运动控制课程设计报告正文分析

1、运动控制课程设计报告正文分析运动控制课程设计报告正文分析运动控制课程设计报告正文分析一、设计背景在此刻的社会生活中，电子科学技术的运用愈来愈深入到了各行各业之中，并获取了长足的发展和进步，自动化控制系统更是的到了广泛的应用，此中一项重要的应用就是自动调速系统。相较于交流电动机，直流电动机结构复杂、价格昂贵、制造困难且不简单保护，但因为直流电动机拥有优异的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强，适合在广泛的范围内光滑调速，所以直流调速系统到现在还是自调速系统中的重要形式。陪伴着电力电子技术的不停发展，开关速度更快、控制更简单的全控性功率器件MOSFET和IGBT成为主流，PWM表现出了越大的优胜性

2、：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流简单连续，谐波少，电机消耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与迅速响应的电机配合，则系统频带宽，动向响应快，动向抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通消耗小，当开关频率适合时，开关消耗也不大，因此装置效率较高；直流电源采纳不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。本设计采纳PWM技术来对直流电机进行调速，与一般直流调速对比，既减少了对电源的污染，并且使控制过程更简单方便，减少了对人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的保护、维修变得更加简单了，但动、静态性能却提升了。1二、系统设计分析、双闭环调速

3、系统原理为了实现转速和电流两种负反响分别起作用，可以在系统中设置两个调理器，分别调理转速和电流，即分别引入转速负反响和电流负反响。两者之间实行嵌套连接，如图2所示。把转速调理的输出当成电流调理器的输入，再用电流调理器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速双闭环调速系统。调理器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速双闭环调速系统。为了获取优异的静、动向性能，转速和电流两个调理器一般采纳PI调理器，这样构成的双闭环直流调速系统的原理图如图3所示。图中标

4、出了两个调理器输入输出电压的实质极性，他们是依据电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的状况标出的并考虑到运算放大器的倒向作用。双闭环直流调速系统的静特征在负载电流小于Idm时，对应转速调理器的饱和输出U*im，这时，电流调理器起主要作用，系统表现为电流无静差，获取过电流的自动保护。就是采纳了两个PI调理器分别形成内、外两个闭环的成效。这样的静特征明显比带电流截止负反响的单闭环系统静态特征好。但是，实质上运2算放大器的开环放大系数其实不是无量大，特别是为了防范零点漂移而采纳“准PI调理器”时，静特征的两段实质上都略有很小的静差。UiTARC+RCRLiiURRPnn0ACLMGTVId+*n0A

5、SR1RRLMR-+UcUUM-+U0+M-U0+d-*inn+RPT2G-双闭环直流调速系统电路原理图2、调速系统起动过程的电流和转速波形以以下图，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增加的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能获取的最快的起动过程。IdnIdnIdmIdmIdcrnnIdLIdLOtOt(a)(b)带电流截止负反响的单闭环调速系统起动过程理想迅速起动过程调速系统起动过程的电流和转速波形3、H桥双极式逆变电路原理脉宽调制器的作用是用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率必定宽度可变的脉冲电压序列，从而均匀输出电压的大小，以调理电机转速。H形双极式逆变器电

6、路以以下图所示。这时电动机M两端电压UAB的极性随开3关器件驱动电压的极性变化而变化。H桥式可逆PWM变换器双极式控制方式（1）正向运转：第1阶段，在0tton时期，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；第2阶段，在tontT时期，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=Us；（2）反向运转：第1阶段，在0tton时期，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截

7、止，电流id沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us；第2阶段，在tontT时期，Ug2、Ug3为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=Us；双极式控制可逆PWM变换器的输出均匀电压为tonTtonUs(2ton1)UsUdUsTTT4假如占空比和电压系数的定义与不行逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中调速时，的可调范围为0-1，10.5时，为正，电机正转；当50A/s；5）线性度优于0.1IN；6）响应时间Idcr时，引入了电流负反响，静特征变为KR)IKK(U*Ucom)(RKdnpsnpssCe(1

8、K)Ce(1K)静特征的几个特色：（1）电流负反响的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsRs，因此稳态速降极大，特征急剧下垂。（2）比较电压Ucom与给定电压Un*的作用一致，好象把理想空载转速提升到KpKs(Un*Ucom)n0K)Ce(1（3）两段式静特征常称作下垂特征或挖土机特征。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也但是是堵转电流，在式（1）中，令n=0，得KpKs(Un*Ucom)IdblRKpKsRs16一般KpKsRsR,所以IdblUn*UcomRs（4）最大截止电流Idbl应小于电机同意的最大电流，一般取：Idbl=（1.5-2.0）IN从调速系统的稳态性能

9、上看，希望稳态运转范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取：Idcr（1.1-1.2）IN（2）直流电动机过流保护电路以下图是一适用的大功率电动机过流保护电路图，Ro为电流取样电阻。为了防范电机在启动时产生的大电流造成电路的误动作，由Cl、Rl、RPl及与非门l构成了开机保护延时电路。电机开始启动时，Cl上无电压，此时与非门1输出低电平，与非门3则输出高电平，使VT2处于截止状态，继电器Kl不工作，其触点仍保持常闭状态，直流电机可获取正常供电。当Cl的端电压逐渐高升到一定值时，与非门1发生翻转，输出端变为高电平，开机保护启动电路结束工作，此后与非门3的输出状态则由RP2、R2、VTl及

10、Ro等构成的电流检测电路控制。图直流电动机过流保护电路图四、调理器参数整定采纳直流电机，有关参数为：Pnom=100W，Unom=48V，Inom3.7A，nnom=200r/min，172电枢电阻Ra=6.5，飞轮矩GD=2.9。电枢回路总电阻R=8，电枢回路总电感L=40mH。电源电压US=60V，给定值和调理器输出限幅均为10V双闭环调速系统的静态结构图以下：*-Id-IdLn+Ks1/RRUnWASR(sWACR(s)+*lTms1/Ce-Ui-UcsTs+1+ETs+1Ud0UnUi双闭环调速系统的静态结构图1、电流环的设计（1）确准时间常数1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数

11、开关周期Ts0.4ms。脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为Ks4.8于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传达函数为WPWMsKs4.8Tss10.0004s12）电流滤波时间常数Toi取0.5ms。3）电流环小时间常数TiTsToi0.9ms。（2）选择电流调理器结构依据设计要求，i%5%，并且TlTi50.95.610，所以可按典型系统设计。电流调理器采纳PI型，其传达函数为WACRsis1Kisi（3）选择电流调理器参数要求i%5%时，应取KITi0.5，所以18KI0.50.5s1555.56s1Ti0.0009于是，KiKIiR555.560.00583.48Ks1.334.8（4）校

12、验近似条件1）要求ci1，现11s1833.3s1ci。3Ts3Ts30.00042）要求ci31，现3130.21s194.9s1ci。TmTlTmTl0.0053）要求ci11，现1111s1745.4s1ci。3TsToi3TsToi30.00040.0005可见均满足要求。5）计算ACR的电阻和电容取R020k，则RiKiR03.4820k69.6k取Ri69.8kCii0.005106F0.071F取0.075FRi70103Coi4Toi40.0005106F0.1F取0.1FR020103依据上述参数，电流环可以达到的动向指标为i%4.3%5%，故满足设计要求。2、转速环的设计（

13、1）确准时间常数1）电流环等效时间常数为2Ti0.0018s。2）取转速滤波时间常数Ton0.005s。3）Tn2TiTon0.0068s2）ASR结构设计依据稳态无静态及其余动向指标要求，按典型型系统设计转速环，ASR选19用PI调理器，其传达函数为WASRsKnns1ns（3）选择ASR参数取h5，则nhTn50.0068s0.034sKNh1222562s22595s22h2Tn0.0068则Knh1CeTm61.330.180.22hRT100.05810.56n0.0068（4）校验近似条件cnKNn25950.034s188.23s11）要求2）要求cn1，现11s1222.2s1

14、cn。5Ti5Ti50.0009cn11，现32TiTon1111s1111.1s1cn。32TiTon320.00090.0055）计算ASR电阻和电容取R020k，则RnKnR010.5620k211.2k取Rn220kn0.0346CnRn22010310F0.154F取0.15FCon4Ton40.005106F1F取1FR020103（6）校验转速超调量n%Cmax2znNTnCbnNTm当h5时，Cmax81.2%，而nNINR3.78min164.4rmin,所以CbCer0.18207.5164.40.0068n%81.2%29.2%10%3.72000.2可见转速超调量满足要

15、求。3、校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间CeTmnN0.180.2200tst2tt282.03s0.12s0.15sRIN3.7可见能满足设计要求。五、电路图整体设计（见附录）六、设计总结经过此次双闭环直流脉宽调速系统的课程设计，对自己学习电力拖动自动控制系统有了较深刻的认识。脉冲宽度调制PWM，就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。PWM控制技术以其控制简单，灵巧和动向响应好的长处而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。在进行设计从前，我参照了一些资料，经过对这些设计方案来开辟自己的思路。课程设计在很大程度上实现的着手与动脑，理论与实质的互相结合，很好地实现了从书籍到实质操作的一个过渡。