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1、运动控制课程论文姓名：刘朝发学号：14082101418序号：162011 年 12 H 16 日1课程设计要求11.1课程设计题目（第1.2课程设计耍求12双闭环调速系统组成及各环节介绍12.1双闭环调速系统的组成12.2双闭环调速系统稳态结构框图22.3双闭环调速系统的数学模型32.4双闭环调速系统启动过程特点32.5转速和电流两个调节器的作用43双闭环系统调节器的设计43.1电动机电动势系数确定43.2电流调节器的设计43.3转速调节器的设计53.4空载起动到额定转速的时间计算74双闭环系统MATLAB仿真74.1双闭环系统仿真结构图搭建74.2调速系统启动过程转速与电流仿真结果75仿真
2、结果讨论86参考文献91课程设计要求1.1课程设计题目（第四组16号）电动机参数：功率=2Akw ,额定电压UN = 220v ,额定电流 g=11.7A, 额定转速=l000r/min ,电枢电阻心=2.340 ,主电路总电阻R =IOQ , &=68.4 ,电感乙=346.25曲，机电时间常数几=216.2皿，滤波时间常 数hn = hi = 0.004355 ,过载倍数q = i.4 ,电流反馈系数0 = 0.779/A ,转速反馈 系数= 0.007V.min/r o额定转速时给定电压为：=12V ,调节器输出电压为 t/i； = 10V。系统要求无静差，调速范围D二15电流超调量65
3、%,空载起动到额定转 速时的转速超调量5, 15%。1.2课程设计要求（1）双闭环调速系统的介绍，包括纽成和齐环节的介绍；（2）计算参数和要求达到的指标， 设计电流调节器ACR,计算其参数尺,% J 取他=40也 设计速度调节器ASR,计算其参数尺，G, J取他=40皿 画出调速系统电路原理图和静态结构图 在MATLAB上仿真实现，检验调速系统的动，静态性能指标。建议采用静态结构图來构建控制系统。论文中要附有调速系统在启动过程中电流和转速变化的仿真图（3）根据验证的结果讨论，你设计的系统是否达到设计要求，有哪些地方可以改进。2双闭环调速系统组成及各环节介绍2.1双闭环调速系统的组成为了实现转速
4、和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调调 节转速和电流，及分别引入转速负反馈和电流反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联 接，如图2.1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去 控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速换在外边，称 作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。K-_r二 TA图2.1转速、电流双闭环市流调速系统结构框图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PT调节器，这样构 成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2. 2所示。图中标出了两个调节器输入输出电斥 的实际急性，他们是按照
5、电力电子变换器的控制电压c为止电压的情况标出的，并考虑 到运算放大器的倒相作用。图中述衣示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节 器ASR的输出限幅电压泅决定了电流给定电压的报大值，电流调节器ACR的输出限幅电压 J限制了电力电子变换器的最大输出电压 %。图2. 2双闭环育流调速系统电路原理图2.2双闭环调速系统稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性，先绘出它的稳态结构图，如图1-3所示。分析静特 性的关键是PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和一一输出达到限幅值，不饱和 输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再输出，除非有 反向的输入信号时调节器推出饱和
6、；饱和的调丹器材吋隔断了输入和输出的联系，相当于 调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差A在稳态时总为零。图2. 3双闭环ft流调速系统的稳态结构框图（Q为转速反馈系数，B为电流反馈系数）实际上，在止常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的，因此，对于静特性来 说，只有转速调竹器和不饱和两种情况。2.3双闭环调速系统的数学模型双闭环直流调速系统的结构图如图2. 4,图中和必养“）分别表示转速调节器 的和电流调节器传递函数，为了引岀电流反馈在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流 匚显露出来。图2. 4双闭环立流调速系统的稳态结构框图2.4双闭环调速系统启动过程特点双闭环克流调速系统的
7、出动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下农现为不 同结构的线性系统，只能分段线性化的方法来分析，不能简单地用线性控制理论来分析整 个启动过程，也不能简单地用线性控制理论來笼统地设计这样的控制系统。（2）转速超调当转速调节器ASR采用PI调节吋，转速必然超调。转速略有超调一般是容许的，对-于完 全不超调的情况，应采用其他控制方法來抑制超调。（3）准时间最优控制在设备允许的情况下实现最短时间的控制称作时间瑕优控制，对于电力拖动系统，在 电动机允许过载能力限制下的恒流启动，就是时间最优控制。但山于在启动过程中电流不 能突变，实
8、际启动过程与理想启动过程还有一些差距，因此称作准时间最优控制。2.5转速和电流两个调节器的作用转速调节器的作用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快的跟随给定电压变化，稳态 时可减小转速误差，如果采用pi调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出地限幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器的作用：（1）作为内环调节器，在转速环的调节过程中，它的作用是使电流仅仅跟随给定电压 （外环调节器的输出量）的变化。（2）対电网电压的波动起及时抗扰作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载其至堵转时，限制电枢电流的垠大
9、值，起快速的自动保护作用。一旦 故障消失，系统立即恢复止常。3双闭环系统调节器的设计3.1电动机电动势系数确定n.v22011.7x2.341000=0.19263.2电流调节器的设计（1）确定时间常数 整流装置滞后吋间常数Ts.按表1-2,三相冬式电路的平均失控时间Ts二0. 0033s. 电流滤波时间常数7曲三相桥式电路每个波头的时间是6. 67ms,为了基本滤平波头, 应有（1-2）兀=3 33ms,因此IRToi =4. 35ms=0. 00435s.Tt 电流环小时间常数Z和按小时间常数近似处理，収 为二Ts+心二0.00765s（2）选择电流调节器结构根据设计要求6 G）.3人3
10、x 0.0033s满足近似条件. 忽略反电动势变化对对电流环动态影响的条件3 丄=3=16.77s vs忆7 V 0.2162s x 0.148s满足近似条件. 电流环小时间常数近似处理条件（=x I!= 80s 1 &）-3 Y T、T& 3 V 0.0033s x 0.00435s 满足近似条件.（5）计算调节器电阻电容山图2-25,按所用运算放大器取R） = 40kQ,齐电阻和电容值为& = KtR = 1.83xWQ = 73.2RQG 二工二亍 F = 2.00x10_6F = 2.00/F,収 2.00/FR（ 73.2 x 103at 4x0 00435C. =F = 0.435
11、 x106F = 0.435“ F ,取 0.42/F01R（）40xl03按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为5 =4.3% 5% （见表22）,满足设 计要求.3.3转速调节器的设计（1）确定时间常数 电流环等效时间曲数1/K, 己収7. =0.5, J_ = 27. = 2 X 0.00765s = 0.0153s 转速滤波时间常数7；根据所用测速发电机纹波情况，収7；n=0. 01s. 转速环小时间常数按小吋间常数近似处理，収, =+ 几=0.0153s + 0.00435s = 0.01965s 心 K, on（2）选择转速调节器结构按照设计耍求，选用PI调节器，其传递函
12、数qs（3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，収h二3,则ASR的超前时间 常数为 r = h7V = 3xO.OI965s = 0.05895sn Ln2x32x0.019652s2=43L64S_山式（2-75）可得转速环开环增益： 二 h + 13v 2h沢 2Zn于是，山式（2-76）可得ASR的比例系数为： “ （fi + 1 /3CT 4x0.77x0.1926x0.2162 心一K =- = 15 54n 2h aRT 2x3x0.007x10x0.01965Ln（4）检验近似条件山式（2-33）得转速环截止频率为： 5=5 = 2“ = 431.64 x 0.05
13、8955-1 = 25.45.V-1 %，满足简化条件.（7）由表2-7查得，由h=3得,72.2%-=-x 公= 26.87r* %，满足近似条件.3 Tvi 30.01，（5）计算调节器电阻和电容根据图2-27,取/J。= 40kQ,则Rn = KR = !5.54x40kQ = 621.6kQ,取622kQ厶=（）5895 卩=0.095 xlO6F= 0.095/F,取0. 095 pFn Rit 622xl03at 4x0 00435Cn =- F = 0.435 x106F= 0.435 z/F，取0. 435 uFon R40xl03（6）校核转速超调量当h二3时，山表2-6查得，碍=52.6%不能满足设计要求.实际上山于表2-6是按线性 系统计算的，而突加阶跃给定时,ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况 重新计算超调量。= 2x722%xl.4x11.7x10J)J926_x00|965=0,|161000 0.21623.4空载起动到额定转速的时间计算K
