(畢業(yè)論文)V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.doc

1、運動控制課程設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院自動化科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè) _學(xué)生姓名 _學(xué)生學(xué)號_指導(dǎo)教師_提交日期 2013 年 9 月 4 日目錄一、設(shè)計任務(wù) .錯 誤. !未定義書簽1.1課程設(shè)計目的 .錯 誤!未定義書簽1.2初始條件 .錯 誤. !未定義書簽1.3技術(shù)指標(biāo) .錯 誤. !未定義書簽1.4設(shè)計要求 .錯 誤. !未定義書簽二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 . 錯 誤!未定義書簽2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)概述 .錯.誤!未定義書簽2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 .錯.誤!未定義書簽2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 .錯.誤!未定義書簽2.4設(shè)計的基本思路 .錯 誤!未定義書簽2.5參數(shù)計算 .錯

2、 誤. !未定義書簽2.7系統(tǒng)Simulink仿真 .錯.誤!未定義書簽三、心得體會 .錯.誤. !未定義書簽四、參考資料 .錯.誤. !未定義書簽設(shè)計任務(wù)1.1課程設(shè)計目的1 聯(lián)系實際，對雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行綜合性設(shè)計，加深對 所學(xué)自動控制系統(tǒng)課程的認(rèn)識和理解，并掌握分析系統(tǒng)的方法。2 熟悉自動控制系統(tǒng)中元部件及系統(tǒng)參數(shù)的計算方法。3 培養(yǎng)靈活運用所學(xué)自動控制理論分析和解決實際系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種 問題的能力。4 設(shè)計出符合要求的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，并通過設(shè)計正 確掌握工程設(shè)計的方法。5 掌握應(yīng)用計算機對系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方法。1.2初始條件1系統(tǒng)主電路總電阻R=2Q2電磁時間常數(shù)

3、：T1=0.005s3機電時間常數(shù)：Tm =0.2s4PWM整流裝置：放大系數(shù)Ks=4.8,失控時間Ts=0.4ms5 電流反 饋濾 波時 間常 數(shù)：Toi=0.0025s，轉(zhuǎn)速率 波時 間常 數(shù)Ton=0.014s6 額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓：Unm =10V7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出電壓Uim=10V1.3技術(shù)指標(biāo)1 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機不可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍（D20）,系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作；2 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差；3.動態(tài)性能指標(biāo)：空載啟動到額定轉(zhuǎn)速的超調(diào)量SnV9%,電流超調(diào)量SiV4%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts O.1s;4 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置

4、有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施。1.4設(shè)計要求根據(jù)題目的技術(shù)要求， 分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖；1.繪制雙閉環(huán)直流脈寬（PWM）調(diào)速控制系統(tǒng)線路圖（主電路、控制 電路（脈寬調(diào)制PWM電路、電壓電流檢測單元、 調(diào)節(jié)器，驅(qū)動電路、 檢測與故障保護電路） ）；2 對所設(shè)計出的雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗， 并給出仿真結(jié)果圖；wO.ls;3 整理設(shè)計數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計總結(jié)，對本課程設(shè)計提出新設(shè)想和新 建議。二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)概述在許多應(yīng)用場合， 為了充分發(fā)揮生產(chǎn)機械的效能， 提高生產(chǎn)率， 速度控制系 統(tǒng)經(jīng)常處于起動、 制

5、動、反轉(zhuǎn)以及突加負(fù)載等過渡過程中。 所以要求速度控制系 統(tǒng)有較好的動態(tài)性能。對高性能、靜態(tài)的速度控制系統(tǒng)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(zhuǎn)速、電流雙 閉環(huán)調(diào)速體統(tǒng)。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)在穩(wěn)定的條 件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)。 但是該控制系統(tǒng)也有自身的缺點， 比如要求快速啟動、 突加負(fù)載動態(tài)速降等。 這種單閉環(huán)控制系統(tǒng)就難以滿足要求。 這是因為在單閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)中尚不能按需要來控制動態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)速。 為解決這一矛盾， 在上 一章中又講述了電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)， 它與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合在一起，

6、 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(fù)反饋作用限制電流的沖擊，由于電流截止負(fù)反饋只能限制最大電 流，電機轉(zhuǎn)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（長），帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟）所示。動過程的波形，如圖在 工業(yè)生產(chǎn)中，如龍門刨床、 可逆軋鋼機等要求經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)， 為了 提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量， 要求大量縮短其過渡過程的時間小。 為了能實現(xiàn)在允 許條件下最快啟動，依照反饋控制規(guī)律，經(jīng)論證與實踐，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)就能達(dá)到上述要求。叫 4”】.，.工乖嫌啟型過起闊電就秫轉(zhuǎn)岡彼總2

7、.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖21為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)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(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對就電機的最大電流；電流調(diào)節(jié)器圖21雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角a+2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，由于電流檢測信號中常含有

8、交 流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)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(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希?從而帶來設(shè)計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)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(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上 時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。Toi電流反饋濾波時間常數(shù)Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4設(shè)計的基本思路轉(zhuǎn)速

9、、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。對電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)而言，先從內(nèi)環(huán)（即電流環(huán)）出發(fā)，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為那種典型系 統(tǒng)。按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計完電流環(huán)環(huán)節(jié)之后，把它等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分。然后用同樣的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè) 計，每個環(huán)的設(shè)計都是把該環(huán)校正為一個典型系統(tǒng)，以獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。目前的V-M調(diào)速系統(tǒng)多為帶電流內(nèi)環(huán)的速度控制系統(tǒng)。電路中，直接提供的是三相交流380V電源，而直流電機的供電需要三相 直流電，因此要進(jìn)行整流，本設(shè)計采用三相橋式整流電路將三相交流電源變成 三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動機。如下圖設(shè)計的總

10、框架。系統(tǒng)設(shè)計總框架2.5參數(shù)計算1.有關(guān)參數(shù)的計算a)根據(jù)電動機的電勢常數(shù)Ce=(220-0.18*1000)/37=1.08Q三相交流電源整流三相直流電源直流電機供電A保護電路驅(qū)動電路雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2mf2 6 500. 0017sb)三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時間1 1c）電流反饋系數(shù)設(shè)最大允許電流Idm1.251N，則電流反饋系數(shù)為d）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)Unm1010. OV rminnN10002.電流環(huán)的設(shè)計a）電流環(huán)小時間常數(shù)b）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇按典I系統(tǒng)設(shè)計，且選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為c）確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)KI:按照二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計，取

11、從而，ACR的比例系數(shù)為d）檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率:晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件滿足近似條件Uim1dmO-216/A小時間常數(shù)近似條件滿足近似條件忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件滿足近似條件e）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運算放大器取，則由有由得取表 典型I型系統(tǒng)參數(shù)與動態(tài)跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.310.390.50.691.01.56足跡系數(shù)1.00.90.80.7070.60.50.4上升時間tr11.仃6.66T4.71T3.32T2.42T1.73T超調(diào)里00.15%1.52%4.43%9.4816.3%25.4%截止頻率c0.243/0.299/0.367/0.45

12、5/0.596/0.786/1.068/TTTTTTT相角裕量76.373.569.965.559.251.843.93.轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計a）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)b）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)的要求，應(yīng)按典U系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，為此應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為c）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)為了使轉(zhuǎn)速環(huán)的跟隨性能和抗擾性能都較好，應(yīng)采用準(zhǔn)則選擇參數(shù)，且取h=5，因此ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為從而，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為d）檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件滿足近似條件。小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。e)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電阻和電容 取輸入電阻，則f)核校轉(zhuǎn)速超調(diào)量 因為

13、當(dāng)h=5時而所以可見所設(shè)計的系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求。2.7系統(tǒng)Simulink仿真雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)多為帶電流內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)增加了電流，轉(zhuǎn)速反饋濾波環(huán)節(jié)，以抑制反饋信號中的交流分量，同時在轉(zhuǎn)速、電流給定信號通道中加入兩個給定濾波器， 其時間常數(shù)與相應(yīng)反饋濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)相等，以平衡反饋濾波環(huán)節(jié)給轉(zhuǎn)速、電流反饋信號帶來的延滯相應(yīng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示s=tf(1 0,1);Ton=0.014;Toi=0.0025;Ts=0.0004;T1=0.005;Tm=0.2;圖中，ASR和ACR為結(jié)構(gòu)和參數(shù)待定的轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器1.基數(shù)統(tǒng)Tn轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動

14、態(tài)結(jié)構(gòu)圖、2.基于數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)模型matlab代碼R=2;Ce=0.18;Unm=10;PN=8500;UN=220;IN=37;nN=1000;Ks=4.8;Uim=10;lam=1.5;a=Unm/nN;Idm=IN*lam;B=Uim/Idm;Tsi=Toi+Ts;KI=0.39/Tsi;Ki=KI*T1*R/B/Ks;h=5;Tsn=2*Tsi+Ton;Tn=h*Tsn;KN=(h+1)/(2*hA2*Ts nT);Kn=(h+1)*B*Ce*Tm/(2*h*Tsn*a*R); wci=KI;syss2),feed2);test1=1/3/Ts;test2=1/3*s

15、qrt(1/Ts/Toi);test3=3*sqrt(1/Tm/T1);y1=(wci=test1);y2=(wci=test3);wcn=KN*Tn;test4=1/5/Tsi;test5=1/3*sqrt(1/2/Tsi/Ton);y4=(test4wcn);y5=(test5wcn);sys1=1/(Ton*s+1);ASR=Kn*(Tn*s+1)/Tn/s;sys2=1/(Toi*s+1);ACR=Ki*(T1*s+1)/T1/s;sys3=Ks/(Ts*s+1);sys4=1/R/(T1*s+1);feed1=B/(Toi*s+1);feed2=a/(Ton*s+1);syss1=f

16、eedback(series(series(ACR,sys3),sys4),feed1);syss2=feedback(R/Tm,series(Ce,sys4);sys=series(sys1,feedback(series(series(series(ASR,sys2),syss1),sysl=feedback(series(series(ACR,sys3),feedback(sys4,1.8),feed1);通過運行代碼，在命令窗口中使用impulse(sys*10/s)可以得到該階躍相應(yīng)曲線如下圖所示：3.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型(注：改圖借鑒梅粲文同學(xué)，特此申明)(1)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

17、:syss2),feed2);本設(shè)計的主要工作是設(shè)計直流調(diào)速控制器的電路，設(shè)計的電路都是模擬電心得體會(2)電流仿真結(jié)果:Time offact 0syss2),feed2);路，詳細(xì)地介紹了器件的保護、電流調(diào)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器以及晶閘管的觸發(fā)電路的設(shè)計過程，當(dāng)然還有其它電路的設(shè)計， 最后得到整個調(diào)速控制的電路原理圖。 本次設(shè)計總體來說，題目明確，方向明確，因此不需要從多個方面去考慮，任務(wù) 的設(shè)計涉及的內(nèi)容除了運控外，還有電路，電力電子等相關(guān)方面的知識。通過本次課程設(shè)計， 進(jìn)一步了解和掌握了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其控制電路 的一些特性，比較全面地將所學(xué)的電力電子和電力拖動方面的知識運用于設(shè)計當(dāng)

18、中，對設(shè)計中一些參數(shù)的計算也比較清析得到， 整個雙閉環(huán)直流調(diào)速電路分階段 地完成，從電力電子方面的設(shè)計到電力拖動方面的設(shè)計，最后MATLAB/SIMULINK的運用，是一步一步的完成和組合。本次設(shè)計在書本有參考題目， 這就大大方便了我們的設(shè)計過程， 主要的部分 是參數(shù)的計算，計算量也比較大，但總體原理不難，只要認(rèn)真耐心去做，基本沒 什么難度就可以設(shè)計出來。 在進(jìn)行硬件電路圖的設(shè)計時， 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器都可以在課本上找到相應(yīng)的知識原理， 而觸發(fā)電路， 主電路在電力電子課程中 學(xué)習(xí)過，也不難設(shè)計出它們的硬件連接圖。通過此次設(shè)計， 我從中得了不少收獲。 不僅在理論上， 知道課本理論知識的 重要性， 而且也知道實踐如何運用理論， 理論聯(lián)系實踐。 雖然在整個過程中遇到 一些額外的問題，比如Word里如何修改公式，Matlab的仿真使用，以及中途 修改參數(shù)而增加不少工作量等， 但是我堅持到底， 盡自己最大努力去解決這些問 題，鍛煉了自己耐心、 求真務(wù)實的作風(fēng)。 相信通過這次的設(shè)計將在以后的工作中 給我不少的啟發(fā)。我也會在今后更多的時間學(xué)習(xí)各種新知識， 給自己不斷的充電， 增值四、參考資