拖动系统课程设计报告Word文件下载.docx
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0.08；
转速反馈系数：
0.005。
一、该同学的主要任务
1、查找文献，了解直流电动机双闭环调速系统的的应用;
2、设计直流电动机双闭环调速系统，并设计出相应的电路原理图；
3、建立SIMULINK电气仿真模型；
4、设计PID算法，对转速、电流双闭环系统进行负载试验、抗干扰试验；
二、目标
1、建立直流电动机双闭环调速系统数学模型；
2、设计PID算法，调试参数，使电流超调量小于5%；
3、转速超调量小于10%。
4、要求最大启动电流不超过在10A。
主要内容与基本要求
本课题主要研究直流电动机的双闭环调速系统，该同学主要工作是双闭环调速系统设计与仿真试验分析。
基本内容：
1、设计直流电动机双闭环调速系统总体方案；
2、电流调节器设计；
3、转速调节器设计；
4、分别对空载、负载、扰动工况进行仿真模拟；
基本数据要求：
1、空载时，给定速度分别为2000r/min、1000r/min，记录此时的实际速度和实际电流波形；
2、给定速度为500r/min，空载启动后，在1S时加载，负载转矩为1N.m，记录此时的实际速度和实际电流波形。
主要参
考资料
一、主要参考文献
1、基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用；
张培仁，清华大学出版社；
2、电气传动的脉宽调制控制技术，吴守，机械工业出版社；
3、电力电子技术，浣喜明，高等教育出版社；
4、电动机的单片机控制，王晓明，北京航空航天出版社；
5、电机与拖动基础，李发海，清华大学出版社
计划进度：
序号
内容
1
任务布置与介绍
2
系统总体方案设计
3
硬件系统建模
4
直流电机数学模型推导
5
PWM算法设计
6
电流调节器设计
7
速度调节器设计
8
仿真调试与试验
9
撰写课程设计报告
10
答辩
实习地点
指导教师
签名
年月日
摘要
以控制系统的传递函数为基础，使用Matlab的Simulink工具箱对直流调速系统仿真研究。
采用面向控制系统电气原理结构图的方法建立了系统模型，结合SimPowerSystems工具箱，对转速、电流双闭环调速系统进行了仿真。
根据设计指标设计转速环和电流环，以及合理的PID算法，通过调节参数，对空载、负载、扰动工况下的结果波形进行对比分析。
结果表明，双闭环系统具有较好的动态性能，对负载变化和电网电压的波动都能起抗扰作用，且能够在电动机过载时起到快速的自我保护作用。
关键词：
双闭环；
直流电机；
Simulink
目录
1.直流电机速度电流双闭环调速系统的基本原理5
2.直流电机速度电流双闭环调速系统的设计5
2.1系统总体方案设计5
2.2硬件电路设计..6
2.3电流调节器设计6
2.4转速调节器设计9
3.直流电机速度电流双闭环调速系统的仿真10
3.1开环系统仿真实验10
3.2电流单闭环系统仿真实验14
3.3速度电流双闭环系统仿真实验15
4.总结20
5.参考文献20
正文
1.直流电机速度电流双闭环调速系统的基本原理
直流调速是交流拖动系统的基础，该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及速度检测环节、速度调节器，构成了电流环和速度环，前者通过电流原件的反馈作用稳定电流，候着通过速度检测原件的反馈作用保持速度稳定，最终小车速度偏差，从而使系统达到调节电流和速度的目的。
该系统启动时，速度外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使速度线性变化，迅速达到给定值；
稳态运行时，速度负反馈外环起主要作用，使速度给定电压的变化而变化，电流内环跟随速度外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
2.直流电机速度电流双闭环调速系统的设计
2.1系统总体方案设计
2.2硬件电路设计
图1
图2
图三
图1，图2，图3分别为驱动电压、输出电压和电流波形
它们之间的关系是：
Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。
在一个开关周期内，当0≤t<
ton时，Uab=Us，电枢电流id沿回路1流通；
当ton≤t<
T时，驱动电压反相，id沿回路2经二极管续流，Uab=-Us。
因此，Uab在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。
图2、图3也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。
相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；
相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。
电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。
当正脉冲较宽时，ton>
T/2,则Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；
如果正、负脉冲相等，t=T/2,平均输出电压为零，则电动机停止。
图2、图3所示的波形是电动机正转时的情况。
双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：
若占空比ρ和电压系数γ的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中：
γ=2ρ-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。
调速时，ρ的可调范围为0~1，相应的，γ=（-1）~（+1）。
当ρ>
1/2时，γ为正，电动机正转；
当ρ<
1/2时，γ为负，电动机反转；
当ρ=1/2时，γ=0，电动机停止。
但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而，电流也是交变的。
这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。
但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。
双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：
1）电流一定连续；
2）可使电动机在四象限运行；
3）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1：
20000左右；
5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。
双极式控制方式的不足之处是：
在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。
为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有降低[
2.3电流调节器设计
作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定的电压Un*（即外环调节器的输出量）变化，且对电网电压的波动起及时抗扰作用。
在转速稳态过程中，能够保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；
当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
把转速环给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成Un*β，再把时间常数为Ts和Ton两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Ti的惯性环节，其中
Ti=Ts+Toi
采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成
WACRs=Ki（τis+1）τis
则开环传递函数为
Wopis=Ki（τns+1）τisβKsR（Tis+1）（Tls+1）
因为Tl>
>
Ti，所以选择τi=Tl，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，以便校正成典型一型系统，因此
令转速开环增益KI=KiβKsτiR=KiβKsTlR
则
Wopis=KIs（Tis+1）
给定电流超调量σi≤5%，选取KITi=0.5，则KI=ωci=12Ti，
再根据KI=KiβKsτiR=KiβKsTlR，得到
Ki=TlR2βKsTi
2.4速度调节器设计
转速调节器是调速系统的主导调节器，它是转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则刻实现转速无静差。
转速调节器对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
把转速环给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成Un*α，再把时间常数为1KI和Ton两个小惯性换届合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，其中
Tn=1KI+Ton
采用PI型的转速调节器，其传递函数可以写成
WASRs=Kn（τns+1）τns
Wns=Kn（τns+1）τnsαRβCeTm（TN+1）
令转速开环增益KN=KnαRτnβCeTm
Wns=KN（τns+1）s2（TNs+1）
按照典型二型系统的参数关系，有
τn=hTn
KN=h+12h2Tn2
Kn=（h+1）βCeTm2hαRTn
中频宽h要看动态的要求决定，一般选择h=5。
3直流电机速度电流双闭环调速系统的仿真
3.1开环系统仿真实验
（1.1）空载转速
（1.2）空载电流
（1.3）空载转矩
分析：
空载时，系统在2s左右达到稳态，转速无超调
（2.1）加载转速
（2.2）加载电流
（2.3）加载转矩
在1s时加负载后，系统达到稳态时，转速比空载时减小，电流和电磁转矩不再为零，而与输入负载转矩有关。
（3.1）减载转速
（3.2）减载电流
（3.3）减载转矩
1s后减载，转速突然上升，电流和电磁转矩突然减小，达到稳态的时间与加载情况相同，但稳态转速要比加载时高，电流和电磁转矩比加载时小。
3.2电流单闭环系统仿真实验
（1.1）阶跃输入：
0.56；
电流环Kp=5，Ki=50
（1.2）阶跃输入：
电流环Kp=5，Ki=5
3.3速度电流双闭环系统仿真实验
（1）负载转矩：
3N·
m，给定转速：
1500rad/min，
转速环KP=20，Ki=120；
电流环KP=5，Ki=50；
（2）负载转矩：
1000rad/min，
（3）负载转矩：
转速环KP=150，Ki=120；
（4）负载转矩：
转速环KP=20，Ki=10；
第一阶段（0~约0.01s）是电流上升阶段：
突然给定电压Un*后，经过两个调节器的跟随作用，Uc、Ud0、Id都上升，但是在Id没有达到负载电流IdL以前，电动机还不能转动。
当Id≥IdL后，电动机开始启动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器的输入偏差电压（∆Un=Un*-Un）的数值仍较大，其输出电压保持限幅值
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