拖動系統(tǒng)課程設計報告

1、拖動系統(tǒng)課程設計報告書題目：直流電機速度電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計與仿真專業(yè)：自動化姓名：顧鏞學號： 2014330301135指導教師：雷美珍郭亮浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計浙江理工大學本科課程設計任務書直流電機速度電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計與仿真課題名稱某 PWM 斬波電路供電的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)， H 橋斬波電路采用雙極性 PWM 電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電動機：電樞電為 3.4，電感： 0.0604，勵磁電阻 220，勵磁電感為 0，互感為 0.797，轉動慣量 0.014，勵磁電壓 110V，電樞電壓 140V ；電流反饋系數(shù)：0.08；轉速反饋系數(shù)：0.005。一、該同學的主要任務1、

2、查找文獻，了解直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的的應用;主要任務與2、設計直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，并設計出相應的電路原理圖；目標3、建立 SIMULINK電氣仿真模型；4、設計 PID 算法，對轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)進行負載試驗、抗干擾試驗；二、目標1、建立直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)數(shù)學模型；2、設計 PID 算法，調試參數(shù)，使電流超調量小于5%；3、轉速超調量小于10%。4、要求最大啟動電流不超過在10A。本課題主要研究直流電動機的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，該同學主要工作是雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計與仿真試驗分析?；緝热荩?、設計直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)總體方案；2、電流調節(jié)器設計；主要內容與基3、轉速調節(jié)器設計；本

3、要求4、分別對空載、負載、擾動工況進行仿真模擬；基本數(shù)據(jù)要求：1、 空載時，給定速度分別為2000r/min 、1000r/min ，記錄此時的實際速度和實際電流波形；2、 給定速度為500r/min ，空載啟動后，在1S 時加載，負載轉矩為1N.m，記錄此時的實際速度和實際電流波形。2浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計一、主要參考文獻1、基于 C 語言編程MCS-51 單片機原理與應用；張培仁，清華大學出版社；主要參2、電氣傳動的脈寬調制控制技術，吳守，機械工業(yè)出版社；考資料3、電力電子技術，浣喜明，高等教育出版社；4、電動機的單片機控制，王曉明，北京航空航天出版社；5、電機與拖動基礎，李發(fā)海，清

4、華大學出版社計劃進度：序號內容1任務布置與介紹2系統(tǒng)總體方案設計3硬件系統(tǒng)建模4直流電機數(shù)學模型推導5PWM 算法設計6電流調節(jié)器設計7速度調節(jié)器設計8仿真調試與試驗9撰寫課程設計報告10答辯指導教師實習地點簽名年月日3浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計摘要以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎， 使用 Matlab 的 Simulink工具箱對直流調速系統(tǒng)仿真研究。 采用面向控制系統(tǒng)電氣原理結構圖的方法建立了系統(tǒng)模型，結合SimPowerSystems工具箱，對轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行了仿真。根據(jù)設計指標設計轉速環(huán)和電流環(huán)， 以及合理的 PID 算法，通過調節(jié)參數(shù)，對空載、負載、擾動工況下的結果波形進行對

5、比分析。結果表明，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，對負載變化和電網電壓的波動都能起抗擾作用，且能夠在電動機過載時起到快速的自我保護作用。關鍵詞： 雙閉環(huán)；直流電機； Simulink目錄1. 直流電機速度電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的基本原理 52. 直流電機速度電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計 . 52.1 系統(tǒng)總體方案設計 .52.2硬件電路設計 .62.3 電流調節(jié)器設計 .62.4 轉速調節(jié)器設計 .93.直流電機速度電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真103.1 開環(huán)系統(tǒng)仿真實驗 .103.2 電流單閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗.143.3 速度電流雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗154.總結 .205.參考文獻204浙江理工大學拖動系統(tǒng)課

6、程設計正文1. 直流電機速度電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的基本原理直流調速是交流拖動系統(tǒng)的基礎， 該系統(tǒng)中設置了電流檢測環(huán)節(jié)、 電流調節(jié)器以及速度檢測環(huán)節(jié)、 速度調節(jié)器， 構成了電流環(huán)和速度環(huán)， 前者通過電流原件的反饋作用穩(wěn)定電流， 候著通過速度檢測原件的反饋作用保持速度穩(wěn)定， 最終小車速度偏差， 從而使系統(tǒng)達到調節(jié)電流和速度的目的。 該系統(tǒng)啟動時， 速度外環(huán)飽和不起作用， 電流內環(huán)起主要作用， 調節(jié)啟動電流保持最大值， 使速度線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，速度負反饋外環(huán)起主要作用，使速度給定電壓的變化而變化，電流內環(huán)跟隨速度外環(huán)調節(jié)電機的電樞電流以平衡負載電流。2. 直流電機速度電流雙閉環(huán)調速

7、系統(tǒng)的設計2.1系統(tǒng)總體方案設計5浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計2.2硬件電路設計U sVT1VD1VD3VT3U g1U g 3MVT2VD4VT4VD2U g 2U g 4圖 1圖 26浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計圖三圖 1，圖 2，圖 3 分別為驅動電壓、輸出電壓和電流波形它們之間的關系是： Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一個開關周期內，當 0t<ton時， Uab= Us，電樞電流 id 沿回路 1 流通；當 ton t<T 時，驅動電壓反相， id 沿回路 2 經二極管續(xù)流， Uab=-Us。因此， Uab 在一個周期內具有正負相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。

8、圖 2、圖 3 也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。相當于一般負載的情況，脈動電流的方向始終為正； 相當于輕載情況， 電流可在正負方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負載電流。電動機的正反轉則體現(xiàn)在驅動電壓正、負脈沖的寬度上。當正脈沖較寬時， ton>T/2, 則 Uab的平均值為正，電動機正轉，反之，則反轉；如果正、負脈沖相等， t=T/2, 平均輸出電壓為零， 則電動機停止。圖 2、圖 3 所示的波形是電動機正轉時的情況。雙極式控制可逆 PWM變換器的輸出平均電壓為：U dton U sT t on U s( 2t on1)U sTTT若占空比 和電壓系數(shù) 的定義與不可逆變換器相

9、同， 則在雙極式是可逆變換器中： =2 -1 就和不可逆變換器中的關系不一樣了。調速時， 的可調范圍為 01，相應的， =（-1 ） （ +1）。當 >1/2 時， 為正，電動機正轉；當 <1/2 時， 為負，電動機反轉；當 =1/2 時， =0，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零， 而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓， 因而，電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零， 不產生平均轉矩， 徒然增大電動機的損耗，這是雙極式控制的缺點。 但它也有好處，在電動機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆 PWM變換器有

10、下列優(yōu)點：1) 電流一定連續(xù)；2) 可使電動機在四象限運行；3) 電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；4) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達 1：20000 左右；5) 低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。為了克服上述缺點，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關次數(shù)和開關損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能會略有降低2.3電流調節(jié)器設計7浙江理工大學拖

11、動系統(tǒng)課程設計作為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定的電壓?（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化，且對電網電壓的波動?起及時抗擾作用。在轉速穩(wěn)態(tài)過程中，能夠保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。把轉速環(huán)給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內前向通道上，并將給?定信號改成? ，再把時間常數(shù)為Ts 和 Ton 兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成?一個時間常數(shù)為 ? 的慣性環(huán)節(jié)，其中? =Ts +Toi?采用 PI 型的電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成?（ ?s + 1

12、）?s =?則開環(huán)傳遞函數(shù)為?s?（ ?s + 1）?opi s =?s(? ?+ 1)( ?+ 1)?因為 Tl >>? ，所以選擇 ?，用調節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數(shù)?= ?極點，以便校正成典型一型系統(tǒng)，因此令轉速開環(huán)增益 ? ? ?=?=?則?opis =s(?+ 1)給定電流超調量 ?5% ，選取 ? ?= 0.5，則 ?= ?ci =1 ，2? ?再根據(jù) ?=? ?=? ? ，得到?=?2?8浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計2.4速度調節(jié)器設計轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它是轉速n 很快地跟隨給定電壓? 變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差， 如果采用 PI 調節(jié)器，則刻

13、實現(xiàn)轉速無靜差。?轉速調節(jié)器對負載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。把轉速環(huán)給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內前向通道上，并將給?1定信號改成?和 Ton 兩個小慣性換屆合并起來， 近似成一?，再把時間常數(shù)為?個時間常數(shù)為 ? ?的慣性環(huán)節(jié)，其中1?=? +Ton?采用 PI 型的轉速調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成?s=?（ ?s + 1）?s?則開環(huán)傳遞函數(shù)為?（ ?）?s + 1? s =?( ?+ 1)s? ?令轉速開環(huán)增益? = ? ? ?則9浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計? （?s+ 1）? s =2?( ?+ 1)按照典型二型系統(tǒng)的參數(shù)關系，有? = h? + 1?

14、 =?222? ?（? + 1） ? =2?R?中頻寬 h 要看動態(tài)的要求決定，一般選擇h=5。3 直流電機速度電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真3.1 開環(huán)系統(tǒng)仿真實驗（ 1.1）空載轉速（ 1.2）空載電流10浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計（ 1.3）空載轉矩分析：空載時，系統(tǒng)在2s 左右達到穩(wěn)態(tài)，轉速無超調11浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計（ 2.1）加載轉速（ 2.2）加載電流（ 2.3）加載轉矩分析：在 1s 時加負載后，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，轉速比空載時減小，電流和電磁轉矩不再為零，而與輸入負載轉矩有關。12浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計（ 3.1）減載轉速（ 3.2）減載電流（ 3.3）減載轉矩分析：

15、 1s 后減載，轉速突然上升，電流和電磁轉矩突然減小，達到穩(wěn)態(tài)的時間與加載情況相同，但穩(wěn)態(tài)轉速要比加載時高，電流和電磁轉矩比加載時小。13浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計3.2電流單閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗（ 1.1 ）階躍輸入： 0.56 ；電流環(huán) Kp =5，Ki =50（ 1.2 ）階躍輸入： 0.56 ；電流環(huán) Kp =5，Ki =5電流環(huán) Kp =5，Ki =5014浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計3.3速度電流雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗(1) 負載轉矩： 3N·m，給定轉速： 1500rad/min ，轉速環(huán) KP=20，Ki =120；電流環(huán) KP=5， Ki =50；(2) 負載轉矩： 3N

16、·m，給定轉速： 1000rad/min ，15浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計轉速環(huán) KP=20，Ki =120；電流環(huán) KP=5， Ki =50；16浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計(3) 負載轉矩： 3N·m，給定轉速： 1000rad/min ，轉速環(huán) KP=150， Ki =120；電流環(huán) KP=5，Ki =50；17浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計(4) 負載轉矩： 3N·m，給定轉速： 1000rad/min ，轉速環(huán) KP=20，Ki =10；電流環(huán) KP=5，Ki =50；18浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計分析：第一階段（ 0約 0.01s ）是電流上升階段：

17、突然給定電壓?后，經過兩個調節(jié)器的跟隨作用， Uc、Ud0、 I d 都上升，但是在 I d 沒有達到負載電流I dL 以前，電動機還不能轉動。當 I dI dL 后，電動機開始啟動，由于機電慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節(jié)器的輸入偏差電壓 （?）的數(shù)值仍較大，? = ?- ?，強迫電樞電流 I迅速上升。直到 II，其輸出電壓保持限幅值 ?d，U?imddmiim電流調節(jié)器很快壓制了 I d 的增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中， ASR 很快進入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR一般不飽和。第二階段（約 0.01s0.43s ）是恒流升速階段：在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環(huán)

18、相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒流給定?下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本?im上保持電流 I d 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長，是啟動過程中的主要階段。第三階段（約 0.43s后）是轉速調節(jié)階段：當轉速上升到給定值n* 時，轉速調節(jié)器 ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值? ，所im以電動機仍然在加速，是轉速超調。超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它退出?和 I很快下降，但是，只要 I仍大于負載電流 I ，轉速就繼續(xù)上飽和狀態(tài)， ?idddL升，直到 I d= I dL，轉矩 Te=TL , 則 dn = 0，轉速達到峰值。 此后，在時間內， I d< I dL，dt電

19、動機開始在負載的阻力下減速， 直到穩(wěn)態(tài)。在最后轉速調節(jié)階段內， ASR和 ACR 都不飽和， ASR起主導轉速調節(jié)作用，而 ACR力圖使 I d 盡快地跟隨其給定值 ?i?。將（2）與（3）對比，可以看出增大轉速環(huán)的比例作用， 使轉速超調量減小，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，震蕩加劇；將（2）與（4）對比，可以看出增大轉速環(huán)的積分作用， 使轉速超調量減小，消除余差，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。19浙江理工大學拖動系統(tǒng)課程設計4. 總結4.1 轉速的退飽和超調與穩(wěn)態(tài)轉速有關按線性系統(tǒng)計算轉速超調量時，當 h 選定后，不論穩(wěn)態(tài)轉速 n* 多大，超調量的百分數(shù)都是一樣的。4.2 反電動勢對轉速環(huán)和轉速超調量的影響反電動勢的動態(tài)影響對于電流環(huán)說是可以忽略的； 對于轉速環(huán)來說， 忽略反電動勢的條件就不成立了。 由于反電動勢的影響只會使轉速超調量更小， 所以可以不考慮。4.3 電流環(huán)抗干擾性能由于電流環(huán)的存在， 電壓波動可以通過