运动控制系统课程设计-双闭环PWM直流调速系统的工程设计及PWM与普通直流调速系统的性能仿真研究.doc

设计课题: 双闭环PWM直流调速系统的工程设计及PWM与普通直流调速系统的性能仿真研究学校：河北联合大学班级：自动化一班学号：45姓名：焦立新一、设计目的：、1、应用所学的交.直流调速系统的基本知识与工程设计方案，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。了解转速、电流，PWM双闭环调速系统的组成以及各单元的工作原理。2、掌握PWM、晶阐管、双闭环直流调速系统的设计步骤以及参数整定和方法。3、 应用计算机仿真系数，掌握MATLAB直流调速系统的数学模型并对其进行仿真应用。4、在原理设计与仿真研究的基础上，掌握用PROTEL制作PWM双闭环直流调速系统的制作。5、直流电动机控制系统设计参数：1)直流电动机(1)：输出功率为:10Kw 电枢额定电压220V电枢额定电流 75A 额定励磁电流2A额定励磁电压110V 功率因数0.85电枢电阻0.1欧姆 电枢回路电感100mH电机机电时间常数2S 电枢允许过载系数1.5额定转速 970rpm2)环境条件:电网额定电压:380/220V; 电网电压波动:10%;环境温度:-40+40摄氏度; 环境湿度:1090%. 3)控制系统性能指标:电流超调量小于等于5%; 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;调速范围D20;静差率小于等于0.03.二、设计任务：一，首先确定控制系统方案，确定每一级的具体技术指标（如放大倍数，输入输出电阻，电源电压等）。二 静态设计1).确定控制系统采用的直流稳压电源电压(可选择). (2).确定整流装置的放大倍数.(需根据电枢电压与控制电压确定).并设计可控整流装置及触发电路. (3).确定电流反馈系数. (4).确定转速反馈系数. (5)根据调速范围与静差率要求确定静态速降及转速反馈环反馈系数. 三 动态设计 1 电流环设计 确定时间常数; 选择电流调节器结构; 选择电流调节器参数; 校验近似条件; 计算电流调节器电阻和电容2转速环设计.确定时间常数; .选择转速调节器结构;.选择转速调节器参数; .校验近似条件计算转速调节器电阻和电容.校核转速超调量. 四 建立控制系统的数学模型;1).建立控制系统的数学模型 (2).在MATLAB下仿真,检验转速超调量指标是否达到设计要求; (3).修改调节器参数,使之达到预期指标要求.(4).多方案比较时，要对每一系统模型进行仿真 五 完成控制系统原理图及印制板（PCB）图（1）可控整流电源（2）触发器（3）控制系统电源（4）调节器 （5）励磁电源等六 设计内容；1 静态设计1）电势参数：系统稳态速降；n=nNSD(1-S)= = 1.5r/min如果放大器采用PI调节器，则电动机的端电压U，可以保持不变，这时开环系统的转速降为N = n所以采用双闭环系统设计n=N1+K K=N-nn= 转矩常数：电磁时间常数：机电时间常数:晶阐管整流滞后时间常数:2).确定整流装置的放大倍数.(需根据电枢电压与控制电压确定).并设计可控整流装置及触发电路.取UC=10V (3).确定电流反馈系数. Uim*=5v启动电流： 电流反馈系数: (4).确定转速反馈系数. Unm*=20V (1).电流环设计确定时间常数:1)整流装置滞后时间常数Ts.按表1-2,三相桥式电路的失控时间Ts=0.0017s.2)电流滤波时间常数Toi.三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头,应有(12) Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s.3)电流环小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.0037s. 选择电流调节器结构:根据设计要求i5%,并保证稳态电流无差,可按典型I型系统设计电流调节器.电流环控制对象是双惯性型的,因此可用PI型电流调节器.检查对电源电压的抗扰性能:TlTi=10.0037=270.310,各项指标都是可以接受的.由于对电流超调量有较严格的要求而抗扰指标没有具体要求；因此电流环仍按典型I型系统设计WACR（s）=Ki(ti+1)ti 计算电流调节器参数:电流调节器超前时间常数:i=Tl=1s . Tl=LR=1s电流环开环增益: 要求i5%时,应取KITi=0.5,因此KI=0.5Ti=0.50.0037=135.1s-1 于是,ACR的比例系数为: 校验近似条件 电流环截止频率:ci=KI=135.1s-1(1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件:13Ts=130.0017=196.1s-1ci满足近似条件.(2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件31TmTl=3121=2.1213s-1ci满足近似条件.计算电流调节器电阻和电容 按所用运算放大器取R0=40k,各电阻和电容值为 Ri=KiR0=1.37540=55k,取55k Ci=iRi=155103=18F,取18F Coi=4ToiR0=40.00240103=0.2F, 取0.2F按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为 i=4.3%cn,满足简化条件.2) 转速环小时间常数近似处理条件为13KITon=13135.10.01s-1=38.7s-1cn, 满足简化条件. .计算转速调节器电阻和电容 取 R0=40k,则 Rn=KnR0=496.240k=19848k, 取19848k Cn=nRn=0.08719848103F=0.0044F,取0.004F Con=4TonR0=40.0140103F=1F, 取1F. .校核转速超调量 设理想空载起动时z=0,当h=5时,CmaxCb=81.2%,代入可得n=2CmaxCb-znNn*TnTm=281.2%1.5500.10.1514300.01742=0.049%10%,能满足设计要求.3.仿真研究要求:PWM双闭环直流调速系统的电路原理图如下PWM双闭环直流调速系统的matlab的仿真图：(1).建立控制系统的数学模型(2).在MATLAB下仿真,检验转速超调量指标是否达到设计要求 (3).修改调节器参数,使之达到预期指标要求(4).多方案比较时，要对每一系统模型进行仿真结果比较如下:如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高,这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速,当调速范围D=3-10时,保证静差率s0.2%0.5%,开环调速系统的额定速降不能满足生产工艺的要求. 单闭环系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差.但是,如果对系统的动态性能要求较高,单闭环系统就难以满足需要.这主要是因为在单闭环系统中不能随心所欲的控制电流和转距的动态过程. 在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,但它只能在超过临界电流Idcr值以后,靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想的控制电流的动态波形.PWM双闭环直流调速系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,实现了转速和电流两种负反馈分别起作用,获得了良好的静,动态性能.4.完成控制系统原理图及印制板（PCB）图PCB图应包括：可控整流电源触发器控制系统电源调节器励磁电源等五.设计体会六.参考资料1.电力拖动自动控制系统陈伯时.机械工业出版社. 2.电力拖动控制系统设计手册朱仁初.机械工业出