拖动系统课程设计报告

1、拖动系统课程设计报告书题目：直流电机速度电流双闭环调速系统的设计与仿真专业：自动化姓名：顾镛学号：2014330301135指导教师：雷美珍 郭亮浙江理工大学本科课程设计任务书课题名称直流电机速度电流双闭环调速系统的设计与仿真主要任务与目标某PWM斩波电路供电的双闭环直流调速系统，H桥斩波电路采用双极性PWM电路，基本数据如下：直流电动机：电枢电为3.4，电感：0.0604，励磁电阻220，励磁电感为0，互感为0.797，转动惯量0.014，励磁电压110V，电枢电压140V；电流反馈系数：0.08；转速反馈系数：0.005。一、该同学的主要任务1、查找文献，了解直流电动机双闭环调速系统的的应

2、用;2、设计直流电动机双闭环调速系统，并设计出相应的电路原理图；3、建立SIMULINK电气仿真模型；4、设计PID算法，对转速、电流双闭环系统进行负载试验、抗干扰试验；二、目标1、建立直流电动机双闭环调速系统数学模型；2、设计PID算法，调试参数，使电流超调量小于5%；3、转速超调量小于10%。4、要求最大启动电流不超过在10A。主要内容与基本要求本课题主要研究直流电动机的双闭环调速系统，该同学主要工作是双闭环调速系统设计与仿真试验分析。基本内容：1、设计直流电动机双闭环调速系统总体方案；2、电流调节器设计；3、转速调节器设计；4、分别对空载、负载、扰动工况进行仿真模拟；基本数据要求：1、

3、空载时，给定速度分别为2000r/min、1000r/min，记录此时的实际速度和实际电流波形；2、 给定速度为500r/min，空载启动后，在1S时加载，负载转矩为1N.m，记录此时的实际速度和实际电流波形。主要参考资料一、主要参考文献1、基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用；张培仁，清华大学出版社；2、电气传动的脉宽调制控制技术，吴守，机械工业出版社；3、电力电子技术，浣喜明，高等教育出版社；4、电动机的单片机控制，王晓明，北京航空航天出版社；5、电机与拖动基础，李发海，清华大学出版社计划进度：序号内容1任务布置与介绍2系统总体方案设计3硬件系统建模4直流电机数学模型推导5PWM算法

4、设计6电流调节器设计7速度调节器设计8仿真调试与试验9撰写课程设计报告10答辩实习地点指导教师签 名年 月 日摘要以控制系统的传递函数为基础，使用Matlab的Simulink工具箱对直流调速系统仿真研究。采用面向控制系统电气原理结构图的方法建立了系统模型，结合SimPowerSystems工具箱，对转速、电流双闭环调速系统进行了仿真。根据设计指标设计转速环和电流环，以及合理的PID算法，通过调节参数，对空载、负载、扰动工况下的结果波形进行对比分析。结果表明，双闭环系统具有较好的动态性能，对负载变化和电网电压的波动都能起抗扰作用，且能够在电动机过载时起到快速的自我保护作用。关键词：双闭环；直流

5、电机；Simulink 目录1.直流电机速度电流双闭环调速系统的基本原理52.直流电机速度电流双闭环调速系统的设计52.1系统总体方案设计 5 2.2 硬件电路设计.62.3电流调节器设计62.4转速调节器设计93.直流电机速度电流双闭环调速系统的仿真103.1开环系统仿真实验103.2电流单闭环系统仿真实验143.3速度电流双闭环系统仿真实验154.总结205.参考文献20正文1.直流电机速度电流双闭环调速系统的基本原理直流调速是交流拖动系统的基础，该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及速度检测环节、速度调节器，构成了电流环和速度环，前者通过电流原件的反馈作用稳定电流，候着通过速度检测原

6、件的反馈作用保持速度稳定，最终小车速度偏差，从而使系统达到调节电流和速度的目的。该系统启动时，速度外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使速度线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，速度负反馈外环起主要作用，使速度给定电压的变化而变化，电流内环跟随速度外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。2.直流电机速度电流双闭环调速系统的设计2.1 系统总体方案设计2.2 硬件电路设计图1图2图三图1，图2，图3分别为驱动电压、输出电压和电流波形它们之间的关系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一个开关周期内，当0tton时，Uab= Us，电枢电流id沿回路1流通；当tontT

7、/2,则Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，t=T/2,平均输出电压为零，则电动机停止。图2、图3所示的波形是电动机正转时的情况。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为： 若占空比和电压系数的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中：=2-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时，的可调范围为01，相应的，=（-1）（+1）。当1/2时，为正，电动机正转；当Ti，所以选择i=Tl，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，以便校正成典型一型系统，因此令转速开环增益KI=KiKsiR=KiKsTlR则Wopis=KIs(Tis+1)给定电流超调量i5

8、%，选取KITi=0.5，则KI=ci=12Ti，再根据KI=KiKsiR=KiKsTlR，得到Ki=TlR2KsTi2.4 速度调节器设计转速调节器是调速系统的主导调节器，它是转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则刻实现转速无静差。转速调节器对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。把转速环给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成Un* ，再把时间常数为1KI和Ton两个小惯性换届合并起来，近似成一个时间常数为Tn 的惯性环节，其中Tn=1KI+Ton采用PI型的转速调节器，其传递函数可以写成WASRs=Kn

9、（ns+1）ns则开环传递函数为Wns=Kn（ns+1）nsRCeTm(TN+1)令转速开环增益KN=KnRnCeTm则Wns=KN（ns+1）s2(TNs+1)按照典型二型系统的参数关系，有n=hTnKN=h+12h2Tn2Kn=（h+1）CeTm2hRTn中频宽h要看动态的要求决定，一般选择h=5。3 直流电机速度电流双闭环调速系统的仿真3.1开环系统仿真实验 （1.1）空载转速（1.2）空载电流（1.3）空载转矩分析：空载时，系统在2s左右达到稳态，转速无超调（2.1）加载转速（2.2）加载电流（2.3）加载转矩分析：在1s时加负载后，系统达到稳态时，转速比空载时减小，电流和电磁转矩不再

10、为零，而与输入负载转矩有关。（3.1）减载转速（3.2）减载电流（3.3）减载转矩分析：1s后减载，转速突然上升，电流和电磁转矩突然减小，达到稳态的时间与加载情况相同，但稳态转速要比加载时高，电流和电磁转矩比加载时小。3.2 电流单闭环系统仿真实验（1.1）阶跃输入：0.56；电流环Kp=5，Ki=50（1.2）阶跃输入：0.56；电流环Kp=5，Ki=5电流环Kp=5，Ki=503.3 速度电流双闭环系统仿真实验(1)负载转矩：3Nm，给定转速：1500rad/min， 转速环KP=20，Ki=120；电流环KP=5，Ki=50；(2)负载转矩：3Nm，给定转速：1000rad/min， 转

11、速环KP=20，Ki=120；电流环KP=5，Ki=50；(3)负载转矩：3Nm，给定转速：1000rad/min， 转速环KP=150，Ki=120；电流环KP=5，Ki=50；(4)负载转矩：3Nm，给定转速：1000rad/min， 转速环KP=20，Ki=10；电流环KP=5，Ki=50；分析：第一阶段（0约0.01s）是电流上升阶段：突然给定电压Un*后，经过两个调节器的跟随作用，Uc、Ud0、Id都上升，但是在Id没有达到负载电流IdL以前，电动机还不能转动。当IdIdL后，电动机开始启动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器的输入偏差电压（Un=Un*-Un）的数

12、值仍较大，其输出电压保持限幅值Uim*，强迫电枢电流Id迅速上升。直到IdIdm，UiUim*，电流调节器很快压制了Id的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第二阶段（约0.01s0.43s）是恒流升速阶段：在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒流给定Uim*下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是启动过程中的主要阶段。第三阶段（约0.43s后）是转速调节阶段：当转速上升到给定值n*时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电动

13、机仍然在加速，是转速超调。超调后，ASR输入偏差电压变负，使它退出饱和状态，Ui*和Id很快下降，但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升，直到Id=IdL，转矩Te=TL,则dndt=0，转速达到峰值。此后，在时间内，IdIdL，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。在最后转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导转速调节作用，而ACR力图使Id尽快地跟随其给定值Ui*。将（2）与（3）对比，可以看出增大转速环的比例作用，使转速超调量减小，但是系统的稳定性下降，震荡加剧；将（2）与（4）对比，可以看出增大转速环的积分作用，使转速超调量减小，消除余差，但是系统的稳定性下降

14、。4.总结4.1转速的退饱和超调与稳态转速有关按线性系统计算转速超调量时，当h选定后，不论稳态转速n*多大，超调量的百分数都是一样的。4.2反电动势对转速环和转速超调量的影响反电动势的动态影响对于电流环说是可以忽略的；对于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成立了。由于反电动势的影响只会使转速超调量更小，所以可以不考虑。4.3电流环抗干扰性能由于电流环的存在，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，抗干扰性能大有改善。系统对负载的大幅度突变也有良好的抗扰能力当扰动作用发生时，系统在0.02秒时间内就可以达到稳定，可见其响应速度非常快。4.4转速环抗干扰性能由于负载扰动在电流环之后，因此只能靠ASR来产生抗负载扰动的作用。负载扰动可以通过转速反馈得到比较及时的调节，抗干扰性能大有改善。系统对电网电压大幅度突变也有良好的抗扰能力。4.5体会本次设计的是转速、电流双闭环直流调速系统，在设计中，我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、数学模型、静态特性、动态特性有了总体的认识，并对调节器的工程设计方法有了本质上的把我，从而才具备了清洗的设计思路来完成本次设计。该系统是在单闭环的基础上加以改进后完成的，通过对电力拖动自动控制系统的学习，我了解到了单闭环系统在应用钟存在不足，为了弥补这个不足，我们引入了转速、电流双闭环系统，它是通