1、 辽宁工业大学 电机控制技术 课程设计（论文） 题目： 120V、 10KW 转速电流双闭环调速系统建模与仿真 院（系）： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆 131 学号： 131805019 学生姓名： 鄢立宝 指导教师： 张大明 教师职称： 讲师 起止时间： 2016.12.5 -2016.12.23 辽宁工业 大学课程设计说明书 1 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：汽车与交通工程学院 教研室：新能源车辆工程 学号 131805019 学生姓名 鄢立宝 专业班级 车辆 131 课程设计（论文）题目 120V、 10KW 转速电流双闭环直流调速控制系统建模与仿真 课程设计（论文）任
2、务 设计参数 额定功率 10Kw，额定电压 120V，额定电流 95A，额定转速 3000r/min； =0.0362，电流允许过载倍数 =1.5，电力电子转换装置放大系数 =0.117； 滞后时间 =0.005ms，电枢回路总电阻 R=120m ，电磁时间常数 =0.04s； 转速反馈滤波时间常数 =0.005s，电流反馈滤波时间常数 =0.002s； 电流反馈系数 =0.01V/A，转速反馈系数 =0.001V min/r； 总飞轮力矩 =6N m2 设计内容： 1.双闭环控制系统结构设计及参数计算； 设计双闭环控制系统电流环及转速环调节器的结构 根据电机参数计算电流环调节器的参数 根据电
3、机参数计算电流环调节器的参数 2.双闭环控制系统的计算机建模及仿真 电流环计算机仿真及参数调整 转速环计算机仿真及参数调整 3.基于微控制器的双闭环控制系统软件设计 设计基于 H 桥电路的功率开关管导通方法 设计基于微控制器的双闭环控制系统的软件流程图 电流环调节器的软件设计 转速环调节器的软件设计 功率驱动电路软件设计 指导教师评语及成绩 成绩：指导教师签字： 年月日 辽宁工业 大学课程设计说明书 2 目录 摘要 . 1 一、 设计思路 . 2 1 双闭环调速系统的动态结构框图 . 2 2. 电流调节器的设计思想 . 3 3. 转速调节器的设计思想 . 6 二、设计步骤 . 8 1.对电流调
4、节器进行设计 . 9 2.对转速调节器进行设计 . 12 3.对 转速调节器退饱和时转速超调量的计算 . 15 三、控制系统的建模以及仿真 . 15 四、基于微控制器的双闭环控制系统软件设计 . 22 1.设计基于 H桥电路的功率开关管导通方法及电路图 . 22 2.设计基于微控制器的双闭环控制系统的软件流程图 . 22 3.电流环和 转速环 调节器 的软件设计 . 24 五、总结心得 . 25 参考文献 . 26 附录 . 27 附录 . 27 辽宁工业 大学课程设计说明书 3 摘要 直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，在电气传动中应用广泛。本次课设要求基于工程设
5、计对直流调速系统进行设计，根据直流调速系统的工作原理，设计一个转速电流双闭环直流调速系统。该系统中设置了电流检测环节，电流调节器以及转速检测环节，转速调节器，构成了电流环和转速环。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用 PI 调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个 PI 调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作 电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE， 形成转速电流双闭环直流调速系统。分别调节转速和电流，合理的选择调节器的结构和参数，使系统满足动态、稳态性能指标的要求
6、。在 MATLAB/ Simulink 中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。 关键字 ： 直流双闭环 调速 MATLAB Simulink 转速环 电流环 PI 调节器 辽宁工业 大学课程设计说明书 4 一、设计思路 本次课设我们根据 工程设计方法 对 ASR 和 ACR 的结构及参数进行 设计 设计仿真 。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，先设计电流调节器，然后把 整个电流环看作是转速系统中的一个环节， 设计转速调节器。 根据工程设计方法的基本思路我们 首先
7、 选择电流调节器的结构 。 因为电流环作为内环，在 稳态特性上我们 要求 电流无 静差， 以得到理想的堵转特性， 在动态 特性上我们要求 实际系统不允许电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动态过程不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。因而电流环应以跟随性能为主。所以 本文 采用 典型 型系统。对于转速环，由于 转速环作为外环，主要 要求系统抗干扰性能 好和 转速无静差， 所以 将转速环 设计 成典型 系统 1。 1. 双闭环直流调速系统的动态结构框图 )( sU i )( sE )( sI dL 11 sTon )( sU n ASR 11sT oi )(
8、 sU c )( sI dACR 1sTKss)(0 sU d 1/1sTRl sTRm eC11sT oi )( sn1sT on电 流 环1-1 双闭环调速系统的动态结构框图 上图 1-1是 双闭环调速系统的实际动态结构框图。 因为 在 电流检测信号 的 时候常 常含有 一些 交流分量， 我们 为了不使它影响到调节器的输入加 入了 低通滤波。滤波环节传递函数用一阶惯性环节来表示 。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节 2。其意义是让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使得二者在时间上
9、恰好的配合。 由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 onT 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数 onT 的给定滤波环节。 辽宁工业 大学课程设计说明书 5 2. 电流调节器设计思想 电流环结构框图的化简 在图 1-1点划线框的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响 3。在一般情况下，系统的电磁时间常数 lT 远小于机电时间常数 mT ，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电
10、动势基本不变，即 0E ，这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，得到的电流环的近似结构框图如图 1-2。 )( sU i )( sU c )( sI d )(0 sU d 1sToi 11 sT oi ACR 1sT Ks s 1/1 sT Rl图 1-2 忽略反电动势的动态影响 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成/)(sUi ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图 1-3。 )( sU c )( sI d ACR 1sT oi )( sU i)1)(1( / sTsT RK ls s图 1-3 等效成单位负反馈系统 由于 sT
11、和 oiT 比 lT 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为： oisi TTT 则电流环结构框图最终简化成 下 图 1-4。 辽宁工业 大学课程设计说明书 6 )( sI dACR )( sU i )1)(1( / sTsT RK il s图 1-4 小惯性环节近似处理 电流调节器结构的选择 图 1-4表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型 型系统，显然应采用 PI型的调节器，其传递函数可以写成 ： ssKsW iiiACR )1()( （ 1-1） 式中 iK -电流调节器的比例系数 i -电流调节器的超前时间常数 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极
12、点对消，选择 li T 则电流环的动态结构框图便成为图 1-5 所以的典型形式，其中RKKK i siI )(sId)(sU i )1( sTsKi I图 1-5 校正成典型 型系统电流环动态结构框图 下 图 1-6绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性 . dBL /O ci iT 1de cdB /40de cdB /20 1/ s图 1-6 校正成典型型系统电流环开环对数幅频特性 辽宁工业 大学课程设计说明书 7 校验 13 cisT ， 13 cis oiTT ， 113 cis oiTT 是否满足条件 电流调节器的参数计算 由式ssKsW iiiACR )1()( 可以看出，电流调节器
13、的参数是 iK 和 i ，其中 i 已选定，待定的只有比例系数 iK ， 它 可根据所需的动态性能指标选取 4。 计算 电流环开环增益： I ciK （ 1-2） 计算 电流调节器的比例系数：2 li siTRK KT （ 1-3） 如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式 I ciK 和2 li siTRK KT 可以做相应的改变，然后再次校验抗扰性能的指标是否满足。 计算调节器电阻和电容 按 含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI型电流调节器原理图如图 1-75，图中 iU 为电流给定电压， dI 为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压 cU 。 根据运算放大器的电路原理 计算
14、0 ii RK R ， i i iRC ， 01 4oi oiT RC 是否满足要求。 -iU 20R 20R20R20Rba lRiR iCoiCoiCdIcUA+图 1-7 含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器 3. 转速调节器设计思想 辽宁工业 大学课程设计说明书 8 电流环的等效闭环传递函数 电流环经化简后可视作转速环中的一个环节，为此需要求出它的闭环传递函数 )(sWcli ，由图 1-5可知： 111)1(1)1(/)()()(2 sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidc li （ 1-4） 忽略高此项， )(sWcli 可降阶近似为： 111)( sKsWI
15、cli（ 1-5） 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为 )(sUi ，因此电流环在转速环中应等效为： 111)()()(sKsWsUsIIcliid （ 1-6） 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数 IK1 的一阶惯性环节 6。 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择 用电流环的等效环节代替图 1-1中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图1-8所示。 11sTo n1sTo n)( sUnA S R)( sUi111sKI)( sId)( sId L)( snsTCRme图 1-8 用等效环节代替电流环 辽宁工业 大学课程设计
16、说明书 9 和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成/)(sUn ，再把时间常数 IK/1 和 onT 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为 nT的惯性环节，其中onIn TKT 1，则转速环结构框图可化简成图 1-9。 A S R)( sId)( sId L)( snTC sRme1/ sT n )(* sU n图 1-9 等效成单位负反馈和小惯性的近似处理 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成 典型 系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求 7。至于其阶跃响应超调量较大，那么线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。 由此可见 ASR 也应该采用 PI调节器，其传递函数为： ssKsW nnnA SR )1()( （ 1-7） 式中 nK -转速调节器的比例系数 n -转速调节器的超前时间常数 )(sU )1( )1(2 sTs sK nnN )(sn图 1-10 校正后成为典型 系统
