电机及其运动控制系统课程设计说明书

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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 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