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1、课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 1 页 共 19 页摘要从直流电动机的工作原理入手，建立双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用 Simulink 对系统进行各种参数给定下的仿真。关键词：双闭环；直流调速系统；Simulink 仿真 课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 2 页 共 19 页目 录1 设计目的及意义.32 工作原理.32.1双闭环直流调速系统的组成与原理.32.2双闭环直流调速系统的静特性分析.32.3双闭环直流调速系统的稳态结构图.32.4双闭环直流调速系统的数学模型.32.5调节器的具体设计.32.6速度环的设计.32.7双闭环直流调速
2、系统仿真.33 方案设计与论证.34 系统硬件设计.34.1主电路.34.2控制电路.34.3驱动电路.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4.4反馈和保护电路.35 系统调试.36 心得体会.3参 考 文 献.3课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 3 页 共 19 页1 设计目的及意义本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭
3、环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 4
4、 页 共 19 页2 工作原理2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理图 2.1 双闭环直流调速系统的原理图电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节
5、器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 5 页 共 19 页迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。2.2 双闭环直流调速系统的静特性分析分析静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值
6、。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 的作用使输入偏差电压 U在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，（2-1）0nnnnUU（2-2）diiIUU由第一个关系式可得：（2-3）0nnnU从而得到图 2.2 所示静特性曲线的 CA 段。与此同时，由于 ASR 不饱和，可
7、知，这就是说，CA 段特性miUUimddII 从理想空载状态的=0 一直延续到。一般都是大于额dIdmdII定电流Idn的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 6 页 共 19 页（2）转速调节器饱和这时，ASR 输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：（2-4）mdmi dIUI其中，最大电流dmI取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的 AB 段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于的情况，因为如0nn果,则,ASR
8、 将退出饱和状态。0nn nnUU双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm*时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输出Uim*,这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个 PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图 2.2 中虚线。课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 7 页 共 19 页图 2.2 双闭环直流调速系统的静特性2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的
9、稳态结构图如图 2-6 所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握 PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。U图 2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。2.4 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构电流
10、调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流 Id 显露出来。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 8 页 共 19 页图 2.4 双闭环直流调速系统的动态结构框图2.5 调节器的具体设计本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：1)晶闸管装置放大系数 Ks=30;2)电枢回路总电阻 R=0.18;3)时间常数：电磁时间常数 T1=0.012s;4)机电时间常数 Tm=0.12s;5)调节器输入电阻 R0=20;设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速%5%
11、 时的转速超调量。%15% 计算反馈关键参数： (3-1) )min(015. 0100015 n*Unim rV课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 9 页 共 19 页(3-2) AV IUnim026. 03055 . 112* （1）确定时间常数整流装置滞后时间常数；Ts=0.0022s。电流滤波时间常数: Toi=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是 3.3ms，为了基本滤平波头，应有 Toi=3.33ms，因此取 Toi=2ms=0.002s） 。按小时间常数近似处理。(Ts 和 Toi 一般都0042. 0iosiTTT比 Tl 小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性
12、环节)（2）选择电流调节器结构根据设计要求：%5%，且i1086. 20042. 0012. 0 il TT可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成 PI 型的.检查对电源电压的抗扰性能:1024. 30037. 0012. 0ss TTil（3）选择电流调节器的参数ACR 超前时间常数；电流环开环时间增益:s012. 0iiT(3-3) 11 .1350037. 05 . 05 . 0 ssTKiiACR 的比例系数:(3-4) 37. 0026. 03018. 0012. 01 .135si iiKRKK（4）校验近似条件电流环截止频率:=Ki=135.1S-1ci课 程 设 计 用 纸教师批阅：第 10 页 共 19 页1）晶闸管装置传递函数近似条件：(3-5) sT31ic即(3-6)1 .1351 .1960017. 031 31sTs满足近似条件；2) 忽略反电动势对电流环影响的条件：(3-7) ,13lmciTT即(3-8) ci lmsTT 1 0012. 012. 0106.79313满足近似条件；3)
