双闭环调速设计

运动控制课程设计

双闭环直流调速系统设计

学院自动化科学与工程学院专业 www

学生姓名 www

学生学号 ww

指导教师许玉格

提交日期 2013 年 9 月 4 日

目录

一、设计任务 (3)

1.1课程设计目的 (3)

1.2初始条件 (3)

1.3技术指标 (3)

1.4设计要求 (3)

二、双闭环调速系统设计 (4)

2.1双闭环调速系统概述 (4)

2.2双闭环调速系统电路原理图 (5)

2.3双闭环调速系统动态结构图 (5)

2.4设计的基本思路 (6)

2.5参数计算 (7)

2.7系统Simulink仿真 (10)

三、心得体会 (14)

四、参考资料 (15)

一、设计任务

1.1课程设计目的

1．联系实际，对双闭环直流电动机调速系统进行综合性设计，加深对所学《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。

2．熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。

3．培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题的能力。

4．设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌握工程设计的方法。

5．掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。

1.2初始条件

1．系统主电路总电阻R=2Ω

2．电磁时间常数：T1=0.005s

3．机电时间常数：Tm =0.2s

4．PWM整流装置：放大系数Ks=4.8, 失控时间Ts=0.4ms

5．电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s

6．额定转速时的给定电压：Unm =10V

7．转速调节器饱和输出电压Uim=10V

1.3技术指标

1．该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥20），系统在工作范围内能稳定工作；

2．系统静特性良好，无静差；

3．动态性能指标：空载启动到额定转速的超调量δn＜9%，电流超调量δi＜4%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤0.1s；

4．调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。

1.4设计要求

根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图；

1．绘制双闭环直流脉宽（PWM）调速控制系统线路图（主电路、控制电路（脉宽调制PWM电路、电压电流检测单元、调节器，驱动电路、检

测与故障保护电路））；

2．对所设计出的双闭环PWM调速系统仿真实验，并给出仿真结果图；≤

0.1s；

3．整理设计数据资料，课程设计总结，对本课程设计提出新设想和新建议。

二、双闭环调速系统设计

2.1双闭环调速系统概述

在许多应用场合，为了充分发挥生产机械的效能，提高生产率，速度控制系统经常处于起动、制动、反转以及突加负载等过渡过程中。所以要求速度控制系统有较好的动态性能。

对高性能、静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性（起制性）、较好的抗干扰性和高可靠性（可瞬态过载但不过电流）。因此引入了转速、电流双闭环调速体统。

转速负反馈和比例积分调节器的单闭环调速系统能够保证系统在稳定的条件下实现转速无静差调节。但是该控制系统也有自身的缺点，比如要求快速启动、突加负载动态速降等。这种单闭环控制系统就难以满足要求。这是因为在单闭环调速系统中尚不能按需要来控制动态过程的电流和转速。为解决这一矛盾，在上一章中又讲述了电流截止负反馈环节，它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。从工作原理上分析，它只能是在超过临界电流值以后，才能靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长（长），带电流截止负反馈单闭环调速系统启）所示。动过程的波形，如图在工业生产中，如龙门刨床、可逆轧钢机等要求经常正反转运行的调速系统，为了提高生产效率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间小。为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，经论证与实践，采用转速、电流双闭环调速系统就能达到上述要求。

2.2双闭环调速系统电路原理图

图2－1为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。

两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什U

im

决定了电流调节器ACR

的给定电压最大值U

im ，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U

cm

限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。

图2－1 双闭环调速系统电路原理图

2.3双闭环调速系统动态结构图

双闭环调速系统的动态结构如图2－2所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数T

oi

按需要选定。滤波环节可以抑制反

馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用T on 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为T on 的给定滤波环节。

图2－2双闭环调速系统的动态结构图

T oi —电流反馈滤波时间常数T on —转速反馈滤波时间常数

2.4设计的基本思路

转速、电流双闭环调速系统属于多环控制系统。对电流双闭环调速系统而言，先从内环（即电流环）出发，根据电流控制要求，确定把电流环校正为那种典型系统。按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环环节之后，把它等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分。然后用同样的方法进行转速环的设计，每个环的设计都是把该环校正为一个典型系统，以获得预期的性能指标。目前的V-M 调速系统多为带电流内环的速度控制系统。

电路中，直接提供的是三相交流380V 电源，而直流电机的供电需要三相直流电， 因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如下图设计的总框架。