电气传动自动控制系统课程设计大学论文

电气传动自动控制系统课程设计学院：电气信息专业：自动化年级：2012级小组成员：邓建儒 2012141441300沙华 2012141441299张政 2012141441326陆啸 2012141441015 完成时间：2015年7月13日指导教师：肖勇直流双闭环调速系统设计摘要：转速、电流反馈控制直流调速系统的设计主要是通过对直流双闭环调速系统中电流调节器（ACR）和速度调节器（ASR）的设计与调试，以达到给定系统静、动态性能指标。

在实验中要通过实验装置中已有的参数来确定调节器的各个参数，在单元调试环节中，需要整定调节器ACR、ASR的运放输出限幅值，在系统调试环节中，需要对电流环和转速环进行整定。

对于系统性能的测定，则需要对静态和动态性能分别做实验测试，在电压给定或者负载给定的情况下，分别对两种状态做性能分析。

根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统；转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能，因为转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主，以此使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。

然后按照确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。

再对系统的启动过程进行分析，以了解系统的动态性能。

之后，用Matlab软件中的Simulink模块对设计好的系统进行模拟仿真，得出仿真波形。

最后给出参考资料和总结。

关键词：直流双闭环调速系统、电流调节器（ACR）、速度调节器（ASR）、调试、动态静态性能指标目录第一章 ..............................任务描述第二章 ..............................系统建模第三章 ..............................系统设计第四章 ..............................系统调试第五章 ..............................系统评价第一章 任务描述一、设计目标：（1）系统基本运行功能：通过测定实验装置的各项参数，确定调节器设计参数i i n n C R C 、、、R ，将ASR 、ACR 接成PI 调节器，调节各自的正负限幅电位器，以实现ASR 、ACR 的运放输出限幅值的整定。

在系统调试阶段，可以通过对电流环和转速环的整定，实现系统性能测定。

（2）系统的基本运行功能性能指标： 静态： 3%,5%=≤D s动态： %5%≤i σ %10%n ≤σ （3）系统电路结构示意图MASRACRGnGTVTAL*nU nU ∆nU *i U iU ∆iU ctU dI 0d U二、客观条件：（1）使用设备列表清单： 实验装置：MCL Ⅲ型电力电子及电气传动教学实验台（浙江大学求是公司）、示波器、万用表、电感表、导线（2）主要设备功能描述：MCL Ⅲ型电力电子及电气传动教学实验台主要针对半导体变流技术、现代电力电子器件、现代电力电子器件的典型线路、直流调速系统（模拟部分）、直流调速系统（数字部分）、交流调速（模拟部分）、交流调速系统（数子部分）、针对研究生实验平台和教师提高实验内容。

器件的研究主要是对GTR 、MOSFET 、IGBT 、GTO 的开关特性及其驱动电路、缓冲和保护电路研究。

实验台的线路主要有Buck-Boost 电路、开关电源、单相交流调压电路、全桥DC/DC 变换、软开关、整流电路的有源功率因数提高等。

系统则是直流脉宽调速系统（采用MOSFET ）、交流变频调速系统（功率器件采用IPM 智能功率模块）和直流方波无刷电机的调速系统（采用GTR 模块,可扩展）。

该实验台还设计了研发型实验内容，开放硬件环境和软件环境，可以允许学生在MATLAB 环境下完成系统的控制算法的研究。

在进行直流调速系统实验时，除可用常规的由运算放大器构成的PID 调节器进行控制外，还可以和计算机相连，由上位机进行数字控制，并采集转速曲线和电流反馈信号。

该实验台最新的由数字信号处理器（DSP ）控制的高性能变频调速系统实验组件，采用高分辨率的编码器作为转速反馈元件，采用LEM 传感器作为电流检测元件，既能完成SPWM 和空间矢量的变频调速实验，又能进行磁场定向变频调速实验。

同时，该实验组件可与计算机进行相连，通过计算机对调速系统的参数进行调节，对转速等动态波形进行分析。

交流电源的输出不仅设计了过流保护功能，还在不同的触发电路加了高压保护，功率器件加了安全保护。

为了不使强电信号加入弱电电路中，采用了不同的实验导线，使学生接线时高低压线路不会插错，而导致低压电路的损坏。

（3）小组成员任务清单： ①统筹：邓建儒②操作：邓建儒、沙华、张政 ③数据记录：沙华：第一次实验的21e d a R R n d d n n C R R R U U R U U d a 21、、、、、、、、、、∑张政：第二次实验的n i n i *n A R R C C U n I 、、、、、、）（ 陆啸：第一次实验的a d L L U 、、、、d d ct I U ④数据处理：邓建儒：计算∑ni m e i i i on I s oi i TK T C C R K T K T T 、、、、、、、、、、、、、βατ、n n n C K 、、τ，并对所有数据进行检验和修正沙华：计算i n R R 、，并对部分数据进行检查和修正 ⑤报告撰写：邓建儒：第二、三、四、五章，总结、收获体会、参考文献 沙华：第一章⑥仿真及图表绘制：邓建儒 ⑦分析：邓建儒⑧报告总体检查：邓建儒第二章 系统建模一、待测参数：1.电动机： 电枢内阻 Ra ； 电势转速系数 Ce2.整流电源： 等效内阻 Rn ； 放大系数 Ks3.平波电感： 直流内阻 Rd4.电枢回路： 总电阻∑R = Ra+ Rn+ Rd ；电磁时间常数 TL ；机电时间常数 Tm二、系统固有参数测定实验内容1、变流电源内阻Rn 的测量（1）实验原理：使用伏安法测量变流电源内阻Rn ，电机静止，电枢回路外串限流电阻，固定控制信号Uct 大小，匹配恰当的Ud 和R Ω，在Id = 0.5A 、1A 工作点上测试。

电路原理图如下：（2）原始数据（3）数据处理Ω=--=--=145.011041112112AA VV I I U U R d d d d n2、电枢内阻Ra 和平波电感内阻Rd 的测量（1）实验原理：( 伏安法 )电机静止，电枢回路外串限流电阻，固定控制信号 Uct 大小，Id ≈1A 。

考虑电枢电刷与换向片的接触电阻分布，使电枢处于三个不同位置（约︒120对称）进行三次测量（URa ，URd ，Id ），求 Ra ，Rd 的平均值 （2）原始数据V 02.24U a R = V 83.13U d R = A 1.1I d = V 16.24U a R = V 88.13U d R = A 1.1I d = V 22.24U a R =V 90.13U d R =A 1.1I d =（3）数据处理Ω=⨯++=94.2131.122.2460.2402.24A VV V R aΩ=⨯++=61.1231.190.1388.1383.13R A V V V dΩ=++=∑55.48R n d aR R R3、电动机电势转速系数Ce（1）实验原理：接通励磁电源，启动电机至空载运行；调节控制信号 Uct 大小，得到两组数据。

（2）原始数据V 200U 1d = r 1388n 1= V 180U 1d =r 1243n 1=（3）数据处理138.012431388180200C 21e 21=--=--=rr VV n n U U d dV U d 1041= A 1I 1d = V d 111U 2= A 5.0I 2d =V r A n C R I e d do 07.2681450138.055.484.1U max max =⨯+Ω⨯=+⨯=∑4、整流电源放大系数Ks（1）实验原理：电机静止，电枢回路外串限流电阻；分级调节控制信号Uct 大小，并保持Id ≤1A ；测量每一组Uct ，Ud ，Id ，数据应大于10组以上，测量上限不低于最大理想空载整流输出电压Ud0max ；按 Ud0 = Ud+Id ×Rn 作出电源输入-输出特性曲线；取线性段2~3段，求其斜率平均值得Ks （2）原始数据)(U V ct)(U V d)(I d A2.89 261 0.7 2.18 234 0.6 1.75 208 0.55 1.43 182 0.6 1.18 156 0.4 0.98 130 0.35 0.81 104 0.3 0.65 78 0.2 0.45 52 0.1 0.19260.08（3）数据处理0d U =n d R I ⨯+d UV A 8.270147.0V 261=Ω⨯+ V A 4.242146.0V 234=Ω⨯+ V A 7.2151455.0V 208=Ω⨯+ V A 4.190146.0V 182=Ω⨯+ V A 6.161144.0V 156=Ω⨯+ V A 9.1341435.0V 130=Ω⨯+ V A 2.108143.004V 1=Ω⨯+ V A 8.80142.08V 7=Ω⨯+ V A 4.53141.02V 5=Ω⨯+ V A 12.271408.06V 2=Ω⨯+（4）图表（5）Ks 计算94.15281.098.0104130K 120102=--=--=VV VV U U U U ct ct d d s5、电枢回路电磁时间常数L T（1）实验原理：断开电枢回路连线；使用电感表测量电枢回路总电感量 L （2）数据记录mHL mH a d 257549L ==（3）数据处理0186.055.48906906357549L =Ω===+=+=∑mHRLT mH mH mH L L L a d6、电枢回路机电时间常数Tm（1）实验原理：电机空载，突加给定，并使起动峰值电流达到系统设定最大电流Idm 记录id 波形，由下列公式计算Tm 。

dt i I di a z a )(T m -=从B A t ~t 对a i 积分:dt dn GD I C i C T T C R I U n z m a m z e a 3752=-=--=∑dt di T I dt di C C R GD C T i am z a m e m z a -=-=∑3752⎰⎰⎰⎰--=--=BB B Ba a tti )()(i I t t A B z dm z m t t t t z a m AA A Adt t t I I I T dt dt i T dzdmdz dm t t A B z a mI I s I I t t I dt T B A -=---=⎰)(i（2）实验曲线图（3）Matlab绘制的理想曲线图（4）数据处理s 099.0144.55.7T =⨯=-=dz dm m I I s三、系统设计一、系统理论设计内容（一）系统传递函数结构图（二）设计步骤晶闸管供电的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直流电动机：min /1450r n N = ②晶闸管装置放大系数：94.153=s K ③电枢回路总电阻：Ω=94.21R ④时间常数：s T l 0186.0=，s T m 099.0= ⑤电流反馈系数：5714.34.15==AV β⑥转速反馈系数：0034.01450V5==rpmα设计要求：①静态指标：%5%≤s ；3D =；②动态指标：电流超调量%5≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量%10≤n σ在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。