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1、電機及其運動控制系統課程設計說明書題目：雙閉環(huán)V-M調速系統中主電路電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計 學院： 自動化學院 專業(yè)： 自動化 姓名： 學號： 指導教師： 潘月斗 2013年11月20日 摘 要本設計簡單介紹了雙閉環(huán)調速系統的原理和動態(tài)結構，并基于相關原理，根據設定的電機參數等已知條件和要求按工程設計方法對雙閉環(huán)調速系統主回路、轉速調節(jié)器（ASR）和電流調節(jié)器（ACR）及其限幅電路進行設計，并對該系統的調節(jié)器有關參數進行了計算。最終完成了雙閉環(huán)V-M調速系統的主電路以及電流、轉速調節(jié)器的設計，并用Simulink進行了仿真驗證，總結了設計心得。關鍵詞：雙閉環(huán)；調速系統；ASR；ACR；設

2、計；計算；Simulink仿真 目 錄摘 要2課程設計任務書4一、設計題目4二、具體內容4三、已知條件及直流電機相關參數4四、設計要求5引 言51. 雙閉環(huán)調速系統61.1 概述61.2 系統組成及原理71.3 系統的靜特性與動特性82.系統各環(huán)節(jié)設計及參數計算92.1 電流環(huán)的設計92.2 轉速環(huán)的設計113. 系統主回路及控制電路設計133.1 雙閉環(huán)調速系統主回路電路133.2 雙閉環(huán)調速系統控制電路133.2.1 轉速給定器（G）133.2.2 轉速調節(jié)器（ASR）143.2.5 電流調節(jié)器（ACR）153.2.6 電流互感器（TA）163.2.7 觸發(fā)器（GT）163.2.8 轉速變

3、速器（FBS）173.2.9 直流穩(wěn)壓電源（DC RPS）184. Simulink仿真184.1 仿真模型的建立184.2 仿真波形196. 設計心得217. 參考文獻23 課程設計任務書一、設計題目雙閉環(huán)V-M調速系統中主電路電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計二、具體內容（1）主回路及其保護系統的設計；（2）轉速、電流調節(jié)器及其限幅電路的設計；三、已知條件及直流電機相關參數采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電，基本數據如下：直流電動機=220V，=136A，=1460r/min，電樞電阻=0.2，允許過載倍數=1.5；晶閘管裝置=0.00167s，放大系數=40；平波電抗器：電阻、電感；電樞回路總

4、電阻R=0.5；電樞回路總電感L=15mH；電動機軸上的總飛輪慣量GD2=22.5Nm2；電流調節(jié)器最大給定值=10.2V，轉速調節(jié)器最大給定值=10.5V；電流濾波時間常數=0.002s，轉速濾波時間常數=0.01s。設計要求：1.穩(wěn)態(tài)指標：轉速無靜差；2.動態(tài)指標：電流超調量；空載啟動到額定轉速的轉速超調量。四、設計要求1.寫出設計說明書，內容包括（1）各主要環(huán)節(jié)的工作原理；（2）整個系統的工作原理；（3）調節(jié)器參數的計算過程。2.畫出一張詳細的電氣原理圖3.采用Matlab中的Simulink軟件對整個調速系統進行仿真研究，對計算得到的調節(jié)器參數進行校正，驗證設計結果的正確性。將Simu

5、link仿真模型，以及啟動過程中的電流、轉速波形圖附在設計說明書中。 引 言電機自動控制系統廣泛應用于機械、礦冶、石油、化工、紡織和軍工等行業(yè)，這些行業(yè)中絕大部分生產機械都采用電動機作原動機。有效地控制電機從而提高其運行性能對國民經濟具有十分重要的現實意義。自上個世紀40年代以來約半個世紀的時間里，直流電動機幾乎是唯一能實現高性能拖動控制的電動機，其定子磁場和轉子磁場相互獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機具有優(yōu)良的起動、制動和調速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選，因為它具有良好的線性特性

6、、優(yōu)異的控制性能和高效率等優(yōu)點。直流調速仍然是目前最可靠，精度最高的調速方法。本課程設計的主要任務就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調速系統進行設計和控制，設計出能夠達到參數指標要求的電力拖動系統的調節(jié)器，并應用MATLAB軟件中的Simulink模塊對設計的系統進行仿真和校正以最終滿足預設指標的目的。采用轉速負反饋和PI調節(jié)的單閉環(huán)調速系統可以實現轉速的無靜差，如果附帶電流截止負反饋作限流保護則可以限制電流的沖擊，但并不能控制電流的動態(tài)波形。我們希望系統在啟動時，一直能有電機過載能力允許條件下的最大電流，電機有最大的啟動轉矩和最短的啟動時間，這一點利用單一的電流截止負反饋是很難實現的

7、。此外，在單閉環(huán)調速系統中，用一個調節(jié)器綜合多種信號，使各參數間相互影響，將導致難于進行調節(jié)器的參數調控。例如，在帶電流截止負反饋的轉速負反饋的單閉環(huán)系統中，同一調節(jié)器擔負著正常負載時的速度調節(jié)和過載時的電流調節(jié)，調節(jié)器的動態(tài)參數無法保證兩種調節(jié)過程均具有良好的動態(tài)品質。為了解決單閉環(huán)調速系統存在的問題，可以采用轉速、電流串級調速系統，即轉速電流雙閉環(huán)調速系統，采用兩個調節(jié)器分別對轉速和電流進行調節(jié)。這就是本次課程設計需要完成的任務。1. 雙閉環(huán)調速系統1.1 概述在許多應用場合，為了充分發(fā)揮生產機械的效能提高生產率，速度控制系統經常處于起動、制動、反轉以及突加負載等過渡過程中，所以要求速度控

8、制系統有較好的動態(tài)性能。對高性能、靜態(tài)的速度控制系統的要求是具有快速跟隨特性（起制性）、較好的抗干擾性和高可靠性（可瞬態(tài)過載但不過電流）。因此引入了轉速、電流雙閉環(huán)調速體統。轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調速系統是性能很好、應用最廣的直流調速系統。轉速負反饋和比例積分調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統能夠保證系統在穩(wěn)定的條件下實現轉速無靜差調節(jié)，但是該控制系統也有自身的缺點，比如要求快速啟動、突加負載動態(tài)速降等。將電流截止負反饋環(huán)節(jié)與轉速負反饋調速系統結合在一起，可以專門用來控制電流。從工作原理上分析，它只能是在超過臨界電流值以后，才能靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。由于電流

9、截止負反饋只能限制最大電流，電機轉矩也隨電流的減小而下降，使啟動加速過程變慢，啟動的時間也比較長，所以在工業(yè)生產中，如龍門刨床、可逆軋鋼機等要求經常正反轉運行的調速系統為了提高生產效率和加工質量，要求盡量縮短起、制動過程的時間。為了能實現在允許條件下最快啟動，依照反饋控制規(guī)律，經論證與實踐，采用轉速、電流雙閉環(huán)調速系統就能達到上述要求。1.2 系統組成及原理為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套鏈接，如圖1所示為轉速、電流雙閉環(huán)調速系統的結構原理圖。圖中兩個調節(jié)器ASR和ACR分別為轉速調節(jié)器和電流調

10、節(jié)器，二者串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內，稱之為內環(huán)；轉速環(huán)在外，稱之為外環(huán)，這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統。為獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般采用PI調節(jié)器，這樣就構成了雙閉環(huán)直流調速系統的電路原理圖如圖2所示。兩個調節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅Uim決定了電流調節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim；電流調節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值和最小觸發(fā)角。1.3 系統的靜特性與動特性靜特性：在正常負載情況下，轉速調節(jié)器不飽和，電流調節(jié)器也不飽和。穩(wěn)態(tài)時，依靠調節(jié)器的調節(jié)

11、作用，它們的輸入電壓偏差電壓都是零，因此，系統具有絕對硬的靜特性。當電動機的負載電流上升時，轉速調節(jié)器的輸出也將上升，當Id上升到一定數值時，轉速調節(jié)器的輸出達到限幅值，轉速環(huán)失去調節(jié)作用，呈開環(huán)狀態(tài)，速度的變化對系統不再產生那個影響，此時只剩下電流環(huán)起作用。雙閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖如圖3所示：動特性：雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)結構如圖4所示，由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號

12、和反饋信號經過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數用Ton表示。根據和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道中也配上時間常數為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。2.系統各環(huán)節(jié)設計及參數計算2.1 電流環(huán)的設計（1）確定時間常數電流環(huán)小時間常數：由于已給,因此=+=0.00367s；電樞回路時間常數：=L/R=0.015/0.5=0.03s。（2）確定電流調節(jié)器結構和參數結構選擇根據性能指標要求: , ,抗干擾性能適中,因此電流環(huán)按典型型系統設計，調節(jié)器選用PI,其傳遞函數為參數計算 ，為了將電流環(huán)校正成典型

13、I型系統，i應對消控制對象中的大慣性環(huán)節(jié)時間常數T1，即取i=T1=0.03s；為了滿足i5%的要求，應取Kop，iTi=0.5，因此，有Kop，i=1/2Ti=1/2*0.00367=136.2s-1于是可以求得ACR的比例放大系數為Ki=Kop，iiR/Ks=136.2*0.03*0.5/0.05*40=1.022校驗近似條件：a晶閘管整流裝置傳遞函數近似條件wci1/3Ts，wci= Kop，i=136.2s-1，而1/3Ts=199.6s-1顯然滿足近似條件；b電流環(huán)小時間常數近似處理條件wci 1/3(1/TsToi)1/2，而1/3(1/TsToi)1/2=182.4s-1 wci

14、，顯然也滿足近似條件。忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 由于，；所以，；因此，。查表1（典型型系統參數與動態(tài)跟隨性能指標的關系），設計后電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為=4.3%5%,滿足設計要求。表1 典型型系統參數與動態(tài)跟隨性能指標的關系參數關系KT0.250.310.390.50.691.01.56足跡系數1.00.90.80.7070.60.50.4上升時間11.1T6.66T4.71T3.32T2.42T1.73T超調量00.15%1.52%4.43%9.4816.3%25.4%截止頻率0.243/T0.299/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T1.068/T相角裕量

15、2.2 轉速環(huán)的設計（1）確定時間常數電流環(huán)等效時間常數：由于電流環(huán)按典型型系統設計，且參數選擇為Kop,i, Ti=0.5，因此電流環(huán)等效時間常數為2 Ti=20.00367=0.00734s。轉速環(huán)小時間常數Tn：已知轉速濾波時間常數為Ton=0.01s ，因此轉速環(huán)小時間常數Tn=2 Ti+Ton=0.00734+0.01=0.01734s。（2）確定轉速調節(jié)器結構和參數結構選擇由于設計要求無靜差，因此轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，又考慮到動態(tài)要求，轉速調節(jié)器應采用PI調節(jié)器，按典型型系統設計轉速環(huán)。轉速調節(jié)器的傳遞函數為參數計算綜合考慮動態(tài)抗擾性能和起動動態(tài)性能，取中頻寬h=5較好，AS

16、R的超前時間常數為，轉速開環(huán)放大系數為 于是轉速調節(jié)器的比例放大系數為 （3） 校驗近似條件和性能指標而，滿足等效條件；轉速環(huán)小時間常數近似處理條件，此時滿足近似處理條件。轉速超調量為同時，有 ，取中頻寬為，取。因此能夠滿足設計要求。（4） ACR和ASR的傳遞函數 3. 系統主回路及控制電路設計3.1 雙閉環(huán)調速系統主回路電路雙閉環(huán)調速系統主回路電路見圖5所示，其實質上就是一個三相橋式整流電路，通過該電路，三相交流電源被整流成為可供直流電機負載運行的直流電源。UWV圖5 雙閉環(huán)調速系統主回路電路圖3.2 雙閉環(huán)調速系統控制電路3.2.1 轉速給定器（G）轉速給定器電路見圖7所示，其由兩個保護

17、電阻R1與R2、兩個電位器R3與R4及兩個單刀雙擲開關J1與J2組成；電位器R3與R4分別用來調節(jié)正負電壓的大小，從而改變給定電壓即給定轉速的大?。粏蔚峨p擲開關J1控制給定電壓的正負，即控制電機的正反轉速；J2則用于控制運行與停止。圖6 轉速給定器電路圖3.2.2 轉速調節(jié)器（ASR）轉速調節(jié)器電路見圖7所示，轉速調節(jié)器 ASR 的功能是對給定和反饋兩個輸入量進行加法、減法、比例、積分和微分等運算，使其輸出按某一規(guī)律變化。 它由運算放大器，輸入與反饋網絡及二極管限幅環(huán)節(jié)組成。轉速調節(jié)器采用電路運算放大器，它具有兩個輸入端，同相輸入端和反相輸入端，其轉速調節(jié)器 ASR 也可當作電壓調節(jié)器 AVR

18、 來使用，輸出電壓與兩個輸入端電壓之差成正比。電路運算放大器具有開環(huán)放大倍數大，零點漂移小，線性度好，輸入電流極小和輸出阻抗小等優(yōu)點，可以構成理想的調節(jié)器。圖7 轉速調節(jié)器電路圖3.2.5 電流調節(jié)器（ACR）電流調節(jié)器電路見圖8所示，其適用于可控制傳動系統中，對其輸入信號（給定量和反饋量）可進行加法、減法、比例、積分、微分和延時等運算或者同時兼做上述幾種運算以使其輸出量按某種預定規(guī)律變化。電流調節(jié)器由以下幾部分組成：運算放大器，二極管限幅、輸入阻抗網絡、反饋阻抗網絡等。圖8 電流調節(jié)器電路圖3.2.6 電流互感器（TA）電流互感器電路如圖9所示，本系統中的電流互感器采用不完全星形接線，用于測

19、量顯三相三線電力裝置中的三相電流。WVU圖9 電流互感器電路圖3.2.7 觸發(fā)器（GT）觸發(fā)器電路見圖10所示，采用集成觸發(fā)器。集成觸發(fā)電路具有可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便等優(yōu)點。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。 圖10 觸發(fā)器電路圖 3.2.8 轉速變速器（FBS）轉速變換器電路如圖11所示，其用于轉速反饋的調速系統中，將直流測速發(fā)電機的輸出電壓變換成適用于控制單元并與轉速成正比的直流電壓作為速度反饋。 圖11 轉速變換器電路圖3.2.9 直流穩(wěn)壓電源（DC RPS）7815直流穩(wěn)壓電源電路如圖12所示，其由三相交流電經整流和穩(wěn)壓所得，用于雙閉環(huán)直流

20、調速系統中所有需要15V直流電源的器件。圖12 直流穩(wěn)壓電源電路圖4. Simulink仿真4.1 仿真模型的建立進入MATLAB，單擊MATLAB命令窗口工具欄中的Simulink圖標，打開Simulink模塊瀏覽器窗口。打開模型編輯窗口，選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口。雙擊模塊圖案，則出現關于該圖案的對話框，通過修改對話框內容來設定模塊的參數，模塊中需要修改的相關參數由前部分中計算所得。完成了對模塊參數的調整后就可以根據雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)結構圖對各模塊予以連接，完整的仿真模型如圖13所示。4.2 仿真波形電機啟動時，仿真的電流曲線、轉速曲線分別如圖14、15、16。由圖易見，滿足

21、轉速超調量，電流超調量。由Simulink仿真的波形來看，各個環(huán)節(jié)參數的設計和校正是較為合理的，綜上可以認為，雙閉環(huán)V-M調速系統中主電路電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計滿足了設計要求。 圖13 電流環(huán)電流圖 圖15 電流曲線圖 圖16 轉速曲線圖6. 設計心得本人此次負責總體設計，查閱了各種相關資料和比對了多種類型的相似電路。對于主控電路，在實際應用中已經有了較為成熟的設計，以三相橋式全控整流電路為主，故此次也選擇了該方案。對于控制電路，先根據雙閉環(huán)直流調速系統的基本結構，結合實際應用中對關鍵電氣參數的要求，完善出實用的電氣結構，作出結構圖，對具有特定功能的部件進行模塊化，以方便下一步對每一模塊

22、功能的設計。雖然查閱了很多資料，但由于對雙閉環(huán)直流調速的設計多停留在理論設計環(huán)節(jié)，給出的具體實現調節(jié)控制的電路較少，完成每一個模塊控制器件的設計還是具有一定難度的。通過尋找成熟的原理電路，結合本系統的具體需要和自己的理解，我選擇并修改了查找到的類似功能電路，使得其更適用于本系統。在設計完成后，聽取了本組成員的意見，對電機控制電路的功能進行了改進和完善，并用multisim對所有電路圖進行了繪制。本次課程設計我學到了很多新的東西，極大地拓寬了知識面,鍛煉了能力，綜合素質得到較大提高，感到收獲不小。同時也發(fā)現了大量問題，有些在設計過程中已經解決，有些還要待今后慢慢學習，只要學習就會有更多的問題，有

23、更多的難點，但也會有更多的收獲?？傊?，課程設計作為一種教學方式，鞏固了我們課堂上所學的知識，提高了我們對知識學習的熱情，鍛煉了我們運用知識解決實際問題的能力，讓我們收獲了很多。由于本人水平有限，所設計的系統可能有不當之處，懇請老師不吝指正。7. 參考文獻1陳伯時電力拖動自動控制系統運動控制系統（第3版）機械工業(yè)出版社，20032李華德等電力拖動控制系統（運動控制系統）電子工業(yè)出版社，20063阮毅，陳維鈞運動控制系統清華大學出版社，20063王鑒光電機控制系統機械工業(yè)出版社，19944王兆安，劉進軍電力電子技術（第5版）機械工業(yè)出版社，20115張志涌等精通MATLAB R2011a北京航空航天大學出版社，20116曾軍，方厚輝神經網絡PID 控制及其MATLAB 仿真現代電子技術，2004，27(2)：51-527張澤旭神經網絡控制與MATLAB 仿真哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011