拖动系统课程设计报告

1、拖动系统课程设计报告书题目：直流电机速度电流双闭环调速系统的设计与仿真专业：自动化姓名：顾镛学号： 2014330301135指导教师：雷美珍郭亮浙江理工大学拖动系统课程设计浙江理工大学本科课程设计任务书直流电机速度电流双闭环调速系统的设计与仿真课题名称某 PWM 斩波电路供电的双闭环直流调速系统， H 桥斩波电路采用双极性 PWM 电路，基本数据如下：直流电动机：电枢电为 3.4，电感： 0.0604，励磁电阻 220，励磁电感为 0，互感为 0.797，转动惯量 0.014，励磁电压 110V，电枢电压 140V ；电流反馈系数：0.08；转速反馈系数：0.005。一、该同学的主要任务1、

2、查找文献，了解直流电动机双闭环调速系统的的应用;主要任务与2、设计直流电动机双闭环调速系统，并设计出相应的电路原理图；目标3、建立 SIMULINK电气仿真模型；4、设计 PID 算法，对转速、电流双闭环系统进行负载试验、抗干扰试验；二、目标1、建立直流电动机双闭环调速系统数学模型；2、设计 PID 算法，调试参数，使电流超调量小于5%；3、转速超调量小于10%。4、要求最大启动电流不超过在10A。本课题主要研究直流电动机的双闭环调速系统，该同学主要工作是双闭环调速系统设计与仿真试验分析。基本内容：1、设计直流电动机双闭环调速系统总体方案；2、电流调节器设计；主要内容与基3、转速调节器设计；本

3、要求4、分别对空载、负载、扰动工况进行仿真模拟；基本数据要求：1、 空载时，给定速度分别为2000r/min 、1000r/min ，记录此时的实际速度和实际电流波形；2、 给定速度为500r/min ，空载启动后，在1S 时加载，负载转矩为1N.m，记录此时的实际速度和实际电流波形。2浙江理工大学拖动系统课程设计一、主要参考文献1、基于 C 语言编程MCS-51 单片机原理与应用；张培仁，清华大学出版社；主要参2、电气传动的脉宽调制控制技术，吴守，机械工业出版社；考资料3、电力电子技术，浣喜明，高等教育出版社；4、电动机的单片机控制，王晓明，北京航空航天出版社；5、电机与拖动基础，李发海，清

4、华大学出版社计划进度：序号内容1任务布置与介绍2系统总体方案设计3硬件系统建模4直流电机数学模型推导5PWM 算法设计6电流调节器设计7速度调节器设计8仿真调试与试验9撰写课程设计报告10答辩指导教师实习地点签名年月日3浙江理工大学拖动系统课程设计摘要以控制系统的传递函数为基础， 使用 Matlab 的 Simulink工具箱对直流调速系统仿真研究。 采用面向控制系统电气原理结构图的方法建立了系统模型，结合SimPowerSystems工具箱，对转速、电流双闭环调速系统进行了仿真。根据设计指标设计转速环和电流环， 以及合理的 PID 算法，通过调节参数，对空载、负载、扰动工况下的结果波形进行对

5、比分析。结果表明，双闭环系统具有较好的动态性能，对负载变化和电网电压的波动都能起抗扰作用，且能够在电动机过载时起到快速的自我保护作用。关键词： 双闭环；直流电机； Simulink目录1. 直流电机速度电流双闭环调速系统的基本原理 52. 直流电机速度电流双闭环调速系统的设计 . 52.1 系统总体方案设计 .52.2硬件电路设计 .62.3 电流调节器设计 .62.4 转速调节器设计 .93.直流电机速度电流双闭环调速系统的仿真103.1 开环系统仿真实验 .103.2 电流单闭环系统仿真实验.143.3 速度电流双闭环系统仿真实验154.总结 .205.参考文献204浙江理工大学拖动系统课

6、程设计正文1. 直流电机速度电流双闭环调速系统的基本原理直流调速是交流拖动系统的基础， 该系统中设置了电流检测环节、 电流调节器以及速度检测环节、 速度调节器， 构成了电流环和速度环， 前者通过电流原件的反馈作用稳定电流， 候着通过速度检测原件的反馈作用保持速度稳定， 最终小车速度偏差， 从而使系统达到调节电流和速度的目的。 该系统启动时， 速度外环饱和不起作用， 电流内环起主要作用， 调节启动电流保持最大值， 使速度线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，速度负反馈外环起主要作用，使速度给定电压的变化而变化，电流内环跟随速度外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。2. 直流电机速度电流双闭环调速

7、系统的设计2.1系统总体方案设计5浙江理工大学拖动系统课程设计2.2硬件电路设计U sVT1VD1VD3VT3U g1U g 3MVT2VD4VT4VD2U g 2U g 4图 1图 26浙江理工大学拖动系统课程设计图三图 1，图 2，图 3 分别为驱动电压、输出电压和电流波形它们之间的关系是： Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一个开关周期内，当 0t<ton时， Uab= Us，电枢电流 id 沿回路 1 流通；当 ton t<T 时，驱动电压反相， id 沿回路 2 经二极管续流， Uab=-Us。因此， Uab 在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。

8、图 2、图 3 也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正； 相当于轻载情况， 电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。当正脉冲较宽时， ton>T/2, 则 Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等， t=T/2, 平均输出电压为零， 则电动机停止。图 2、图 3 所示的波形是电动机正转时的情况。双极式控制可逆 PWM变换器的输出平均电压为：U dton U sT t on U s( 2t on1)U sTTT若占空比 和电压系数 的定义与不可逆变换器相

9、同， 则在双极式是可逆变换器中： =2 -1 就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时， 的可调范围为 01，相应的， =（-1 ） （ +1）。当 >1/2 时， 为正，电动机正转；当 <1/2 时， 为负，电动机反转；当 =1/2 时， =0，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零， 而是正负脉宽相等的交变脉冲电压， 因而，电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零， 不产生平均转矩， 徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。 但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆 PWM变换器有

10、下列优点：1) 电流一定连续；2) 可使电动机在四象限运行；3) 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；4) 低速平稳性好，系统的调速范围可达 1：20000 左右；5) 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中， 4 个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有降低2.3电流调节器设计7浙江理工大学拖

11、动系统课程设计作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定的电压?（即外环调节器的输出量）变化，且对电网电压的波动?起及时抗扰作用。在转速稳态过程中，能够保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。把转速环给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给?定信号改成? ，再把时间常数为Ts 和 Ton 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? =Ts +Toi?采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成?（ ?s + 1

12、）?s =?则开环传递函数为?s?（ ?s + 1）?opi s =?s(? ?+ 1)( ?+ 1)?因为 Tl >>? ，所以选择 ?，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数?= ?极点，以便校正成典型一型系统，因此令转速开环增益 ? ? ?=?=?则?opis =s(?+ 1)给定电流超调量 ?5% ，选取 ? ?= 0.5，则 ?= ?ci =1 ，2? ?再根据 ?=? ?=? ? ，得到?=?2?8浙江理工大学拖动系统课程设计2.4速度调节器设计转速调节器是调速系统的主导调节器，它是转速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，则刻

13、实现转速无静差。?转速调节器对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。把转速环给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给?1定信号改成?和 Ton 两个小惯性换届合并起来， 近似成一?，再把时间常数为?个时间常数为 ? ?的惯性环节，其中1?=? +Ton?采用 PI 型的转速调节器，其传递函数可以写成?s=?（ ?s + 1）?s?则开环传递函数为?（ ?）?s + 1? s =?( ?+ 1)s? ?令转速开环增益? = ? ? ?则9浙江理工大学拖动系统课程设计? （?s+ 1）? s =2?( ?+ 1)按照典型二型系统的参数关系，有? = h? + 1?

14、 =?222? ?（? + 1） ? =2?R?中频宽 h 要看动态的要求决定，一般选择h=5。3 直流电机速度电流双闭环调速系统的仿真3.1 开环系统仿真实验（ 1.1）空载转速（ 1.2）空载电流10浙江理工大学拖动系统课程设计（ 1.3）空载转矩分析：空载时，系统在2s 左右达到稳态，转速无超调11浙江理工大学拖动系统课程设计（ 2.1）加载转速（ 2.2）加载电流（ 2.3）加载转矩分析：在 1s 时加负载后，系统达到稳态时，转速比空载时减小，电流和电磁转矩不再为零，而与输入负载转矩有关。12浙江理工大学拖动系统课程设计（ 3.1）减载转速（ 3.2）减载电流（ 3.3）减载转矩分析：

15、 1s 后减载，转速突然上升，电流和电磁转矩突然减小，达到稳态的时间与加载情况相同，但稳态转速要比加载时高，电流和电磁转矩比加载时小。13浙江理工大学拖动系统课程设计3.2电流单闭环系统仿真实验（ 1.1 ）阶跃输入： 0.56 ；电流环 Kp =5，Ki =50（ 1.2 ）阶跃输入： 0.56 ；电流环 Kp =5，Ki =5电流环 Kp =5，Ki =5014浙江理工大学拖动系统课程设计3.3速度电流双闭环系统仿真实验(1) 负载转矩： 3N·m，给定转速： 1500rad/min ，转速环 KP=20，Ki =120；电流环 KP=5， Ki =50；(2) 负载转矩： 3N

16、·m，给定转速： 1000rad/min ，15浙江理工大学拖动系统课程设计转速环 KP=20，Ki =120；电流环 KP=5， Ki =50；16浙江理工大学拖动系统课程设计(3) 负载转矩： 3N·m，给定转速： 1000rad/min ，转速环 KP=150， Ki =120；电流环 KP=5，Ki =50；17浙江理工大学拖动系统课程设计(4) 负载转矩： 3N·m，给定转速： 1000rad/min ，转速环 KP=20，Ki =10；电流环 KP=5，Ki =50；18浙江理工大学拖动系统课程设计分析：第一阶段（ 0约 0.01s ）是电流上升阶段：

17、突然给定电压?后，经过两个调节器的跟随作用， Uc、Ud0、 I d 都上升，但是在 I d 没有达到负载电流I dL 以前，电动机还不能转动。当 I dI dL 后，电动机开始启动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器的输入偏差电压 （?）的数值仍较大，? = ?- ?，强迫电枢电流 I迅速上升。直到 II，其输出电压保持限幅值 ?d，U?imddmiim电流调节器很快压制了 I d 的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中， ASR 很快进入并保持饱和状态，而 ACR一般不饱和。第二阶段（约 0.01s0.43s ）是恒流升速阶段：在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环

18、相当于开环，系统成为在恒流给定?下的电流调节系统，基本?im上保持电流 I d 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是启动过程中的主要阶段。第三阶段（约 0.43s后）是转速调节阶段：当转速上升到给定值n* 时，转速调节器 ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值? ，所im以电动机仍然在加速，是转速超调。超调后，ASR输入偏差电压变负，使它退出?和 I很快下降，但是，只要 I仍大于负载电流 I ，转速就继续上饱和状态， ?idddL升，直到 I d= I dL，转矩 Te=TL , 则 dn = 0，转速达到峰值。 此后，在时间内， I d< I dL，dt电

19、动机开始在负载的阻力下减速， 直到稳态。在最后转速调节阶段内， ASR和 ACR 都不饱和， ASR起主导转速调节作用，而 ACR力图使 I d 尽快地跟随其给定值 ?i?。将（2）与（3）对比，可以看出增大转速环的比例作用， 使转速超调量减小，但是系统的稳定性下降，震荡加剧；将（2）与（4）对比，可以看出增大转速环的积分作用， 使转速超调量减小，消除余差，但是系统的稳定性下降。19浙江理工大学拖动系统课程设计4. 总结4.1 转速的退饱和超调与稳态转速有关按线性系统计算转速超调量时，当 h 选定后，不论稳态转速 n* 多大，超调量的百分数都是一样的。4.2 反电动势对转速环和转速超调量的影响反电动势的动态影响对于电流环说是可以忽略的； 对于转速环来说， 忽略反电动势的条件就不成立了。 由于反电动势的影响只会使转速超调量更小， 所以可以不考虑。4.3 电流环抗干扰性能由于电流环的存在， 电压波动可以通过