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1、青岛理工大学自动化工程学院课程设计报告课程：电机与运动控制系统设计题目： 数字式双闭环直流调速系统设计 专业 自动化 班级 机电121姓名 飞飞飞 学号 208211 指导教师： 赵宏才 时间： 2015 年 7 月 16 日成绩：评语：电机与运动控制系统课程设计任务书一、设计题目 数字式双闭环直流调速系统设计二、目的意义：本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“电机与运动控制系统”之后进行的一项实践性教学环节。通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和专业课对“电机与运动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用所学的理论知识解决实际设计问题的能力，为毕业
2、设计和将来从事实际工作奠定基础。双闭环调速系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基础。本专业学生应充分掌握速度和电流双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并能用先进控制器实现控制策略，初步掌握设计的方法和步骤，增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力，以及刻苦钻研的工作作风和严肃认真的工作态度。三、基本参数和设计要求（一） 基本参数直流电机：额定功率PN=18Kw, UN=220V, IN=94A, nN=1000r/min, 电枢回路电阻Ra=0.45, 电磁时间常数Tl=0.0297s，机电时间常数Tm=0.
3、427s, 电动势系数CE=0.2059 V/r.min, 过载系数。晶体管PWM功率放大器：工作频率2kHz，工作方式H型双极性。直流电源电压：264V。（二） 设计要求主要技术指标：调速范围D: 0-1000r/min, 额定时速度控制精度为0.1%（稳态无静差）；PWM占空比变化为00.51时，对应输出电压为-2640+264V, 为电机提供最大25A电流。速度检测采用光电编码器，其输出的两相 A、B脉冲经光电隔离辩相后获得每相1024个脉冲角度分辨力和方向信号。电流检测采用霍尔电流传感器，其原副边比为1000:1，额定电流50A。采用双闭环控制方式。系统具有过流、过压、过载保护等。四、
4、 设计内容（一）主回路选择和计算1 选择整流器包括：整流二极管的选择、绝缘栅双极晶体管的选择。2 泵升电压限制、滤波电容计算。3 主电路保护环节的选择和计算包括：交流侧过电压保护、直流侧过电压保护、过电流保护（二）控制电路设计包括：PWM驱动电路、反馈电路、芯片选择等（三）控制系统的动态计算及调节器设计包括：ACR的参数选择、ASR的参数选择（四）绘图画出控制系统电路原理图（包括主电路和控制电路，采用标准图纸打印）。（五）设计报告（说明书）要求1. 论述全面，叙述简洁，层次分明，书写清楚，图形、符号、曲线、数据等符合规范； 2. 有完整的设计说明、计算过程和系统工作原理； 3. 图纸清晰，规范
5、，使用标准A号图纸；4. 封面、任务书、图纸、须打印；课设报告摘要、正文、参考文献一律手写，统一为A4纸；5. 报告字数不少于3000字(正文)。中、英文摘要（各不少于200字），关键字（35个），列出参考文献（格式规范）；6. 装订：页面上端装订。装订顺序：封面，任务书，中、英文摘要，目录，正文，参考文献，附录1：电气元部件明细表，附录2：控制系统电路原理图。五、设计时间20142015学年 第2学期 第15、16周 2014-6-16注:学号尾数为1、6的同学选该题摘 要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和抑郁控制等优点，所以在电气传动中获得广泛应用。本文从直流电动机的工作原理
6、入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细的分析了系统的原理及动态、静态性能。然后再对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，并且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。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套用双闭环调速系统，详细介绍了系统主电路、控制电路、调速电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并进行了动态数字仿真，同时查看仿真波形，一次验证设计的调速系统是否可行。关键词： 直流电机 直流调速系统 双闭环系统 仿真 AbstractDc speed
7、control system has a wide speed range, high accuracy, good dynamic performance and depression control etc, and so are widely used in electric transmission. From the working principle of dc motor, this paper established a mathematical model of double closed-loop dc speed regulating system, and detail
8、ed analysis of the principle, dynamic and static performance of the system.Then the design of double closed loop speed regulation system parameter analysis and calculation, and the system has carried on the simulation of various parameters to set the basis of obtained parameters setting through simu
9、lation.On the basis of theoretical analysis and simulation, this paper designed a set of dead sample with double closed loop speed regulation system, detailed introduces the system main circuit, control circuit, control circuit of the specific implementation.Experiments have been carried out to test
10、 the performance of the system, has reached the design requirements.Using control toolbox of MATLAB software to dc motor double closed loop speed regulation system for computer aided design, and has carried on the dynamic digital simulation, colleagues check the simulation waveform, a validation of
11、design speed regulating system is workable.Keywords: dc motor speed regulation system of dc double closed loop system simulation目录一、设计目的81.1 课程设计的目的8二、系统总体方案设计82.1数字控制双闭环直流调速系统原理82.2数字控制双闭环直流调速系统硬件结构9三、主电路设计93.1主电路93.1.1限流电阻103.1.2泵升电压限制103.2主电路参数计算和元件选择103.3调节器参数设计113.3.1系统设计的一般原则113.3.2调节器参数设计113.
12、4 主电路保护电路设计123.4.1过电压保护123.4.2过电流保护设计14四、控制回路设计154.1 PWM控制电路154.1.1 PWM的基本原理154.1.2 PWM信号发生电路设计164.2 PWM功率放大驱动电路设计164.2.1 芯片IR2110性能及特点164.2.2 IR2110的引脚图以及功能174.2.3 延时保护电路184.3 PWM 控制H桥双极性主电路18五、单片机小系统设计205.1主要芯片选择205.11控制系统组成205.2 高精度数字测速电路205.2.1光电编码盘205.2.2 M/T法测速原理215.2.3 数字测速硬件电路215.3电流检测电路22参考
13、文献23附录24附录1：电气元部件明细表24附录2 PROTEL电路原理图及总框图26一、设计目的1.1 课程设计的目的通过此次课程设计，使我们能结合已完成的基础课、技术基础课和专业课对“电机与运动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步提高应用所学的理论知识解决实际设计问题的能力，为毕业设计和将来从事实际工作奠定基础。双闭环调速系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛，也是其他复杂控制的基础。我们应充分掌握速度和电流双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并能用先进控制器实现控制策略，初步掌握设计的方法和步骤，增强独立查阅
14、资料、分析问题和解决问题的能力，以及刻苦钻研的工作作风和严肃认真的工作态度。二、系统总体方案设计2.1数字控制双闭环直流调速系统原理图2-1数字式直流双闭环PWM调速系统原理图根据设计任务要求整个系统原理如图1所示。采用了转速、电流双闭环控制结构，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以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作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置（TA）对电流环进行检测，转速环则是采用了光电码盘进行检测，达到了比较理想的检测效果。PWM采用8051单片机以及4858、4040共同实现，驱动电路采用了IR2110集成芯片，具有较强的驱动能力和保护功能。2.2数字控制双闭环直流调速系统硬件结构根据系统原理我们设计了数字控制双闭环直流调速系统硬件结构，如图2所示，系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字PI算法。由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PW
