电机及其运动控制系统课程设计说明书.doc

1、北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 0 -北 京 科 技 大 学电 机 及 其 运 动 控 制 系 统课 程 设 计 说 明 书题 目 ： 双 闭 环 V-M 调 速 系 统 中 主 电 路 电流 调 节 器 及 转 速 调 节 器 的 设 计学 院 ： 自 动 化 学 院 专 业 ： 自 动 化 姓 名 ： 刘 晓 乐 学 号 ： 40950158 指 导 教 师 ： 潘 月 斗 2012 年 05 月 18 日北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 1 -电 机 及 其 运 动

2、控 制 系 统课 程 设 计 说 明 书题 目 :双 闭 环 V-M 调 速 系 统 中 主 电 路 电流 调 节 器 及 转 速 调 节 器 的 设 计英 文题 目 :Design of ACR and ACR of theMain Circuit of Double ClosedLoop V-M Speed Control System学 院 : 自 动 化 学 院 专 业 : 自 动 化 班 级 : 电 092 学 生 : 刘 晓 乐 学 号 : 40950158 指 导 教 师 : 潘 月 斗 职 称 : 副 教 授 北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课

3、程 设 计 说 明 书- 2 -摘 要本 设 计 简 单 介 绍 了 双 闭 环 调 速 系 统 的 原 理 和 动 态 结 构 ， 并 基 于 相 关 原 理 ， 根 据 设定 的 电 机 参 数 等 已 知 条 件 和 要 求 按 工 程 设 计 方 法 对 双 闭 环 调 速 系 统 主 回 路 及 其 保 护 系统 、 转 速 调 节 器 （ ASR） 和 电 流 调 节 器 （ ACR） 及 其 限 幅 电 路 进 行 设 计 ， 并 对 该 系 统的 调 节 器 有 关 参 数 进 行 了 计 算 。 最 终 完 成 了 双 闭 环 V-M 调 速 系 统 的 主 电 路 以 及

4、电 流 、转 速 调 节 器 的 设 计 ， 并 用 Simulink 进 行 了 仿 真 验 证 ， 总 结 了 设 计 心 得 。关 键 词 ： 双 闭 环 ； 调 速 系 统 ； ASR； ACR； 设 计 ； 计 算 ； Simulink 仿 真北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 3 -目 录摘 要 .2目 录 .3课 程 设 计 任 务 书 .4引 言 .6双 闭 环 调 速 系 统 .7系 统 各 环 节 设 计 及 参 数 计 算 .10系 统 主 回 路 及 控 制 电 路 设 计 .14Simulink 仿 真 .22

5、组 态 监 控 人 机 界 面 设 计 .31设 计 心 得 .32参 考 文 献 .33北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 4 -课 程 设 计 任 务 书一、设计题目双闭环 V-M 调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计二、具体内容（1）主回路及其保护系统的设计；（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；三、已知条件及直流电机相关参数采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机 NU=220V， NI=136A， Nn=1460r/min，电枢电阻 aR=0.2，允许过载倍数 =1.5；晶闸管装置 sT=0.0

6、0167s，放大系数 sK=40；平波电抗器：电阻 1.0PR、电感 mHLP4；电枢回路总电阻 R=0.5；电枢回路总电感 L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量 GD2=22.5Nm2；电流调节器最大给定值 imU=10.2V，转速调节器最大给定值 nmU=10.5V；电流滤波时间常数 oiT=0.002s，转速滤波时间常数 onT=0.01s。设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量 %5i；空载启动到额定转速的转速超调量 %10n。四、设计要求1. 写出设计说明书，内容包括（1）各主要环节的工作原理；（2）整个系统的工作原理；（3）调节器参数的计算过程。2. 画出一张

7、详细的电气原理图北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 5 -3. 采用 MATLAB 中的 Simulink 软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将 Simulink 仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 6 -引 言电 机 自 动 控 制 系 统 广 泛 应 用 于 机 械 、 矿 冶 、 石 油 、 化 工 、 纺 织 和 军 工 等 行 业 ， 这些 行 业 中 绝 大

8、 部 分 生 产 机 械 都 采 用 电 动 机 作 原 动 机 。 有 效 地 控 制 电 机 从 而 提 高 其 运 行性 能 对 国 民 经 济 具 有 十 分 重 要 的 现 实 意 义 。自 上 个 世 纪 40 年 代 以 来 约 半 个 世 纪 的 时 间 里 ， 直 流 电 动 机 几 乎 是 唯 一 能 实 现 高 性能 拖 动 控 制 的 电 动 机 ， 其 定 子 磁 场 和 转 子 磁 场 相 互 独 立 并 且 正 交 ， 为 控 制 提 供 了 便 捷的 方 式 ， 使 得 电 动 机 具 有 优 良 的 起 动 、 制 动 和 调 速 性 能 。 尽 管 近 年

9、来 直 流 电 动 机 不 断受 到 交 流 电 动 机 及 其 它 电 动 机 的 挑 战 ， 但 至 今 直 流 电 动 机 仍 然 是 大 多 数 变 速 运 动 控 制和 闭 环 位 置 伺 服 控 制 首 选 ， 因 为 它 具 有 良 好 的 线 性 特 性 、 优 异 的 控 制 性 能 和 高 效 率 等 优点 。 直 流 调 速 仍 然 是 目 前 最 可 靠 ， 精 度 最 高 的 调 速 方 法 。本 课 程 设 计 的 主 要 任 务 就 是 应 用 自 动 控 制 理 论 和 工 程 设 计 的 方 法 对 直 流 调 速 系 统进 行 设 计 和 控 制 ， 设 计

10、 出 能 够 达 到 参 数 指 标 要 求 的 电 力 拖 动 系 统 的 调 节 器 ， 并 应 用MATLAB 软 件 中 的 Simulink 模 块 对 设 计 的 系 统 进 行 仿 真 和 校 正 以 最 终 满 足 预 设 指 标 的目 的 。采 用 转 速 负 反 馈 和 PI 调 节 的 单 闭 环 调 速 系 统 可 以 实 现 转 速 的 无 静 差 ， 如 果 附 带 电流 截 止 负 反 馈 作 限 流 保 护 则 可 以 限 制 电 流 的 冲 击 ， 但 并 不 能 控 制 电 流 的 动 态 波 形 。 我们 希 望 系 统 在 启 动 时 ， 一 直 能 有

11、 电 机 过 载 能 力 允 许 条 件 下 的 最 大 电 流 ， 电 机 有 最 大 的启 动 转 矩 和 最 短 的 启 动 时 间 ， 这 一 点 利 用 单 一 的 电 流 截 止 负 反 馈 是 很 难 实 现 的 。此 外 ， 在 单 闭 环 调 速 系 统 中 ， 用 一 个 调 节 器 综 合 多 种 信 号 ， 使 各 参 数 间 相 互 影 响 ，将 导 致 难 于 进 行 调 节 器 的 参 数 调 控 。 例 如 ， 在 带 电 流 截 止 负 反 馈 的 转 速 负 反 馈 的 单 闭环 系 统 中 ， 同 一 调 节 器 担 负 着 正 常 负 载 时 的 速 度

12、 调 节 和 过 载 时 的 电 流 调 节 ， 调 节 器 的动 态 参 数 无 法 保 证 两 种 调 节 过 程 均 具 有 良 好 的 动 态 品 质 。 为 了 解 决 单 闭 环 调 速 系 统 存在 的 问 题 ， 可 以 采 用 转 速 、 电 流 串 级 调 速 系 统 ， 即 转 速 电 流 双 闭 环 调 速 系 统 ， 采 用 两个 调 节 器 分 别 对 转 速 和 电 流 进 行 调 节 。 这 就 是 本 次 课 程 设 计 需 要 完 成 的 任 务 。北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 7 -1. 双

13、闭 环 调 速 系 统1.1 概 述在 许 多 应 用 场 合 ， 为 了 充 分 发 挥 生 产 机 械 的 效 能 提 高 生 产 率 ， 速 度 控 制 系 统 经 常处 于 起 动 、 制 动 、 反 转 以 及 突 加 负 载 等 过 渡 过 程 中 ， 所 以 要 求 速 度 控 制 系 统 有 较 好 的动 态 性 能 。 对 高 性 能 、 静 态 的 速 度 控 制 系 统 的 要 求 是 具 有 快 速 跟 随 特 性 （ 起 制 性 ） 、较 好 的 抗 干 扰 性 和 高 可 靠 性 （ 可 瞬 态 过 载 但 不 过 电 流 ） 。 因 此 引 入 了 转 速 、 电

14、 流 双 闭环 调 速 体 统 。转 速 、 电 流 双 闭 环 控 制 直 流 调 速 系 统 是 性 能 很 好 、 应 用 最 广 的 直 流 调 速 系 统 。 转 速负 反 馈 和 比 例 积 分 调 节 器 的 单 闭 环 调 速 系 统 能 够 保 证 系 统 在 稳 定 的 条 件 下 实 现 转 速 无静 差 调 节 ， 但 是 该 控 制 系 统 也 有 自 身 的 缺 点 ， 比 如 要 求 快 速 启 动 、 突 加 负 载 动 态 速 降等 。 将 电 流 截 止 负 反 馈 环 节 与 转 速 负 反 馈 调 速 系 统 结 合 在 一 起 ， 可 以 专 门 用

15、来 控 制 电流 。 从 工 作 原 理 上 分 析 ， 它 只 能 是 在 超 过 临 界 电 流 值 以 后 ， 才 能 靠 强 烈 的 负 反 馈 作 用限 制 电 流 的 冲 击 ， 并 不 能 很 理 想 地 控 制 电 流 的 动 态 波 形 。 由 于 电 流 截 止 负 反 馈 只 能 限制 最 大 电 流 ， 电 机 转 矩 也 随 电 流 的 减 小 而 下 降 ， 使 启 动 加 速 过 程 变 慢 ， 启 动 的 时 间 也比 较 长 ， 所 以 在 工 业 生 产 中 ， 如 龙 门 刨 床 、 可 逆 轧 钢 机 等 要 求 经 常 正 反 转 运 行 的 调 速系

16、 统 为 了 提 高 生 产 效 率 和 加 工 质 量 ， 要 求 尽 量 缩 短 起 、 制 动 过 程 的 时 间 。 为 了 能 实 现在 允 许 条 件 下 最 快 启 动 ， 依 照 反 馈 控 制 规 律 ， 经 论 证 与 实 践 ， 采 用 转 速 、 电 流 双 闭 环调 速 系 统 就 能 达 到 上 述 要 求 。1.2 系 统 组 成 及 原 理为 了 实 现 转 速 和 电 流 两 种 负 反 馈 分 别 起 作 用 ， 在 系 统 中 设 置 两 个 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

17、。 二 者 之 间 实 行 嵌 套 链 接 ， 如 图 1 所示 为 转 速 、 电 流 双 闭 环 调 速 系 统 的 结 构 原 理 图 。 图 中 两 个 调 节 器 ASR 和 ACR 分 别 为 转速 调 节 器 和 电 流 调 节 器 ， 二 者 串 级 连 接 ， 即 把 转 速 调 节 器 的 输 出 作 为 电 流 调 节 器 的 输入 ， 再 用 电 流 调 节 器 的 输 出 去 控 制 晶 闸 管 整 流 器 的 触 发 装 置 。 电 流 环 在 内 ， 称 之 为 内环 ； 转 速 环 在 外 ， 称 之 为 外 环 ， 这 就 形 成 了 转 速 、 电 流 双

18、闭 环 调 速 系 统 。北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 8 -为 获 得 良 好 的 静 、 动 态 性 能 ， 转 速 和 电 流 两 个 调 节 器 一 般 采 用 PI 调 节 器 ， 这 样 就构 成 了 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 的 电 路 原 理 图 如 图 2 所 示 。 两 个 调 节 器 输 出 都 带 有 限 幅 ，ASR 的 输 出 限 幅 Uim决 定 了 电 流 调 节 器 ACR 的 给 定 电 压 最 大 值 Uim； 电 流 调 节 器 ACR输 出 限 幅 电 压 Ucm限 制 了 整

19、流 器 输 出 最 大 电 压 值 和 最 小 触 发 角 。1.3 系 统 的 静 特 性 与 动 特 性静 特 性 ： 在 正 常 负 载 情 况 下 ， 转 速 调 节 器 不 饱 和 ， 电 流 调 节 器 也 不 饱 和 。 稳 态 时 ，依 靠 调 节 器 的 调 节 作 用 ， 它 们 的 输 入 电 压 偏 差 电 压 都 是 零 ， 因 此 ， 系 统 具 有 绝 对 硬 的静 特 性 。北 京 科 技 大 学 电 机 及 其 运 动 控 制 系 统 课 程 设 计 说 明 书- 9 -当 电 动 机 的 负 载 电 流 上 升 时 ， 转 速 调 节 器 的 输 出 也 将

20、 上 升 ， 当 Id上 升 到 一 定 数 值 时 ，转 速 调 节 器 的 输 出 达 到 限 幅 值 ， 转 速 环 失 去 调 节 作 用 ， 呈 开 环 状 态 ， 速 度 的 变 化 对 系 统不 再 产 生 那 个 影 响 ， 此 时 只 剩 下 电 流 环 起 作 用 。 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 稳 态 结 构 图 如 图 3所 示 ：动 特 性 ： 双 闭 环 调 速 系 统 的 动 态 结 构 如 图 4 所 示 ， 由 于 电 流 检 测 信 号 中 常 含 有 交流 分 量 ， 须 加 低 通 滤 波 ， 其 滤 波 时 间 常 数 Toi按 需 要 选 定

21、 。 滤 波 环 节 可 以 抑 制 反 馈 信 号中 的 交 流 分 量 ， 但 同 时 也 给 反 馈 信 号 带 来 了 延 滞 。 为 了 平 衡 这 一 延 滞 作 用 ， 在 给 定 信号 通 道 中 加 入 一 个 相 同 时 间 常 数 的 惯 性 环 节 ， 称 作 给 定 滤 波 环 节 。 其 作 用 是 ： 让 给 定信 号 和 反 馈 信 号 经 过 同 样 的 延 滞 ， 使 二 者 在 时 间 上 得 到 恰 当 的 配 合 ， 从 而 带 来 设 计 上的 方 便 。 由 测 速 发 电 机 得 到 的 转 速 反 馈 电 压 含 有 电 机 的 换 向 纹 波 ， 因 此 也 需 要 滤 波 ，滤 波 时 间 常 数 用 Ton表 示 。 根 据 和 电 流 环 一 样 的 道 理 ， 在 转 速 给 定 通 道 中 也 配 上 时 间常 数 为 Ton的 给 定 滤 波 环 节 。