运动控制课程设计报告

带电流截止负反馈的转速闭环可逆直流调速系统的

仿真与设计

一、设计目的

1、应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

2、应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

3、在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。

二、设计任务

带电流截止负反馈的转速闭环可逆直流调速系统的仿真与设计

三、设计参数

直流电动机控制系统设计参数如下：

输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V

电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A

额定励磁电压110V 功率因数0.85

电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH

电机机电时间常数2S 电枢允许过载系数1.5

额定转速 1430rpm

测速发电机：

永磁式，ZYS231/110型

额定数据为23.1W,110V,0.18A,1800r/min

四、环境条件

电网额定电:380/220V;

电网电压波动:10%;

环境温度:-40~+40摄氏度;

环境湿度:10~90%.

五、控制系统性能指标

电流超调量小于等于5%;

空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;

调速范围D＝20;

静差率小于等于0.03.

六、问题的提出

众所周知，直流电动机全电压起动时，如果没有采取专门的限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对于过载能力低的晶闸管等电力电子器件来说，更是不允许的。采用转速负反馈的单闭环调速系统（不管是比例控制的有静差调速系统，还是比例积分控制的无静差调速系统），当突然加给定电压U*n时，由于系统存在的惯性，电动机不会立即转起来，转速反馈电压Un仍为零。因此加在调节器输入端的偏差电压，ΔUn=U*n，差不多是稳态工作值的（1+K）倍。这时由于放大器和触发驱动装置的惯性都很小，使功率变换装置的输出电压迅速达到最大值Udmax，对电动机来说相当于全电压起动，通常是不允许的。对于要求快速启制动的生产机械，给定信号多半采用突加方式。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如挖土机、轧钢机等，闭环系统特性很硬，若无限流措

施，电流会大大超过允许值。如果依靠过电流继电器或快速熔断器进行限流保护，一过载就跳闸或烧断迷熔断器，将无法保证系统的正常工作。

为了解决反馈控制单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制的基本概念，要维持某个物理量基本不变，只要引入该物理的负反馈就可以了。所以，引入电流负反馈能够保持电流不变，使它不超过允许值。但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉，使电流能自由地随着负载增减。这种当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫做电流截止负反馈。

七、电流负反馈截止环节

为了实现截止负反馈，必须在系统中引入电流负反馈截止环节。电流负反馈截止环节的具体线路有不同形式，但是无论哪种形式，其基本思想都是将电流反馈信号转换成电压信号，然后去和一个比较电压Ucom进行比较。电流负反馈信号的获得可以采用在交流侧的交流电流检测装置，也可以采用直流侧的直流电流检测装置，我们将在电流检测装置一节中作详细介绍。最简单的是在电动机电枢回路串入一个小阻值的电阻Rs，IdRs是正比于电流的电压信号，用它去和比较电压Ucom进行比较。当IdRs>Ucom，电流负反馈信号Ui起作用，当IdRs≤Ucom，电流负反馈信号被截止。比较电压Ucom可以利用独立的电源，在反馈电压IdRs 和比较电压Ucom之间串接一个二极管组成电流负反馈截止环节，如图 (a)所示；也可以利用稳压管的击穿电压Ubr作为比较电压，组成电流负反馈截止环节，如图 (b)所示。后者线路更为简单。

图1 电流负反馈截止环节

（a）利用独立电源作比较电压（b）利用稳压管获得比较电压

八、带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统

下图给出了带电流截止负反馈的转速负反馈调速系统的原理框图。图中控制器采用PI 调节器，电流反馈信号来自交流电流检测装置，与主电路电流Id成正比，反馈系数为β，临界截止电流为Idcr，稳压管的击穿电压为Ubr，于是

有

图2 带电流截止负反馈的单闭环调速系统

静特性如图所示：

图3 带电流截止负反馈的转速负反馈闭环调速系统的静特性显然，在Id≤Idcr时，系统的转速是无静差的，静特性是平直的（图中的no-A）段；当Id>Idcr时A，A-B段的静特性则很陡，静态速降很大。这种两段式的特性常被称为下垂特性或挖土机特性，因为挖土机在运行中如果遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，这时的电流称为堵转电流Idbl。电机堵转时，n=o，得

Idbl应

小于电动机的允许最大电流（1.5～2.5）Inom，另一方面，从正常运行特性n0-A这一段看，希望有足够的运行范围，截止电流Idcr应大于电动机的额定电流，例如取

。这些就是设计电流截止负反馈环节参数的依据。

九、PWM脉宽调制

9.1 PWM基本介绍

自从全控型整流电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM

调速系统。PWM系统在很多方面有较大的优越性：

主电路线路简单，需用的功率器件少；

开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；

低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右；