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1、 洛 阳 理 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书 课程名称 运动控制系统 设计课题 转速、电流双闭环直流调速系统 专 业 电气自动化技术 班 级 xxxxxxx 姓 名 xxxxxxxx 2012 年 3 月 1 日 课 程 设 计 任 务 书 电气工程与自动化 系 电气自动化 专业 学生姓名 xxxx 班级 xxx 学号 xxxxx 课程名称：运动控制系统 设计题目：转速、电流双闭环直流调速系统 课程设计内容与要求：1)晶闸管装置放大系数 Ks=30;2)电枢回路总电阻 R=0.18;3)时间常数：电磁时间常数 T1=0.012s;4)机电时间常数 Tm=0.12s;5)调节器输入电阻
2、R0=20;设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量%5%；空载起动到额定转速时的转速超调量%15%。设计（论文）开始日期 2012 年 2 月 13 日 指导教师 xx 设计（论文）完成日期 2012 年 3 月 1 日 指导教师 xx 2012 年 3 月 1 日 课 程 设 计 评 语 第 页 电气工程与自动化 系 电气自动化 专业 学生姓名 xxx 班级 xxxxxxx 学号 xxxxxxxxxx 课程名称:运 动 控 制 系 统 设计题目：转速、电流双闭环直流调速系统 课程设计篇幅：图 纸 5 张 说明书 21 页 指导教师评语：2012 年 3 月 1 日 指导老师
3、 xxxxx 洛阳理工学院 目 录 一、设计目的及意义.3 二、工作原理.4 2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理.4 2.2 双闭环直流调速系统的静特性分析.5 2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图.6 2.4 双闭环直流调速系统的数学模型.7 2.5 调节器的具体设计.8 2.6 速度环的设计.10 2.7 双闭环直流调速系统仿真.11 三、方案设计与论证.12 主电路模块原理框图.12 四、系统硬件设计.15 4.1 主电路.15 4.2 控制电路.15 4.3 反馈和保护电路.16 五、心得体会.18 六、参 考 文 献.19 一、设计目的及意义 本设计从直流电动机的工作原理入手，
4、并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统,采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等
5、等。二、工作原理 2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理 图 2.1 双闭环直流调速系统的原理图 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态
6、,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电 流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。2.2 双闭环直流调速系统的静特性分析 分析静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的
7、输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 的作用使输入偏差电压U 在稳态时总为零。实际上，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。（1）转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，0nnnnUU （2-1）diiIUU （2-2）由第一个关系式可得：0nnnU （2-3）从而得到图 2.2 所示静特性曲线的 CA 段。与此同时，由于 ASR 不饱和，miUUi可知mddII，这就是说，CA 段特性从理想空载状态
8、的dI=0 一直延续到dmdII。一般都是大于额定电流Idn的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。（2）转速调节器饱和 这时，ASR 输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态 时：mdmidIUI （2-4）其中，最大电流dmI取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的 AB 段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于0nn的情况，因为如果0nn,则nnUU,ASR 将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm*时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起
9、主要的调节作用,但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输出Uim*,这时,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.这就是采用了两个 PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图 2.2 中虚线。图 2.2 双闭环直流调速系统的静特性 2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2-6 所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，
10、输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是为零。图 2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 实际上，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。2.4 双闭环直流调速系统的数学模型 双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流 Id 显露出来。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：图 2.4 双闭环直流调速系统的动
11、态结构框图 2.5 调节器的具体设计 本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流 电路基本数据如下：1)晶闸管装置放大系数Ks=30;2)电枢回路总电阻R=0.18;3)时间常数：电磁时间常数T1=0.012s;4)机电时间常数 Tm=0.12s;5)调节器输入电阻R0=20;设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量%5%；空载起动到额定转速时的转速超调量%15%。计算反馈关键参数：)min(015.0100015n*UnimrV (3-1)AVIUnim026.03055.112*(3-2)（1）确定时间常数 整流装置滞后时间常数；Ts=0.0022s。电流滤波
12、时间常数:Toi=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是 3.3ms，为了基本滤平波头，应有 Toi=3.33ms，因此取 Toi=2ms=0.002s）。按小时间常数近似处理。0042.0iosiTTT(Ts 和 Toi一般都比 Tl 小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)（2）选择电流调节器结构 根据设计要求：i%5%，且 1086.20042.0012.0ilTT 可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成 PI 型的.检查对电源电压的抗扰性能:1024.30037.0012.0ssTTil（3）选择电流调节器的参数 ACR 超前时间常
13、数s012.0iiT；电流环开环时间增益:11.1350037.05.05.0ssTKii (3-3)ACR 的比例系数:37.0026.03018.0012.01.135siiiKRKK (3-4)（4）校验近似条件 电流环截止频率:ci=Ki=135.1S-1 1）晶闸管装置传递函数近似条件：sT31ic (3-5)即 1.1351.1960017.03131sTs (3-6)满足近似条件；2)忽略反电动势对电流环影响的条件：,13lmciTT (3-7)即 cilmsTT10012.012.0106.79313 (3-8)满足近似条件；3)小时间常数近似处理条件：oisciTT131，(
14、3-9)即 oisTT131=cis169.1610025.00017.0131 (3-10)电流环可以达到的动态指标为：%5%3.4%，也满足设计要求。2.6 速度环的设计 1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数 s0074.00037.0221i1TK (3-11)（2）转速滤波时间常数 Ton=0.014s(3)转速环小时间常数近似处理sTTTonin0214.0014.00074.02 (3-12)2）选择转速调节器结构 按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含
15、有积分环节，故按典型型系统选用设计 PI调节器。典型型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。3）选择调节器的参数 shTnn107.00214.05 (3-13)转速开环增益：2222203.2620214.0521521sThhKnN (3-14)ASR 的比例系数：48.60214.018.0015.05212.02.0026.0621nmenRThTChK (3-15)（4）近似校验 转速截止频率为：11103.28107.003.262ssKKnNNcn(3-16)电流环传递函数简化条件：cnisT105.540037.05151 (3-17)（5）检验转速超调量 当 h=5 时，%6.
16、37n,不能满足要求.按 ASR 退饱和的情况计算超调量:%,2.81%maxbCCmin5.2742.018.0305rCRInedn，满足设计要求。2.7 双闭环直流调速系统仿真 双闭环直流调速系统的电流环仿真图如图2.5 所示：图 2.5 双闭环调速系统的电流环仿真图 仿真结果如下：图 2.6 转速电流曲线 加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。三、方案设计与论证 主电路模块原理框图 图 3.1 双闭环直流调速系统电路图 主电路模块的主要功能是通过 PWM 变换
17、器得到可调的直流电压，为直流电动机供电；检测模块包括转速、电流和温度的检测，转速和电流检测为系统提供转速和电流负反馈的信号；温度检测的目的是为了保护 PWM 变换器和电机；键盘、显示与报警模块（由单片机控制）负责转速的给定和实时显示，以及故障的声光报警；通信模块负责 DSP 与 PC 之间的数据通信，实现系统的计算机监控；DSP系统是整个系统的核心，它负责整个系统的管理和控制。转速 电流双闭环直流自动调速系统图 图4 为转速、电流双闭环直流自动调速系统。该系统有两个PI 调节 器,一个是用于转速调节的转速调节器(ST),另一个是用于电流调节的电流调节器(LT),两个调节器串级连接,其输出均有限
18、幅,输出限幅值分别为Usm 和Uim。由于调速系统的主要被调量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环(主环),以保证电动机的转速准确地跟随给定值,并抵抗外来的干扰;把由电流负反馈组成的环作为内环(副环),以保证动态电流为最大值并保持不变,使电动机快速地起动、制动,同时还能起限流作用,并可以对电网电压波动起及时抗扰作用。电动机转速由给定电压Ug 来确定,转速调节器ST 的输入M偏差电压为Uis=Ug-Ufn,转速调节器ST 的输出电压Us 作为电流调节器LT 的给定信号(ST 输出电压的限幅值Usm 决定了LT 给定信号的最大值);电流调节器LT 的输入偏差电压为Uic=-Us+Ufi,电流调节
19、器LT 的输出电压Uc 作为触发电路的控制电压 (LT 输出电压的限幅值Uim 决定了晶闸管整流电压的最大值Udm);Uc 控制着触发延迟角,使电动机在期望转速下运转。四、系统硬件设计 4.1 主电路 电动机的电源控制电路采用桥式整流电路对三相电源进行整流，整流后通过IGBT 对电机的电压进行控制，利用电流互感器对主电路电流进行电流反馈和过电流保护。为了使电路中的电流变得更加平缓，故在主电路当中加入了平波电抗器，变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量 L 按下式计算。在三相整流桥当中 K 取 1.12，则 L=200mH。电机的主电路如图 4.1 所示 图 4.1 主电
20、路电路图 4.2 控制电路 图 4.2 转速调节器 PI 环节电路 按所用运算放大器取 R0=40k，各电阻和电容值计算如下：01.0134040.52iiRKRk (4.1)FRC75.010810004003.0iii （4.2）FRTC2.040i0io （4.3）按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为 i%=4.5%5%，能满足设计要求。4.3 反馈和保护电路 电流反馈与过流保护电路的主要功能是检测主电源输出的电流超过某一设定值时发出过流信号切断控制屁输出主电源。电流反馈与过流保护电路的设计思想是利用电流互感器从电机主电路中获取主电路中电流的参数并反馈到电流调节电路当中，使电路拥有电
21、流反馈和过流保护的作用。电流反馈与过流保护电路如图所示 图 4.4 电流反馈与过流保护电路 RP7 的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从 If 端输出到电流调节器，反馈系数从 RP7中进行调节。而过流动作电流的大小设定由 RP8 的滑动触头位置决定。该电路当中设有过流复位电流，当系统过流后能手动进行复位或让系统通过一段时间后自动复位，当系统过流后能启动报警装置，进行报警系统调试。对双闭环可逆 PWM 直流调速系统进行实验验证。从键盘给系统输入给定的转速值,通过系统调节和控制,对电机实际转速进行测量,将实际测得的转速显示在 LED 显示器上。稳态时,比较给定值和实测值,结果如表 5-1 所示。表
22、 5-1 实验结果表 设定值（转/分）200 500 1000 15000 2000 2500 3000 3500 测量值（转/分）182 487 993 1506 1996 2498 3002 3499 利用 MATLAB 软件得仿真结果如图 5.1 所示 图 5.1 双闭环可逆直流脉宽调速系统仿真结果 五、心得体会 在这次课程设计个过程中，我们通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。六、参 考 文 献 1 尔桂花 窦曰轩 编著.运动控制系统.清华大学出版社，2002 2 刘锦波 张承慧 编著.电机与拖动.清华大学出版社，2006 3 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.机械工业出版社，1997 4 胡崇岳.现代交流调速技术.机械工业出版社，2001 5 胡寿松.自动控制原理.科学出版社，2008.6 周渊深.交直流调速系统与MATLAB 仿真.北京：中国电力出版社，2004.