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1、目录中文摘要I1课程设计要求 11.1课程设计目的 11.2任务和要求 12双闭环直流调速系统的设计 12.1双闭环直流调速系统 12.2双闭环调节器的设计 23 aB配合控制的直流可逆调速系统 33.1 a = 0配合控制的直流可逆调速系统的工作原理.33.2 a二他己合控制的直流可逆调速系统的建模.44 a = 0配合控制的直流可逆调速系统仿真实例及分析64.1系统主要环节的仿真参数 64.2仿真波形及分析75结论10参考文献.11摘要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服控制首选。因为它具有良好的线性特 性，优异
2、的控制性能，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，有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。针 对面向系统传递函数结构图仿真方法的不足，提出了一种基于MATLAB 的Simulink面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了转速与电流双闭环a = “配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。关键词:直流电动机；a = b配合控制；Simulink MATLAB 仿真1课程设计要求1.1课程设计目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。 运动控制系统课程设计，要求学生更多实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍 存在的
3、缺乏动手能力的现象.运动控制系统课程设计是继电机与拖动基础和 运动控制系统课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用 已学课程的基本知识，独立进行电机调速技术和设计工作,掌握系统设计、调试和应 用电路设计、分析及调试检测。1.2任务和要求1静态设计（1）确定控制系统采用的直流稳压电源电压（可选择）。（2）确定整流装置的放大倍 数。（需根据电枢电压与控制电压确定）。并设计可控整流装置及触发电路。（3）确定 电流反馈系数。（4）确定转速反馈系数。（5）根据调速范围与静差率要求确定静态速 降及转速反馈环的反馈系数。2.动态设计电流环设计确定时间常数;选择电流调节器结构;选择电流调节器
4、参数;校验近似条 件;计算电流调节器电阻和电容.转速环设计确定时间常数;选择转速调节器结构;选择转速调节器参数;校验近似条 件;计算转速调节器电阻和电容;校核转速超调量2双闭环直流调速系统的设计2.1双闭环直流调速系统转速电流双闭环控制的直流调速是最典型的直流调速系统。其原理结构图如图 2.1所示。双闭环控制直流调速系统的特点是，电动机的转速和电流分别由两个独立 的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随 转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用 使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机 获得加
5、速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减 小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩 减小而减速。在当装束调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制I实 dm 现电动机的加速，使电动机的启动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制 动。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR 般都采用PI调节器。因为PI 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调 速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要 求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得
6、良好的静 态和动态性能。2.2双闭环调节器的设计(1)电流环的设计U *电流反馈系数：厂0.05nom三相晶闸管整流电路平均失控时间：T0.0017ss电流滤波时间常数T取2ms。oi电流环小时间常数T Ts T0.0037ms。ioi根据设计要求，%5% ,应取K TiI节器选用PI型，其传递函数为wsACR其中：0.076si”R0.076 2.85Kii 2TKs 2 0.0037 37.840.5,因此按典I型系统设计。电流调 s 1isi2.84(2)转速环的设计转速反馈系数U *nomnnom0.00667V minr电流环等效时间常数为2T0.0074s。i取转速滤波时间常数T0
7、.01s。onT 2T T0.0174sni on根据稳态无静态及其他动态指标要求，按典II型系统设计转速环，取h=5, ASR选用PI调节器，其传递函数为口 ss 1nsn其中， hTnnK h 1 CTKe_mn 2h RTn0.0876 272 132 16110.4910 0.00667 2.85 0.01743配合控制的直流可逆调速系统3.1a配合控制的直流可逆调速系统的工作原理a配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图3】所示。图中， 主电路由两组三相桥式晶闸管全控型整流器反并联组成，并共用同一路三相电源。 由于采用a=配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在脉
8、动环流, 为了限制脉动环流的大小，在主电路中串入了四个均衡电抗器L L，用于限制脉 c1 c4动环流。平波电抗器L，用于减少电动机电枢电流的脉动，减少电枢电流的断续区, d改善电动机的机械特性。系统的控制部分采用了转速和电流的双闭环控制。由于可逆 调速电流的反馈信号小不仅要反映电枢电流的大小还需要反映电枢电流的方向，因此电流反馈一般用直流电流互感器或霍尔电流检测器，在电枢端取电流信号。为了确保 两组整流器的工作状态相反，电流调节器的输出分两路，路经止组桥触发器GTF控 制正组桥整流器，另路经倒相器AR、反组桥GTR控制反组桥整流器。图3.1 a书配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图3.
9、 2 a二配合控制的直流可逆调速系统的建模组成a配合控制的直流可逆调速系统的主要子模块包括：三相交流电源，正、 反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与6脉冲触发器、速度和电流调节器ASR 及ACR、倒相器、移相控制器，直流电动机。除了 PI调节器和移相控制器模块需 要自己封装外，其余均可从有关模块库中直接复制。3.2.1移相控制器的封装触发器的控制角(alpha_deg端)通过了移相控制环节(shif ter移相控制模块的输入是移相控制信号U，输出是控制角，移相控制信号U由常数模块设定。移相特cc性如图3.2所示。移相特性的数学表达式为：图32移项特性及子函数模块在本模型中取30 ,U10V
10、,所以 90 (6 U )。mincmc3.2.2带限幅的PI调节器的封装仿真模型与系统动态构图的各个环节基本上是对应的。需要指出的是。双闭环 系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输山限幅的PI调节器，为了充分 反映在饱和限幅非线性影响下调速系统的上作情况，需要构建考虑饱和输出限幅的 PI调节器，过程如下：线性PI调节器的传递函数为式中，K为比例系数；K.为积分系数；K K。ip i上述PI调节器的传递函数可以直接调用Simulink中的传递函数或零极点模块。 而考虑饱和和输出限幅的PI调节器模型如图33所示。模型中比例和积分调节分为 两个通道，其中积分调节器integrat的限幅表示
11、调节器的饱和限幅值，而调节器的 输出限幅值由饱和模块Saturatio设定。当该调节器用作转速调节器ASR时，在 起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积 分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。为了使系统模型更简洁，利 用了 SimuHnk的打包功能(Great Subsys将调节器模型缩小为一个分支模 块，如图所示。图3-3带饱和和输出限幅的PI调节器及子系统模块3.2.3 a二配合控制的直流可逆调速系统整体的建模将封装后的反组整流器与正组整流器，给定环节、ASR、ACR、直流电动机等 起可构成a = 0配合控制的直流可逆调速系统的仿真模型。在电
12、动机的负载转矩输 入端TL接入了阶跃(Step模块，用于设置负载转加载的时刻，和用于限制负载转矩 的最大值，如图34所示Jpha_deg丄IIrdt IDflCIOCKrnat+1g，i.0l3i口 JTGS+1I FCI2Tratftr Fci3口685JQ1U+1Syicknoited &P* 臨 GeieratorlMiialSMilfck Traixltr Fciipsedf*i3Lli：di f-图34 a = /配合控制的直流可逆调速系统仿真模型3pri3_degABBC _JJlJl CABlodcsicirokizsd6-PiKe CeieraiorUdoBlockJ01U+1
13、DC Mobile4 90航4 a = 0配合控制的直流可逆调速系统仿真实例及分析a配合控制的直流可逆调速系统的仿真模型中，交流电源（au、bu、cu）两 组反并联的整流器（VF、VR ）和两组触发器（Synchronized 6-Pulse Generator环流电抗器（LL ）、平波电抗器Ld和电动机组成可逆系统的主电路。控制回路cl c4d由转速给定、转速调节器ASR、电流调节器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter 等模块组成。其中给定环节可以通过切换开关（Manual Swi七筋选择电动机转向，在需要改变转向时，双击该开关即可正转到反转或反转到正传的给定切换。转速和电 流的
14、反馈信号均取自电动机测量单元的输出。转速调节器ASR和电流调节器ACR 由带输出限幅的PI调节器分支电路来完成。4.1系统主要环节的仿真参数给定信号：有两个常数模块和手动切换开关组成。电源：交流160V 50Hz直流220V电机参数：电枢电阻R0.21aJ 0.57kg m 2 ;励磁电阻 R146.7fL0.84H ;其它为元件默认值。af；电枢电感L 0.00021H ;转动惯量a；励磁电感L 0H励磁与电枢绕组互感fASR 为 PI 调节器，其中：K10.49;K 120.5。pnACR 为 PI 调节器，其中：K2.48 ; K37.3。pi电抗器：L L为0.2H,l的值为0035H。c1 c4d4.2仿真波形及分析对图4.】的a = “配合控制的直流可逆调速系统进行仿真，得到调速系统在幅 值为10的正、负阶跃给定信号、仿真时间为8s的情况下，得到电枢转速和电流的 仿真波形如图所示。图中电流和转速为相对值。从仿真曲线知，当系统给定信号 变极性时：输出转速能够很好地跟随转速给定信号，过渡过程性能较好；转速极性 也随着给定信号改变极性；由于电机有机械惯性的滤波作用，速度输出响应曲线谐 波成分较少。随着给定信号改变极性电枢电流也改变极性（图中b中有正、负变 化），说明实现了转矩可逆；电流波形上升和下降沿很陡，动态性能较好；由于a =0配合控制的直流可逆调速
