运动控制

运动控制系统课程设计

一、目的和意义

1.学会针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现；

2.进一步加深对课堂教学内容的理解，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构；

3.掌握基本的调试方法，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和工程实践技能。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件

三、实习任务

（1）学习交、直流伺服系统的一般设计方法，具备初步的独立设计能力；

（2）学会查阅技术资料和手册，合理选用设计方案；

（3）初步掌握伺服系统调试的基本技能；

（4）提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的工程应用能力；四．实习内容

1.位置闭环控制调节器的设计与调试

2.交流调速系统模型的搭建与仿真

3.直流调速系统模型的搭建与仿真

五、实验步骤

（一）位置闭环控制调节器的设计与调试

1．位置控制的基本原理

位置控制是以速度和转矩控制为基础的，典型的位置伺服系统式三重闭环的结构，即位置环、速度环和电流环。位置控制系统以速度环、电流环作为内环，位置环为外环，这就说明位置控制系统与调速控制系统式密切相关的。对于位置控制系统的性能指标，也可以分为动态和稳态两个方面。可以认为，位置控制系统的动态性能基本上是由丙环来保证的，而稳态精度则主要靠外环来实现。对于

丙环的要求是希望有足够的调速范围、快且平稳的起、制动性能，转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度等干扰因素的影响。而对外环则要求有足够的位置控制精度、位置跟踪精度、足够快的跟踪速度、位置保持的能力等。2．位置闭环控制调节器原理图

参数设置：Kaff=0，Kvff=0.9 ，Kpp=20，Kdp=0.5 ，Kip=0

3．仿真波形

（二）交流调速系统模型的搭建与仿真

1．交流调速系统原理

由异步电动机的机械特性方程可见，当异步电动机定子与转子回路的参数为恒定时，在一定的转差率下，电磁转矩Te与定子电压Us的平方成正比，因此改变电动机定子电压就可以改变电动机在一定输出转矩下的转速。

采用普通的异步电机的变压调速时，调速范围很小，采用高转子电阻的力矩电动机可以增大调速范围，但机械特性又很软，因而当负载变化时，静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾，要求调速范围大于2时，往往采用带负反馈的闭环交流调速系统。

如图所示转速负反馈闭环调试系统交流调压系统由调节器、晶闸管调压装置、转速反馈装置和异步电机等部分组成。改变给定信号Un的大小可以改变电机的转速n。当由于某种原因引起的电机转速不稳定时，系统可自动调节电机的转速而维持稳定。

2．速度闭环的仿真图形如下图所示

0.05

0.1

0.15

0.20.25

0.3

0.35

0.4

00.10.20.30.40.50.6

0.70.80.9

1time/s

c u r r e n t /A

将模型左下角的manual switch6开关打到step1的信号上，出现如下图所示的波形

将模型左下角的manual switch 开关打到正弦信号上，将出现如下图所示的波形

3．位置速度双闭环的仿真图形如下图所示

将模型左下角的manual switch开关打到位置速度双闭环的一侧，并调节参数Kpp1=0.1，Kpp2=5e-005，Kpp=0.005，Kpd=0.0002，Kpi=0将出现如下图所示的波形。

（三）直流调速系统模型的搭建与仿真

1．建立直流脉宽PWM调速系统仿真模型

建立转速反馈闭环PWM调速系统仿真模型（如图1）模型中直流电机的电源采用直流电源Us模块，经双极式H桥心PWM变换器输出给直流电机电枢。电机用恒定的电源Uf它励，并拖动恒定负载。模型检测了直流电机的转速n、电枢电流Ia与电磁转矩Te，并将n、Ia与Te输入到示波器显示。另一示波器显示PWM 变换器的输出信号Ug，与电枢电压Ua，电机转速n信号经速度反馈系数0.972与给定的Ur相比较，其偏差经转速调节器ASR再去控制PWM发生器，生成幅值上正下负的等幅矩形脉冲序列PWM波。

2．仿真模型使用模块的提取路径与参数设置

1)选路器Selector1：设置“Input Port width”为4设置“elements（-1 for

all elements）”为[1 2 4 3]。

2)直流电压Us=220V，Uf=220V。

3)两组PWM发生器：genertor mode 工作模式为单桥臂（-1 bridge，2 pulse）、

Carrier frequency（Hz）载波频率为80Hz。

4)多功能桥臂Universal Bridge：number of bridge arms多功能整流桥模型

桥臂的相数选为2、Sunbber vresistance RS（Ohms）吸收电阻设置为1e5Ω，sunbber capacitance Cs（F）吸收电容设置为正无穷、Power Electronic device 电力电子器件种类选为MSFET/Diodes，Ron（Ohms）桥中电力电子器件内电阻设置为1e-3Ω

3．转速调节器ASR的传递函数Wasr=（0.3s+1）/88s

4．模型仿真及结果

在仿真模型中，首先在主菜单里【simulation】下【configuration parameters】设置模型图参数里，选择算法Ode23tb，其他设置为默认值，再用鼠标点击菜单【simulation】下的【Start】子菜单即可对原理图模型仿真，仿真波形如图所示。