下，计算转速超调有（2-6）在h=5时有=81.2%；=1.5；=0.07s； =0.0012s；=0.133；空载启动时有；即可求得由此可见转速超调量很大，不满足不需要超调量的要求，故需加入转速微分负反馈实现转速无超调。转速环转速微分负反馈部分参数计算式中用小数表示允许的超调量。本次设计中=0，故其中h=5,=0.016，所以7. 仿真与调试过程7.1. 绘制系统框图在MATLA

11、B中依照原理图选择合适模块完成系统框图。注意转速调节器不能用普通的传递函数模块，而应采用比例积分分离器，且转速调节器输出端应加入限幅环节，以防止电机过流并使电机在启动时实现线性启动；电流调节器同样要加以限幅，电流调节器输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，即使不希望电流调节器进入限幅。系统框图如下：7.2. 系统调试系统调试的一般原则是：先内环后外环，因为如果内环性能稍差，不能完全满足设计要求，还可以通过外环加以矫正，而对于外环相关参数的偏差，内环的调节能力明显要差得多。因此，首先调试电流内环的相关参数，基本符合要求后再调整转速外环的相关参数。电流内环的调试：调整ASR的比例系数和积

12、分时间常数，使得电机在启动过程中超调小于百分之五，且超调过后电流能马上达到较大的恒定值并实现恒流启动。增大ACR的比例系数会使电流环的超调增大，但对恢复时间影响不大；慢慢调整ACR的系数，直到电流输出满足要求，如下图所示：转速外环的调试：在电流内环基本确定时，开始调试转速外环的参数。增大微分时间常数可以减小转速的超调，但是过大又会使系统震荡；增大ACR的比例系数则使系统加负载之后的恢复时间减少，同时稳态误差有所减小；适当提高积分饱和的门限值可以明显减小稳态误差，但过大会使转速环变得明显超调。调整以上参数，直到转速和电流的输出波形都基本符合要求，如下图所示：8. 心得体会与收获8.1. 学到的新

13、知识要实现电流超调小于百分之五的同时转速无超调，必须同时有电流负反馈和转速负反馈两条反馈。即必须同时有转速环和电流环，由于最终目的是控制电机转速，故转速环必须在外。无论是电流环还是转速环，均需要加入滤波环节，以滤除环内的噪声干扰，并使系统的型别满足要求。实际的比例积分器都是带有限幅环节的，故所用到的PI调节器均需要带有限幅环节，才能切合实际，即使我们不希望ACR的PI调节器进入限幅状态；ASR的限幅还有保护电机并使电机线性启动的作用。调速系统的电源如选用晶闸管相控整流电源，则需要在环内加装平波电抗器，否则会使系统很难调整到满足设计指标的要求。在反馈回路中加入测速反馈有可能使系统无超调。8.2.

14、 巩固了相关知识虽然这次课程设计只是对所学的电机原理与拖动技术和自动控制原理等的相关知识的一次较为简单的运用，但依然是对我们的一次严峻考验，设计过程中，我发现自己对电机工作原理、启动过程和机械特性等知识几乎都没有多少印象了，而对于自动控制原理里面的系统型别与稳定性的关系、PI调节器系数选择对系统特性的影响和测速反馈对系统快速性与稳定性的影响等知识也掌握得不够牢固。这次课程设计要求我们必须回归课本，熟练掌握并运用相关知识。8.3. 第一次将理论知识运用于实践以前都是在做题时运用所学知识，这次课程设计要求将理论知识运用于实践，更加考验我们对知识的综合运用能力，同时提高了我们对知识的梳理与汇总、学习新知识以及灵活运用搜索引擎及数字图书馆的电子资源等能力，对独立思考、发现问题并解决问题的能力也有很高的要求。8.4. 其他感想五天的课程设计并不像曾经想象的那样枯燥无味，几乎都是在欢声笑语中度过，即使有时会因为当天的任务可能无法完成而有些慌乱，因为我确信我们十一个人的团队是一个优秀的团队。这五天中，大家相互合作，共同发现问题并、探讨问题并集合全队的力量解决问题，最终完基本成本次课程设计任务。队友间的默契配合及互相帮助以及老师不辞辛劳的指导和无私帮助都使我感动；大家幽默的话语则使课程设计的过程变得轻松快乐。总之，这次课程设计给我我大学