《电机及其运动控制系统课程设计说明书01》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机及其运动控制系统课程设计说明书01（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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 -北北 京京 科科 技技 大大 学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： 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 -电电机机及及其其运运动动控控制制系系统统 课课程程设设计计说说明明书书题题 目目: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英 文文 题题 目目:Design of ACR and ACR of theMain Cir
2、cuit of Double ClosedLoop V-M Speed Control System学学 院院: 自动化学院 专专 业业: 自动化 班班 级级: 电 092 学学 生生: 刘晓乐 学学 号号: 指指导导教教师师: 潘月斗 职职称称: 副教授 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书- 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
3、速系统的主电路以及电流、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
4、设计二、具体内容二、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=0.00167s，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 n
5、mU=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
6、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
7、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
8、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. 双闭环调速系统1.1 概概述述在许多
9、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。
10、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 系系统统组组成成及及原原理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
11、速负反馈和电流负反馈。 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
12、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限制了整流器输出最大电压值和最小触发角。1.3 系系统统的的静静特特性性与与动动特特性性静特性：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
13、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。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。北京科技大学电机及其运动控制系统 课程
14、设计说明书- 10 -2. 系统各环节设计及参数计算2.1 电电流流环环的的设设计计（1）确定时间常数）确定时间常数电流环小时间常数iT：由于已给0.002oiTs,因此iT=s+oiT=0.00367s；电枢回路时间常数lT：lT=L/R=0.015/0.5=0.03s。（2）确定电流调节器结构和参数）确定电流调节器结构和参数结构选择根据性能指标要求: 5%i,0.038.17100.00367liT T,抗干扰性能适中,因此电流环按典型型系统设计，调节器选用 PI,其传递函数为(1)( )ii ACR iKsWss 参数计算为了将电流环校正成典型 I 型系统，i应对消控制对象中的大惯性环节时间常数T1，即取 i=T1=0.03s；为了满足 i5%的要求，应取 Kop，iTi=0.5，因此，有Kop，i=1/2Ti=1/2*0.00367=136.2s-1于是可以求得 ACR 的比例放大系数为Ki=Kop，iiR/Ks=136.2*0.03*0.5/0.05*40=1.022校验近似条件：a晶闸管整流装置传递函数近似条件 wci1/3Ts，wci= Kop，i=136.2s
