1、重庆大学本科学生课程设计（论文）运动控制系统课程设计报告直流可逆调速系统设计指导教师： XXX学 生： XXX学 号： XXX专 业： 自动化班 级： 02 班设计日期： 2014.9.222014.9.29重庆大学自动化学院2014 年 9 月课程设计指导教师评定成绩表优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(x60)项目 分值参考标准 参考标准 参考标准 参考标准 参考标准评分学习态度 15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织
2、纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不
3、合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新 10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉
4、强达到规范化要求；图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名： 年 月 日I自动化学院 2011 级自动化专业运动控制系统课程设计任务书一、课程设计的教学目的和任务运动控制系统是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。在电力、工业、交通、航空航天等很多领域具有广泛的应用。运动控制技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的运动控制系统综合设计和应用能力是教学计划中必不可
5、少的重要一环。通过运动控制系统的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是利用互联网检索文献资料的能力。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生的运动控制系统分析和设计能力。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的基本要求1、在整个设计中要注意培养灵活运用所学的运动控制系统相关知识和创造性的思维方式以及创造能力。课程设计从确定方案到系统设计要求有理有据，仿真过程要求图文并茂，论证充分。2、在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成课程设计的所有内容，严禁抄袭。
6、3、课题设计报告要求严格按照课程设计排版要求规范格式，且文字通顺，逻辑性强。4、课题设计报告内容部分字数要求为 6000 字左右。（A4 纸打印 8 页左右）三、参考资料 1、阮毅, 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统（第 4 版）. 北京: 机械工业出版社, 20092、洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 北京: 机械工业出版社, 2010II3、林飞, 杜欣. 电力电子应用技术的 MATLAB 仿真 . 北京: 中国电力出版社, 20084、顾春雷等，电力拖动自动控制系统与 MATLAB 仿真，清华大学出版社，2011四、课程设计的工作计划课程设计时间总共 5 天。1、参
7、考相关资料，消化设计内容（1 天）；2、按要求完成设计任务（2.5 天）；3、按课程设计的规范要求撰写设计报告（1.5 天）。五、备选题目1. 带电流截止负反馈环节的直流调速系统设计为了解决转速反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，可以通过引入电流截止负反馈使得系统在电流大到保护阈值时自动限制电枢电流，而在正常的稳速运行时，电流自动随着负载的增减而变化。本课程设计内容要求学生设计一个带电流截止负反馈环节的直流调速系统，并基于 Matlab/Simulink 建立其仿真模型，分析电流截止负反馈功能对系统动、静态特性的影响。主要设计内容：（1） 查询文献资料或者结合某具体应用背景，自选直流电
8、动机及电枢电路的参数，并设定系统预期性能指标（如调速范围及静差率等）及电流截止保护阈值；（2） 确定直流电源方案及电流负反馈方案，绘制系统结构框图，并进行相关参数计算；（3） 控制器选型及控制参数设计；（4） 建立系统仿真模型，验证设计结果并进行仿真分析。主要分析内容：（1） 采用比例控制器，分析额定负载下的系统在阶跃给定下的控制器输出电压、电枢电流以及输出转速的响应特性，分析稳态误差并与理论计算结果相比较，分析比例控制系数 Kp 对系统稳定性的影响并验证理论临界放大系数；分析系统起动过程及过载情况下，电流截止负反馈功能对电枢电流的抑制效果。III（2） 采用比例积分控制器，分析额定负载下的系
9、统在阶跃给定下的控制器输出电压、电枢电流以及输出转速的响应特性；分析系统起动过程及过载情况下，电流截止负反馈功能对电枢电流的抑制效果，并与比例控制器下的结果进行对比。2. 转速、电流双闭环直流调速系统设计在许多生成过程中，由于加工和运行的需要，电机经常处于起动、制动、反转的过渡过程，而过渡过程的时间长短在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为了缩短时间，可以采用转速、电流双闭环直流调速系统来获得良好的静、动态性能。本课程设计内容要求学生设计一个转速、电流双闭环的直流调速系统，并基于 Matlab/Simulink 建立其仿真模型，以此研究不同控制器参数下电机的起动、制动过程。主要设计内容：（1
10、） 查询文献资料或者结合某具体应用背景，自选直流电动机及电枢电路的参数，并设定系统预期性能指标（如上升时间、超调量、峰值时间和调节时间等）；（2） 确定直流电源方案及闭环反馈方案，绘制系统结构框图，并进行相关参数计算；（3） 控制器选型及控制参数设计；（4） 建立系统仿真模型，验证设计结果并进行仿真分析。主要分析内容：（1） 额定负载下，分析电机从静止到额定转速的起动过程，包括两个控制器输出电压、电枢电流以及输出转速的响应特性，列写出上升时间、超调量、峰值时间和调节时间等指标参数，并与预期值进行对比；分析电机制动过程中两个控制器输出电压、电枢电流以及输出转速的响应特性。（2） 分析两个控制器的
11、比例、积分参数对输出转速的影响，并选择一组合适参数用于分析电网电压、负载电流对电枢电流、输出转速的影响。3. 直流可逆调速系统设计实现直流电机的正向与反向旋转，是大多数直流调速系统的基本要求。对于动态性能要求较高的调速系统（例如目标追踪系统），还会要求系统有应用所需的转速反向能力。本课程设计要求学生设计一个可以实现正反转切换的调速系统，IV该系统能够实现在电机额定负载下，对于拖动性负载，由正向额定转速到反向额定转速的快速变化。所需电动机请从Z4 直流电机系列中选择。调速系统的基本结构必须基于转速- 电流双闭环结构。需对如下部分给出设计计算方案：（1） 控制系统结构（2） 控制器参数（3） 相应
12、的驱动电源并基于 Simulink 建立直流可逆调速系统仿真模型，并着重对转速反向动态过程进行分析。需要仿真分析说明系统在额定负载下，从正向额定转速变化到方向额定转速的过程中，以下相关量的动态变化情况：（1） 系统给定值的变化；（2） 电机转速的变化（3） 电枢电流的变化（4） 电流环给定值的变化（5） 电流控制器输出值的变化以上变量均需以 Simulink 输出动态曲线作为说明依据。并基于以上依据分析说明（1） 该过程中各个阶段能量的传输方向；（2） 提高转速反向动态性能的策略4. 转速开环变压变频调速系统设计转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，能满足大多数场合交流电动
13、机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。变压变频调速系统由升降速时间设定、U/f 曲线、PWM 调制和驱动、逆变器以及交流电动机等环节组成，本课程设计要求学生设计一个转速开环的变压变频交流调速系统，并基于 Matlab/Simulink 建立系统仿真模型，分析系统特性。主要设计内容：（1） 查询文献资料或者结合某具体应用背景，自选交流异步电动机及电枢电路的参数，并设定系统预期性能指标；V（2） 确定逆变器控制方案（如 SPWM、SVPWM 或 CFPWM 等），绘制系统结构框图，并进行相关参数计算；（3） 根据升降速时间要求设计积分电流给定算法；（4） 根据负载需求设计低频电压
14、补偿算法，绘制 U/f 曲线；（5） 建立系统仿真模型，验证设计结果并进行仿真分析。主要的分析内容：（1）不带低频电压补偿的恒压频比控制方式下，分析系统在额定负载下起动过程的转速、逆变器输出电压、电流及频率响应特性，分析给定积分算法对起动电流的限制效果；（2）带低频电压补偿的恒压频比控制方式下，分析低频电压补偿对系统机械特性的影响，计算补偿前后的临界转矩并与仿真结果相比较。运动控制系统课程设计（论文） 目录目 录1 引言 .12 V-M 可逆直流调速系统组成 .22.1 主电路结构 .22.2 = 配合控制 .22.3 系统原理框图 .33 V-M 可逆直流调速系统的设计 .43.1 直流电动
15、机的选择 .43.1.1 电机参数 .43.1.2 设计参数指标 .43.2 双闭环系统的设计 .43.3 电流调节器 ACR 设计 .53.3.1 电流环结构图的简化 .53.3.2 电流调节器 ACR 的选择 .53.3.3 电流调节器 ACR 的参数计算 .53.3.4 电流调节器 ACR 的作用 .63.4 转速调节器 ASR 设计 .73.4.1 转速环结构图的简化 .73.4.2 转速调节器 ASR 的选择 .73.4.3 转速调节器 ASR 的参数计算 .73.4.4 转速调节器的作用 .84 V-M 可逆直流调速系统的仿真 .84.1 V-M 可逆直流调速系统的仿真框图 .84
16、.2 V-M 可逆直流调速系统仿真结果及分析 .8附录 .11参考文献 .12运动控制系统课程设计（论文） 1 引言11 引言在生产机械尤其是机床加工的过程中，要求电机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电机拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。对于直流调速系统可采用转速、电流双闭环控制的直流调速系统，采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程，并且要做到在起动过程只有电流负反馈，在达到稳态转速时又只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。由 ASR 和 ACR 分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者间实行串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电
17、流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE，最终实现对直流电机的调速控制。对于可逆系统的实现可采用改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电动机的旋转方向，这对于电动机而言是很简单的事。然而当直流电动机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题变得复杂。根据之前所学知识，可以采用直流 PWM 可逆调速和 V-M 可逆直流调速，两种可逆调速系统各具优势。本次课程设计以转速、电流双闭环控制的直流调速系统的设计方法为基础，根据所选用的电动机参数分别设计对应的电流环和转速环；采用 V-M 可逆直流调速系统的控制方法，对电流调节器、转速调节器进行设计，最后根据所得到的设
18、计方案，用 MATLAB 软件的 Simulink 模块建立直流可逆调速系统仿真模型，根据仿真的结果对转速反向动态过程进行分析。运动控制系统课程设计（论文） 2 V-M 可逆直流调速系统组成22 V-M 可逆直流调速系统组成2.1 主电路结构由于晶闸管的单向导电性，对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统，必须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速，如下图所示。电动机正转时，由正组晶闸管装置 VF 供电；反转时，由反组晶闸管装置 VR 供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。图 2.1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路2.2 = 配合控制采用两组晶闸管整流装置反并联的可逆 V-M 系统在两组装置同时工作时，会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。正组 VF和反组 VR 都处在整流状态时，造成两组的直流平均电压正、负相连，会产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，应在正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，并使两组输出电压的平均值大小相等、符号相反。因此，当直流平均环流为零时，应有正组的触发延迟角等于反组的逆变角即 =配合控制。如果将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在 90，增大控制电压移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等、符号相反就可以了，对应触发角、逆变角的变化如下图所示。
