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1、运动控制课程设计双闭环系统的最佳工程设计专 业：电气工程及其自动化 学生姓名：袁同浩指导教师：江可万完成时间：2020年5月15日摘要 - 1 -第一章 设计任务 - 3 -1.1 系统性能指标 - 3 -1.2 设计容 - 3 -1.3 应完成的技术文件 - 3 -第二章 设计说明 - 5 -2.1 综述 - 5 -2.1.1 电机学 - 5 -2.1.2 电力电子技术 - 5 -2.1.3 微电子技术 - 5 -2.1.4 控制理论 - 6 -2.2 整流主电路 - 6 -2.3 整流触发电路 - 8 -2.3.1 脉冲形成于放大环节 - 8 -2.3.2 锯齿波的形成和脉冲移相环节 -
2、8 -2.3.3 同步环节 - 9 -2.4 转速电流双闭环控制系统 - 10 -2.4.1 稳态工作原理 - 10 -2.4.2 动态工作原理 - 11 -第三章 各参数计算 - 13 -3.1 整流装置的计算 - 13 -3.1.1 变压器二次侧相电压的计算 - 13 -3.1.2 变压器及晶闸管容量计算 - 13 -3.1.3 平波电抗器的电感量的计算 - 14 -3.1.4 晶闸管保护电路的计算 - 14 -3.2 控制电路参数的计算 - 15 -3.2.1 电动机额定参数及晶闸管变流器参数 - 15 -3.2.2 调节器参数的计算 - 15 -3.3 系统设计 - 16 -3.3.1
3、 电流环的设计 - 16 -3.3.2 转速环的设计 - 18 -参考资料 - 21 -附录 - 22 -摘要转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、 动态特性优良、 应用围最广的调 速系统。电流环设计成典型 I 型系统，具有很好的跟随性；速度换设计成典型 II 型系统，具有良好的抗干扰性能。本课程设计旨在按照工程设计方法设计出 符合一定动、 静特性指标的调速系统。 其中电机参数有指导老师给定， 大部分参 数由自己计算得出。正个课程设计包含电力电子技术、 自动控制技术以及直流电机调速原理。 最 后使用仿真软件MATLA进行仿真。关键字 双闭环 直流调速 仿真 MATLAB第一章 设计任务电动机铭
4、牌参数Ra 1.89 ；本课程设计旨在设计出一套直流电动机的双闭环控制系统。 如下：PN 2.2KV ; UN 220V ; IN 12.8A ； nN 1000r /minLD 37mH ；GD 2 1.7N m具体任务包含以下各方面。1.1 系统性能指标1) 调速围 D 10 。2) 静差率 s 5% 。3) 电流超调量 i 5% 。4) 空载起动到额定转速的超调量n 15%，调整时间 ts5) 当负载变化 20%的额定值、电网电压波动 10%额定值时 最大动态速降 nmax /nN 10% 。动态恢复时间 tV 0.3 。1.2 设计容1) 设计系统原理图。2) 计算调节器参数及其它参数
5、。3) 编写课程设计说明书。1.3 应完成的技术文件1) 设计说明书。2) 设计计算书。3) 系统原理图。4) 电气元件明细表。第二章 设计说明2.1 综述运动控制系统( motion control system) 也可称作电力拖动自动控制系统 ( control systens of electric drive)。运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入量的控制， 来改变电动机的转矩、 速度、位移等机械量， 使其拖动的机械按照人们期望的要求运行， 以满足工业现场的要求。 随着工业的 发展，对于运动控制的要求也越来越高， 在这种背景下， 运动控制系统日趋复杂， 逐渐成为一个跨
6、多学科的综合性技术。 运动控制系统主要用到 以下学科的知识。64d-ab93-d6beb1bea8a0-Numbered_ 电机学电动机是运动控制系统的执行， 电机的结果和原理决定了运动控制系统的设 计方法和运行特性。 随着新型数字电机的出现， 也相应的出现了很多数字电机的 控制系统。64d-ab93-d6beb1bea8a0-Numbered_ 电力电子技术以电力电子器件为基础的电力电子技术是运动控制系统的电源部分， 其输出 电源质量直接决定了整个系统的性能。 新型电力电子器件的诞生也催生了新型的 功率放大和变换装置，这对于控制系统质量提升的有很大的积极作用。64d-ab93-d6beb1b
7、ea8a0-Numbered_ 微电子技术随着微电子技术的快速发展， 各种高性能的大规模甚至超大规模的集成电路 层出不穷， 极大地方便和简化了运动控制系统的硬件设计和调试工作， 提高了系 统可靠性。同时高速、大存、多功能的处理器的应用也是各种复杂算法成为可能， 提高了控制精度缩短了开发周期。64d-ab93-d6beb1bea8a0-Numbered_ 控制理论控制理论是运动控制的理论基础， 是指导系统分析和设计的依据。 早期的经 典控制理论催生了经典的 PID 控制器。随着科技进步， 新的控制理论的出现也带 来了运动控制领域控制方法的技术变革。 本次课程设计主要是用经典的 PID 控制 器实
8、现对电机的控制。运动控制系统从大的方面可以分成两类： 直流调速和交流调速。 在发展的早 期，由于上述学科尚处于起步阶段， 交流调速显得十分困难。 在需要调速的领域 主要是直流调速系统。 这依赖于直流调速本身所具有的很多优越性。 由电机学知 识可以了解到， 直流电机数学模型简单， 调速方便， 而其中又以改变电枢电压的 方法最为灵活。 本课程设计采用的也是此种方法。 其中主要包括三相晶闸管相控 整流主电路、相控整流触发电路和双闭环控制电路。2.2 整流主电路整流电路(Rectifier) 是电力电子电路中出现最早的一种， 它的作用是将交 流电能变为直流电能供给直流用电设备。 整流电路应用十分广泛，
9、 直流电机就是 其中一种十分常见的负载。整流电路可从很多角度进行分类， 主要分类方法是： 按组成的器件可分为不 可控、半控和全控三种； 按电路结构可分为桥式电路和零式电路； 按交流输入相 数分可分为单相、 双相、三相和多相电路； 按控制方法又可分为相控整流和斩波 控制整流电路。本系统采用的是三相全控桥式晶闸管相控整流电路。 这是因为电机容量相对 较大，并且要求直流脉动小、容易滤波。其交流侧由三相电网直接供电，直流侧输出脉动很小的直流电。 在分析时把直流电机当成阻感性加反电势负载。 因为电 机电流连续所以分析方法与阻感性负载相同， 各参量计算公式亦相同。 主电路拓 扑结构如图 2-2-1 所示。
10、现简述其工作原理： 在图 2-2-1 中，习惯将其中阴极连在一起的三个晶闸管 (VT1, VT3, VT5)称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管(VT4, VT6, VT2) 称为共阳极组。此外习惯上希望晶闸管按从 1 到6的顺序三相交流电存储装苜VT3 VT5VT4 VT6 VT2图2-1三相桥式整流电路主电路依次导通。为此将晶闸管按图示的顺序编号。 在后面的分析完毕之后，可以 看出，按此编号的晶闸管的导通顺序是VT1 VT2- VT3- VT4- VT5- VT6晶闸管导通规则是阳极有正向电压同时基极有触发脉冲。依据此规则可以画出当控制角 0时的波形图。如图2-2-2所示。如图从相电压
11、波形看，三相桥式全控可 看成两个半波电路的串联，输出电压是共阳极组和共阴极组的叠加。 当 0时, 其实就相当于三相桥式不控整流电路。在电动机负载是，为了保持电流连续通常 在电枢回路串入大电感。因此主回路电流可认为是平直的。随着控制角的增大 输出电压将会减小。其输出电压和控制角的关系如下式Ud 2.34U 2cosUdId图2-2控制角 0时的波形图R2.3整流触发电路上述的晶闸管可控整流电路是通过改变触发角 的大小，即控制触发脉冲起 始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。为保证相控电路的可靠工作，很 重要的一点是应保证在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效地触发信号。图2-3-1是同步信号为
12、锯齿波的触发电路。 此电路输出可为双窄脉冲，也可 为单窄脉冲，适用于两个晶闸管同时导通的电路，比如本次课程设计中的三相全 控桥式电路。它可分为三个环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、 同步环节。2.3.1脉冲形成于放大环节uco =0时，由后面分析可知，V4基极电压为零，V4截止。电源E（ +15V通 过R9、V5 V6向电容C3充电。由于电流很大，V5很快饱和，其集电极电势近 似于-15V，V7、V8截止，无脉冲输出。uco =0.7时，V4导通，电容 C3通过V4放电，A点电势近似1.4V （两个PN 结）。由于电容两端电势不能突变，V5基极电势近似为-30V，V5截止。此时V
13、5 集电极电势迅速回到3.1V（VD6 V7、V8三个PN结）左右，V7、V8同时导通， 将脉冲放大后由变压器TP 二次侧输出。随着电容的放电，V5集电极电势上升， 直到Ub5-15V，V5又重新导通。此时脉冲输出结束。从以上分析可见，脉冲前沿由 V4导通时刻决定，脉冲宽度与电容放电（或 反向充电）时间常数R11C3决定。2.3.2锯齿波的形成和脉冲移相环节本电路采用恒流源的方法产生锯齿波。其中，VS、RP2、R3、V1组成一恒流源，它与V2、C2、V3 一起组成锯齿波发生电路。当V2截止时，I 1C对C2充电，C2两端电压Uc为Uc1 |1cdtC丄 |1ctC即，uc按线性增长，Ub3也按
14、线性增长。RP2可以改变恒流源电流|1c，从而改变锯齿波斜率。当V2导通时，由于R4阻值很小，电容C2迅速放电，Ub3迅速到零左右。当V2周期性的导通关断。在Ub3上便形成了锯齿波。由于V3射极跟随器的作用，Ue3也形成以锯齿波。V4管的基极电压由锯齿波电压、直流控制电压 uco、直流偏移电压up叠加而 成。up的目的是确定直流控制电压uc0 =0时的脉冲初始相位。233同步环节在锯齿波的同步触发电路中，同步是指要求锯齿波的频率和主电路 （即三相 电源）的频率相同且相位关系确定不变。要做到这一点，就要使V2的开关频率与主电路的频率相同即可。为此将同步变压器TS和整流变压器接在同一电源上， 用同
15、步变压器的二次侧电压控制 V2的开关，这样便保证了触发脉冲与主电路的 同步。+15V jvsZfR3AVD4立RiO1cCR8RRP111 =!= CRP2V4Rl7TsVD1VD-X0C736VTPVDR12VD11VDVD6R11l服10HKV5RC二二 Q R16VD15220Vvd7 b本TV7VVD立ZVD5o o接封锁信号Uc。-15VX Y -15Vvd8+15V图2-3同步信号为锯齿波的触发电路2.4 转速电流双闭环控制系统对于经常正反转运行的调速系统，缩短起、制动的时间是提高生产效率的重 要因素。为此我们希望电机有如下理想要求： 在启动期间，电机电枢电流保持在 最大值尽快的加速到额定转速；当速度到达额定值后又希望电流立即降下来使电 磁转矩和负载转矩平衡，从而快速进入稳态运行。根据经典控制理论，引入某一量的反馈，便
