直流电机双闭环、运动控制系统课程设计资料

第1章绪论

1.1运动控制系统研究背景

电机自动控制系统广泛应用于机械模具，矿产冶金，石油化工，轻工纺织，军工等与军民企业密切相关的行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济，以及电能的合理运用都具有十分重要的现实意义。

自从电动机发明到上个世纪90年代，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。

本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。

1.2课题目前的研究应用现状

近几十年来，电力拖动系统得到了快速的发展。随着新型电力电子器件的发明，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开：

1.2.1常规调速系统介绍

电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块（IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。

传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。

1.2.2应用现代控制理论

在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两方面原因：第一是高性能处理器的应用，使得复杂的运算得以实时完成。第二是在辨识，参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。

1.2.3采用总线技术

现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。

1.2.4内含嵌入式操作系统的控制器

当今是网络时代，信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。这种控制系统采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件Linux操作系统的数字式伺服系统。

1.3 本设计思路

根据本课题的实际情况，宜从以下三个方面入手分析：

1．直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型

2．双闭环直流调速的工程设计

3．应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正

本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。

关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次[4]。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。

1.4本设计的组成部分

1.4.1系统的数学模型

分析双闭环调速系统的工作原理，列写双闭环调速系统各环节的传递函数，并画出其动态结构图。

1.4.2 经典控制部分

首先了解双闭环直流调速系统的基本原理，然后应用工程设计方法，分别进行主电路、电流环和转速环的设计,并应用MATLAB对系统进行仿真。

1.4.3 仿真部分

运用SIMULINK工具箱对系统进行仿真,获得系统的动态响应曲线及其频率特性曲线。结合曲线对由不同方法设计出的调速系统的性能进行比较研究，从而得到性能指标较为理想的系统模型。并尝试性地提出改进方案。

第二章 设计系统的数学模型和原理

2.1.1 测定电枢回路的参数

2.1.1.1 测定电枢回路总电阻R Σ

通过测定R n ,R D ,R P 得到R Σ

其中 R n —晶闸管等效电阻 R P —平波电抗器等效电阻

R Σ—电枢回路的总电阻 R D —电动机电枢电阻

考虑到参数的非线性，应用伏安法测量。通过改变变阻器的阻值，改变I d ,测出不同的U d , U p , U D .测试时，为防止因电枢转轴不同心，而影响电刷接触电阻。将电枢转动三次，取测量的平均值。应用公式：

D

D D I U R = p p

p I U R =

d

d n I U R ∆∆=

2.1.1.2 测定电枢回路的总电感L L = L P + L D + L B

式中 L P —平波电抗器电感

L D —电动机电枢电感

L B —变压器漏感

先测 L S =L P +L D ,

利用以下公式: Z =R S +j X S =U d /I d-

X S =(Z 2- X 2)1/2

L S =X S /2πf =X S /314

再来测定变压器的漏感L B

根据经验公式: L /B = K B *( U K % /100)*(U 2 /I d ),

在三相桥中 L B = 2*L /B

因此 L =L S + L B

2.1.2 测定电力拖动系统机电时间常数T m

2.1.2.1 测定电动机的C e 在给定电压下选稳态时实验测量所需数据，因稳态时 0=dt

dI d 而 E dt

dI L RI U d d d ++=0 故 n

RI U n E C d d e -==0 2.1.2.2 测定电动机的飞轮力矩GD 2使电动机在空载下自由停车 (这时M D =0, M fz =M 0),其中M 0

为电动机的空载转矩.

由 M D -M fz =GD 2dn/375dt