全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统的研究
毕业设计（论文）
题目：全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统的研究--双闭环可逆直流PWM调速系统的软件设计作者：
系（部）：
专业班级：
职称：讲师
2011年6月7日
全P 数W 字M 化调双速闭系环统可的逆研直究流
摘要
当今，自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。
微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆自流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究上作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。
论文分析了系统上作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理，并给出了软、硬件实现方案。该方案以89C52微机为核心，分别采用了8255,8253, 8279, ADC0809, 741914等芯片与一些外围电路。通过实时测试与调节电动机的转速/电流，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。
关键词:直流可逆调速，数字触发，PWM，数字控制器
Keywords:reversible DC timing system, number touch off, Pulse-Width Modulation, number controller
目录
第一章引言 (1)
1.1电气传动技术发展现状 (1)
1.2微机控制电机的发展和现状 (1)
1.3机微机控制系统的特点 (2)
1.4本课题在实际应用方面的意义和价值 (2)
第二章单闭环控制直流脉宽调速系统 (4)
2.1 单闭环直流调速系统简介 (4)
2.1.1 自流电动机的调速力一案 (4)
2.1.2调速系统的静态指标 (5)
2.2开环系统机械特性和闭环系统静特性 (5)
2.3 采用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统 (7)
2.4 比例积分单闭环脉宽控制系统(无静差系统) (8)
2.5本章小结 (9)
第三章微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计 (11)
3.1转速、电流双闭环调速系统及其静特性 (11)
3.1.1问题的提出 (11)
3.1.2转速、电流双闭环调速系统的组成 (12)
3.1.3稳态结构图和静特性 (12)
3.1.4各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (14)
3.2双闭环脉宽调速系统的动态性能 (15)
3.2.1动态数学模型 (15)
3.2.2起动过程分析 (15)
3.2.3动态性能和两个调节器的作用 (16)
3.3电流调节器和转速调节器的设计 (18)
3.3.1 电流调节器的设计 (18)
3.3.2 转速调节器的设计 (19)
3.4 可逆PWM变换器 (19)
3.4.1 可逆PWM变换器工作原理 (19)
3.4.2 IGBT缓冲电路 (21)
3.5脉宽调速系统的开环机械特性 (23)
3.6 脉宽调速系统的电流脉动量和转速脉动量 (24)
3.6.1电流脉动量 (24)
3.6.2转速脉动量 (26)
3.7脉宽调制器和PWM变换器的传递函数 (28)
3.8电力晶体管的开关过程、开关损耗和最佳开关频率 (29)
3.8.1开关过程 (29)
3.8.2 开关损耗 (30)
3.8.3 最佳开关频率 (31)
3.9 本章小结 (31)
第四章双闭环可逆直流PWM调速系统的硬件设计 (33)
4.1 双闭环可逆直流PWM调速系统简介 (33)
4.2双闭环可逆直流PWM调速系统总体设计 (33)
4.3主要芯片的选择 (34)
4.3.1单片机的选择 (34)
4.3.2 8253可编程定时器/计数器芯片 (35)
4.3.3 8279可编程键盘、显示接口芯片 (36)
4.3.4 A/D转换芯片ADC0809 (36)
4.4高精度数字测速电路 (36)
4.4.1 M/T法测速原理 (37)
4.4.2 数字测速硬件电路 (37)
4.5键盘/显示接口 (38)
4.6全数字PWM调制器 (39)
4.7泵升电压限制电路 (40)
4.8本章小结 (41)
第五章调速系统的软件设计 (42)
5.1软件设计的基本要求 (42)
5.2软件的结构设计 (42)
5.3软件的编制 (44)
5.3.1微机头文件的设置 (44)
5.3.2主程序设计 (44)
5.4系统的软件抗干扰措施 (49)
5.4.1模拟输入信号的噪声滤波 (49)
5.4.2防止程序运行失常的软件措施 (50)
5.4.3软件元余技术 (51)
第六章硬件电路的改进 (52)
第七章总结 (54)
参考文献 (55)
致谢 (56)
附录A系统程序清单 (57)
第一章引言
1.1电气传动技术发展现状
电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电机种类的不同分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简称交流传动)、步进电机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传动)等等。众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制上作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术己广泛应用于国民经济的各个领域。
三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用己久的直流发电机电动机组及水银整流装置使自流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路己经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。
由于直流电气传动技术的研究和应用己达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍然处于主要地位。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，直流传动系统己经广泛使用微机，实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，直流传动控制采用微机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。
1.2微机控制电机的发展和现状
微机，出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造上艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。
比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在己普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。
对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，
使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统。为了提高性能，在先进的数控交流伺服系统中，己采用高速数字化处理芯片(DIGITAL SIGNAL PROCESSOR，简称DSP)，其指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令。
1.3机微机控制系统的特点
目前，很多电机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的发展方向。在微机控制系统中，通常是既有模拟信号，也有数字信号；既有连续信号，也有离散信号。由于计算机的CPU只能识别和处理数字信号，而且只能一次次离散地处理，所以计算机处理外界信息时总要有一个采样过程，电机微机控制系统必然是一种采样控制系统。
电机采用微机控制，还具有以下特点:
(1) 硬件比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化。
(2) 可以分时操作；一台微机可以起多个控制器的作用，为多个控制回路服务；也
可控制多个电机，完成较多功能。
(3)计算机具有记忆和判断功能，系统的控制方式由软件决定，若要改变控制规律，
一般不必改变系统的硬件，只需按新的控制规律编出新的程序即可；且可在运行中随时根据不同的电机上作状态，选择最有利的系统参数、系统结构及控制策略等；使系统具有很强的灵活性和适应性。
(4)计算机的运算速度快，精度高。它有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，
因此有可能实现复杂的控制规律，如采样参数辨识、优化控制等现代控制理论所提供的控制算法，以达到较高的控制质量。
(5)数字量的运算不会出现模拟电路中所遇到的零点漂移问题，被控量可以很大，也
可以很小，都较易保证足够的控制精度。
(6)信息处理能力强，可以完成各种数据的处理，及时给操作人员提供有用的信息和
指示。
正因为有上述优点，电机微机控制的理论及应用发展得非常迅速，新产品不断涌现和普及。
1.4本课题在实际应用方面的意义和价值
电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速己发展到一个很高的技术水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术:控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。
采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方
便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动，制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格比，所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。近年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机良好的启动、制动性能，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用.
现阶段，我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用，国外先进的控制器价格昂贵，研究及更好的使用国外先进的控制器，具有重要的实际意义和重大的经济价值。
第二章单闭环控制直流脉宽调速系统
在现代化上业生产中，生产机械都不停地运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。
2.1 单闭环直流调速系统简介
2.1.1 自流电动机的调速力一案
由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式为
由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。
1.改变电枢回路总电阻R如图2-1，总电阻R越大，特性线斜率越大，机械特性越软。若负载转矩为TL，对应所需的电枢电流为I aL，则负载大小不变时总电阻越大，转速越低。山于电阻耗能大，机械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。
2.减弱电机励磁磁通Q 普通电动机在额定磁通下运行，铁芯己接近饱和，不能再增加磁通而只能减小。如图2-2，Q减小，n。增大，特性线斜率也增大。
弱磁调速虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。
3.改变电动机端电压调速如图2-3，额定励磁保持不变，理想空载转速n。随
U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。
变电压调速要有可调的直流电源。根据供电电源的种类分两种情况:一是采用可控硅变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，将交流电通过整流提供直流电源，实现脉冲调压调速。随着电力电子全控器件的成熟，采用全控电力晶体管IGBT、MOSFET等全控式电力电子器件组成的直流脉宽调制(PWM)型的调速系统近年来己发展成熟，用途越来越广。
2.1.2调速系统的静态指标
第一个指标为调速范围D，它是拖动系统在额定负载转矩时能够提供给生产机械的最高转速与最低转速之比。
另一个指标为静差率s，它是电动机由理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速n。之比。
它表示负载变化引起调速系统的转速偏离原定转速的程度。系统的调速特性越硬，s越小，说明系统的稳定性能越好。另外，转速越低，静差率越大，故调速系统静差率指标以最低转速对应的数值为准。在考虑生产机械对转速相对性(即静差率)的要求后，电动机最低转速受到了限制，也即调速范围受到限制。
采用降压调速时，调速范围、静差率及转速降三者关系为：
2.2开环系统机械特性和闭环系统静特性
在这里为了分析简单，不单独讨论开环系统，由简单闭环系统引出开环系统的特性。
如图2-4的转速闭环调速系统，如果把闭环系统的反馈回路断开，就成了开环系统，则上述系统的开环机械特性为
而闭环时的静特性可写成
其中n0op二和n0cl，分别表示开环和闭环系统的理想空载转速；Δnop和Δncl分别表
示开环和闭环系统的稳态速降；。比较式(2-7)和(2-8)可以得出以下结论。
（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。
在同样的负载扰动下，两者的转速降分别为
它们的关系是
显然，当K值较大时，Δncl比n0op小得多，即闭环系统的特性要硬得多。
( 2 ) 如果比较同一n。的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。
闭环系统和开环系统的静差率分别为
当开环和闭环系统的稳态速降相等(即n0cl = n0op)时，
( 3 ) 当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。
如果电动机的最高转速都是nnom，而对最低速静差率的要求相同，则
开环时，
闭环时，
考虑式(2—9)可得
要取得上述优越性，只要闭环系统设置放大器即可。总之，闭环系统可以获得比开环系统硬得多的特性，从而保证在一定静差率的要求下，能够提高调速范围。在闭环系统中降低速降的实质是：在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速就降下来了；闭环系统有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了，通过比较和放大，提高脉宽调制的输出电压Ud，使系统上作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。
2.3 采用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统
采用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统的动态结构图如图2-4a所示。
当Un* = 0时，只有扰动输入量Idl，这是的输出量即为负载扰动引起的转速偏差(即动态速降) Δn，可将动态结构图画成如图2-4b的形式。
利用反馈连接等效变换法则，可得
于是
突加给定时，
利用拉氏变换的终值定理可求出负载扰动引起的稳态误差：
上式说明采用比例调节器的闭环控制系统是有静差的。
2.4 比例积分单闭环脉宽控制系统(无静差系统)
用比例积分调节器控制的闭环调速系统当Un* = 0时的动态结构图如图2一10所示。
和前面的推导方法一样，在这里，
因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。显然，只要调节器中有积分成分，系统就是无静差的。还可以得出如下的结论：只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，这个恒值扰动便不会引起稳态误差。如果积分环节出现在扰动作用点以后，它对消除静差是无能为力的。严格说来，“无静差”只是理论上的，因为积分或比例积分调节器在稳态时电容两端电压不变，相当于开路，运算放大器的放大系数理论上无穷大，所以才能在输入电压Un* = 0时，使输出电压UCt为任意值。实际上，这时的放大系数是运算放大器本身的开环放大系数，其数字虽大，还是有限的，因此仍存在着很小的ΔUn，也就是说，仍有很小的静差Δn，只是在一般精度要求下可以忽略不计而己。
2.5本章小结
本章讨论了改变电枢电压来实现调速控制是直流调速系统的可行方案。简要介绍了直流调速系统的两项重要调速指标：调速范围D与静差率s。系统的静差率是指最低转速时的静差率。系统的调速范围是指满足一定静差率条件下的调速比。两项指标同时关联，只有同时提出才有意义。
开环调速系统可实现较大范围的转速平滑调节，但静态速降大，机械特性不硬，当对调速精度有较高要求时不能满足具有一定静差率的调速范围的要求，需引入转速负反
馈，这样将负载扰动引起的静态速降减小为原系统的1/(1+K)，因而在一定静差率的调速范围扩大(1+K)倍，或者说在一定调速范围内减小了静差率。作用在闭环系统反馈环内主通道上的各个环节上的扰动都会受到闭环反馈调节作用的抑制，这些扰动作用最终造成的转速变化量都将被减小。
有静差调速系统其控制量与偏差成正比，只能减小偏差而不能消除它，其根本原因是采用了比例调节器。若换为PI调节器，则系统的控制量与调节过程中偏差对时间的积累成正比，稳态时偏差为零，依靠积分调节器的记忆作用保持一定的控制量，这样便成为无静差的调速系统。
第三章微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计
采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR, MOSFET、IGBT等电力电子器件组成的直流脉冲宽度(PWM)型的调速系统近年来己经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统(V-M系统)相比，在很多方面具有较大的优越性：(1)主电路线路简单，需用的功率元件少；(2)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；(3)低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；(4)系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；(5)主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高:(6)直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。
3.1转速、电流双闭环调速系统及其静特性
3.1.1问题的提出
由前面的分析可知，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起、制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
在单闭环调速系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截至负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形如图3-1所示。当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。
对于象龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下，希望充分利用电机允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形见图3-2，这时，起动电流呈方形波，而转速是呈线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图3-2所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该得到近似的恒流过程。问题是希一望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转矩负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳定转速后，又希一望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢?双闭环调速系统可以解决这个问题。
3.1.2转速、电流双闭环调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，如图3-3所示。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM调制器。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。
3.1.3稳态结构图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图3-3所示。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和：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，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总是为零。
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
(一)速调节器不饱和
这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此Un*=Un=αn和Ui*=Ui=βId
由第一个关系式可得：
从而得到图3-4静特性的n0 - A段。
与此同时，山于ASR不饱和，认Ui* (二)转速调节器饱和 这时，ASR输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 式中，最大电流Idm是设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(3-2)所描述的静特性是图3-4中的A-B段。这样的下垂特性只适合于n 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截至负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。 3.1.4各变量的稳态工作点和稳态参数计算 由图3-4 可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 上述关系表明，在稳态上作点上，转速n是由给定电压Un*决定的，ASR的输出量Ui*是由负载电流Idl决定的，而控制电压Uct的大小则同时取决于n和Id ,或者说，同时取决于Un*和Idl。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的 稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。 鉴于这一点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 两个给定电压的最大值Unm和Uim是受运算放大器的允许输入电压限制的。 3.2双闭环脉宽调速系统的动态性能 3.2.1动态数学模型 考虑到双闭环控制的结构可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图3-5所示。图中W ASR（S）和W ACR（S）分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电机的动态结构图中必须把电流Id显露出来。 3.2.2起动过程分析 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压Un*由静状态起动时，转速和电流的过渡过程如图3-6所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别以I、II、III。 题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真 已知：直流电动机：P N=60KW，U N=220V，I N=305A，n N=1000r/min,λ=2，R a=0.08, R rec=0.1, T m=0.097s, T l=0.012s, T s=0.0017s, 电枢回路总电阻R=0.2Ω。设计要求：稳态无静差，σ ≤5%,带额定负载起动到额定转速的转速超调σn≤10%。(要求完 i 成系统各环节的原理图设计和参数计算)。 系统各环节的原理图设计和参数计算，包括主电路、调节器、电流转速反馈电路和必要的保护等，并进行必要的计算。按课程设计的格式要求撰写课程设计说明书。 设计内容与要求：1、分析双闭环系统的工作原理 2、改变调节器参数，分析对系统动态性能的影响 3、建立仿真模型 1．双闭环直流调速系统的原理及组成 对于正反转运行的调速系统，缩短起,制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，是调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使 电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 为了使转速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，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器。从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外面，称做外环。这就形成了转速电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。 2．双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 姓名： 学号： 专业：电气工程及其自动化 日期：2015年12月23日 摘要 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 关键词：双闭环，转速调节器，电流调节器 双闭环直流调速系统的设计 双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE ，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 湖南科技大学 信息与电气工程学院 《课程设计报告》 题目：转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 任务书 题 目 转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计 时 间安排 2013年下学期17,18周 目 的： 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MATLAB 软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL 进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 要 求：电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间s T s 1.0≤，电流超调量%5%≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%30%≤n σ。 总体方案实现：主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT 构成H 型双极式控制可逆PWM 变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM 、逻辑延时环节DLD 、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD 和PWM 变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。 从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 指导教师评语： 评分等级：（ ） 指导教师签名： 目录页 第一章绪论 (2) 1-1课题背景，实验目的与实验设备 (2) 1-2国内外研究情况 (3) 第二章双闭环调速系统设计理论 (3) 2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统 (3) 2-2系统的静，动态性能指标 (4) 2-3非典型系统的典型化 (6) 2-4转速调节器和电流调节器的设计 (7) 第三章模型参数测定和模型建立 (9) 3-1系统模型参数测定实验步骤和原理 (9) 3-2模型测定实验的计算分析 (11) 3-3系统模型仿真和误差分析 (18) 第四章工程设计方法设计和整定转速，电流反馈调速系统 (22) 4-1 设计整定的思路 (22) 4-2 电流调节器的整定和电流内环的校正，简化 (23) 4-3转速调节器的整定和转速环的校正，简化 (25) 4-4系统的实际运行整定 (27) 4-5 关于ASR和ACR调节器的进一步探讨…………………………………… 33 第五章设计分析和心得总结 (34) 5-1实验中出现的问题 (34) 5-2实验心得体会 (35) 第六章实验原始数据 (38) 6-1建模测定数据 (38) 6-2 系统调试实验数据 (39) 第一章绪论 1-1课题背景，实验目的与实验设备 转速，电流反馈控制的调速系统是一种动静态特性优良的直流调速系统，它的控制规律是建立在经典控制规律的基础上的，用传递函数建立动态数学模型，并从传递函数模型和开环频域特性去总结其控制规律，用跟随和抗扰两个方面的指标去衡量它的动静态性能。转速，电流反馈控制的调速系统是一种串级系统，所以其整定系统参数的方法也借鉴了一般串级系统的差别，但又有不同于一般串级系统的。 本次实验的主要目的是针对一套调速系统（包括电源，电机，励磁回路等）建立模型并整定出带滤波的电流调节器和转速调节器参数，投入运行。实验正值暑期实践及国际交流周，我们将用两周的时间来完成参数测定实验，系统建模，调节器整定和系统投入运行。 本次实验的实验设备包括： 郑州航空工业管理学院 电力拖动自动控制系统课程设计 07 级电气工程及其自动化专业 0706073 班级 题目转速单闭环的直流拖动系统 姓名 学号 指导教师孙标 二ОО十年月日 电力拖动自动控制系统课程设计 一、设计目的 加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,并培养学生应用计算机辅助设计的能力。 二、设计任务 设计一个转速单闭环的直流拖动系统 题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要 目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ············································································错误!未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 - 转速、电流双闭环调速系统 班级：铁道自动化091 姓名：陈涛 指导老师：严俊 完成日期：2011-10-31 湖南铁道职业技术学院 目录 摘要 (3) 一、直流调速介绍 (4) 1、调速定义 (4) 2、调速方法 (4) 3、调速指标 (4) 二、双闭环直流调速系统介绍 (5) 1、转速、电流双闭环调速系统概述 (5) 2、转速、电流双闭环调速系统的组成 (6) 3、PI调节器的稳态特征 (7) 4、起动过程分析 (8) 5、动态性能 (11) 6、两个调节器的作用 (11) 三、总结 (12) 摘要 随着近代电力电子技术和计算机的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进，以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。 本文讲述的是转速、电流双闭环直流调速系统，通过学习使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、调速器的稳态特性和作用以及系统的动态特性有了一定的了解。该系统是在单闭环系统的基础上加以改进后完成的，通过对电力拖动自动控制系统的学习，我们里了解到转速、电流双闭环直流调速系统相对于单闭环调速系统的一些优势，它是通过转速反馈和电流反馈两个环节分别起作用的。 通过这次的学习，我懂得了很多，具有了通过运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力，在这次的论文中，我有一次重新学习了转速、电流双闭环直流调速系统，使我这一系统有了更进一步的了解。 转速、电流双闭环调速系统 一、直流调速介绍 1、调速定义 调速是指在某一具体负载情况下，通过改变电动据或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。 2、调速方法 1.调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无 级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 2.改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方 法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 3.改变电枢回路电阻 <。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 3、调速指标 1．调速范围（包括：恒转矩调速范围/恒功率调速范围）， 基础课程设计（论文） 直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 专业：电气工程及其自动化 指导教师：刘雨楠 小组成员：陈慧婷（20114073166） 石文强（20114073113） 刘志鹏（20114073134） 张华国（20114073151） 信息技术学院电气工程系 2014年10月20日 摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：直流可逆调速数字触发PWM 数字控制器 1引言 在工业生产中，许多生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度：例如，金属切削机床，由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同，速度就不同。另外轧钢机，因为轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。 生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速．在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。 目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。所以需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重研究其控制规律﹑性能特点和设计方法。首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成，接着说明该系统的静特性和动态特性，最后用工程方法设计转速与电流两个调节器。 在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，首先要具有较高的机电能量转换效率；其次应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。 2双闭环直流调速系统介绍 2.1闭环调速系统的组成 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。 图2.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图 上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而得出与被调量转速成正比的负反馈电压n U ，与 给定电压* n U 相比较后，得到转速偏差电压n U ，经过放大器A ，产生控制电压c U 输入到电 力电子变换器UPE 中，用来控制电动机转速n 。图中，UPE 是由电力电子器件组成的变换器，它的输入端接三相交流电源，输出为可控的直流电压d U 。 2.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成]2[ 采用PI 调节器组成速度调节器ASR 的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看，他已基本满足一般生产机械对调速的要求。但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等，单闭环系统还不能满足要求。有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时间，当然可用加大和过渡过程中的电流，即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈环节。它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。但它只能是在超过临界电流I 值以后， 实验三不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一．实验目的 1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。 2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。 二．预习要求 1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。 三．实验线路及原理 见图1-7。 四．实验设备及仪表 1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—31A组件 3．NMCL—33组件 4．NMEL—03组件 5．NMCL—18组件 6．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01 7．直流电动机M03 8．双踪示波器 9．万用表 五．注意事项 1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。 3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。 5．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g起动电机。 6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验内容 1．移相触发电路的 调试（主电路未通电） （a）用示波器观察 NMCL—33的双脉冲观 察孔，应有双脉冲，且间 隔均匀，幅值相同；观察 每个晶闸管的控制极、阴 极电压波形，应有幅值为 1V～2V的双脉冲。 （b）触发电路输出 脉冲应在30°～90°范围 内可调。可通过对偏移电 压调节单位器及ASR输 出电压的调整实现。例 如：使ASR输出为0V， 调节偏移电压，实现 α=90°；再保持偏移电压 不变，调节ASR的限幅 电位器RP1，使α=30°。 2．求取调速系统在 无转速负反馈时的开环 工作机械特性。 a．断开ASR的“3”至U ct的连接线，G（给定）直接加至U ct，且U g调至零，直流电机励磁电源开关闭合。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U uv、Uvw、Uwu=200V。 c．调节给定电压U g，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压U d，输出电流i d以及被测 燕山大学 CDIO课程项目研究报告 项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生： 指导教师： 日期： 2014年6月3日 目录 前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26) 前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。 项目分工：参数计算： 仿真： 电路设计： 电路焊接： PPT答辩： 摘要 《运动控制系统》实验报告 姓名： 专业班级： 学号： 同组人： 实验一 不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一、实验目的 1、了解转速单闭环直流调速系统的组成。 2、加深理解转速负反馈在系统中的作用。 3、研究直流调速系统中速度调节器ASR 的工作原理及其对系统静特性的影响。 4、测定晶闸管--电动机调速系统的机械特性和转速单闭环调速系统的静特性。 二、实验系统组成及工作原理 采用闭环调速系统，可以提高系统的动静态性能指标。转速单闭环直流调速系统是常用的一种形式。图1-1所示是不可逆转速单闭环直流调速系统的实验原理图。 图中电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式全控整流电路V 供电，通过与电动机同轴刚性联接的测速发电机TG 检测电动机的转速，并经转速反馈环节FBS 分压后取出合适的转速反馈信号U n ，此电压与转速给定信号U n *经速度调节器ASR 综合调节，ASR 的输出作为移相触发器GT 的控制电压U ct ，由此组成转速单闭环直流调速系统。 在本系统中ASR 采用比例—积分调节器，属于无静差调速系统。 图中DZS 为零速封锁器，当转速给定电压U n *和转速反馈电压U n 均为零时，DZS 的输出信号使转速调节器ASR 锁零，以防止调节器零漂而使电动机产生爬行。 RP 给定 图1-1 不可逆转速单闭环直流调速系统 三、实验注意事项 1. 直流电动机M03参数为：P N =185W ，U N =220V ，I N =1.1A ，n =1500r/min 。 2. 直流电动机工作前，必须先加上直流激励。 3. 系统开环以及单闭环起动时，必须空载，且不允许突加给定信号U g 起动电机，每次起动时必须慢慢增加给定，以免产生过大的冲击电流，更不允许通过突合主回路电源开关SW 起动电机。 4. 测定系统开环机械特性和闭环静特性时，须注意电枢电流不能超过电机额定值1A 。 5. 单闭环连接时，一定要注意给定和反馈电压极性。 四、实验内容 1、晶闸管--电动机系统开环机械特性及控制特性的测定 （1）连接晶闸管—电动机系统为开环控制，不必使用转速调节器ASR ，可将给定电压U g （开环时给定电压称为U g ，闭环后给定电压称为U n *）直接接到触发单元GT 的输入端（U ct ），电动机和测功机分别加额定励磁。 （2）测定开环系统控制特性时，须先使电动机空载（测功机负载回路开路），慢慢加给定电压U g ，使电动机转速慢慢上升至额定转速1500r/min ，在0~1500r/min 之间记录几组 （3）测定开环机械特性时，须先使电动机空载（测功机负载回路开路），慢慢加给定电压U g ，使电动机转速慢慢上升至额定转速1500r/min ，然后合上负载开关SL ，改变负载变阻器R g 的阻值，使主回路电流达到额定电流I N ，此时即为额定工作点（n =n N =1500r/min ，I d =I N =1A ）。然后减小负载变阻器R g 阻值，使主回路负载从额定负载减少至空载，记录几组转速 n 和负载转矩T 的数据，并在图1-3所示坐标系中画出开环机械特性曲线。 U g e 图1-2 开环控制特性曲线 图1-3 开环机械特性曲线 双闭环直流调速系统设计 内容摘要 电机自动控制系统广泛应用于各行业，尤其是工业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电.直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。有效地控制电机，提高其运行性能，具有很好的现实意义。本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理以及介绍变频调速技术的发展概况，变频调速技术的发展趋势关键词：双闭环控制系统，转速控制环，系统现状，发展趋势 英文翻译：Electrical automatic control system widely used in various industries, especially in industry. Most of the production machinery used in these industries motor as a prime mover. Effectively control electricity. Dc motor has a good start, braking performance, adaptable to smooth speed regulation in large scale, in many need to speed or fast forward and reverse has been widely used in the area of electric drive. Effectively control motor, improve its operation performance, has the very good practical significance. I ntroduced in this paper, based on the engineering design to the design of dc speed regulating system, the working principle of the double closed loop control system of dc speed regulating and also I ntroduce the development general situation and the development trend Key words: double closed loop control system, speed control loop, th e status quo，the development of trend 一：引言 矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。 近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21) ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。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。 以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。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。 通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个 ； 课程设计任务书 学生姓名：苌城专业班级：自动化0706 指导教师：饶浩彬工作单位：自动化学院 题目: 逻辑无环流直流可逆调速系统设计 初始条件： 1．技术数据： 晶闸管整流装置：R rec=Ω，K s=40。 / 负载电机额定数据：P N=，U N=230V，I N=37A，n N=1450r/min，R a=Ω，I fn=1.14A， GD2= 系统主电路：T m=，T l= 2．技术指标 稳态指标：无静差（静差率s≤2, 调速范围D≥10） 动态指标：电流超调量：≤5%，起动到额定转速时的超调量：≤8%，（按退饱和方式计算） 要求完成的主要任务: ？ 1．技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统静特性良好，无静差（静差率s≤2） (3) 动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤1s (4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 (5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施 2．设计内容： ! (1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 (2) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等） (3) 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求 (4) 绘制逻辑无环流直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书 时间安排： 课程设计时间为一周半，共分为三个阶段： （1）： （2）复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20% （3）根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40% （4）完成设计和文档整理。约占总时间的40% 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 】 第一章设计概述 一、课程设计的性质和任务： 本课程是电气自动化本科专业学生学习完《直流调速系统》或《电力拖动控制系统》课程后进行的一个重要的独立性实践教学环节。其任务是通过设计双闭环直流调速系统的全过程，培养学生综合应用所学的直流调速知识去分析和解决工程实际问题的能力，帮助学生巩固、深化和拓展知识面，使之得到一次较全面的设计训练，为毕业设计和实际工程设计奠定基础。 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是一种典型的自动控制系统。这种调速系统只有两个调节器，即速度调节器（ASR）和电流调节器(ACR)，两个调节器作串级连接，其中速度调节器的输出信号作为电流调节器的输入信号，从而形成一环套一环的转速、电流双闭环结构。这种转速、电流双闭环调速系统，在突加转速给定信号的过程中表现为一个恒电流加速系统，而在稳态和接近稳态的运行中又表现为一个无静差调速系统，因此各项性能指标较系统开环时提高许多。 本此课程设计的目的就是同学们在调试、设计一个典型的调速系统后，能够掌握自控系统调试、设计的方法，步骤及其调试原则，加强同学们的动手能力和对理论知识的理解。 自控系统调试所遵循的原则： 先部分，后系统：即首先对系统的各个单元进行调试，然后再对整个系统进行调试。 先开环，后闭环：即首先进行开环调试，然后再对系统闭环进行调试。 先环，后外环：即首先对环进行调试（如在本此调试中就应先对电流环进行调试）,然后再对外环进行调试（如本此调试中的速度环调试）。 本次系统调试是在DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行。整个调试完成后要求系统达到以下指标： 二、DJDK-1 型电力电子技术及电机控制实验装置简介 1 装置特点 (1)设计装置采用挂件结构，可根据不同设计容进行自由组合。 (2)装置连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电回路，造成设备损坏。 (3)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，分别设有电压型和电流型漏电保护装置，保护操作者的安全。 (4)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。 图2-1 DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置 2 装置技术参数 (1)输入：电压三相四线制，380V±10%，50Hz。 (2)工作环境：环境温度围为－5～40℃，相对湿度 < 75%，海拔高度 < 1000m。 (3)装置容量：＜1.5kVA (4)电机输出功率：＜200W 3 DJK01电源控制屏 题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要 目录 第一章中文摘要 ·························································································································- 1 -第二章英文摘要 ·····························································································错误！未定义书签。第三章课程设计的目的和意义 ··································································································- 1 -1．电力拖动简介····················································································································- 1 - 2.课程设计的目的和意义 ·······································································································- 2 -第四章课程设计内容··················································································································- 2 -第五章方案确定 ·························································································································- 3 - 5.1方案比较的论证·············································································································- 3 - 5.1.1总体方案的论证比较···························································································- 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较·······················································································- 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较 ···················································································- 6 -第六章主电路设计 ·····················································································································- 7 - 6.1主电路工作设备选择 ·····································································································- 7 -第七章控制电路设计··················································································································- 8 -第八章结论······························································································································· - 11 -第九章参考文献 ······················································································································· - 11 -双闭环直流调速系统
双闭环直流调速系统
转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计(课程设计完整版)
双闭环调速系统课程设计
转速单闭环直流调速系统设计
双闭环直流调速系统
直流PWMM可逆调速系统的设计与仿真
双闭环直流调速系统
不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
H桥可逆直流调速系统设计与实验(1)
实验1：不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究(B5参考格式)
双闭环直流调速系统工作原理
直流电机双闭环调速系统设计.
逻辑无环流直流可逆调速系统设计
双闭环直流调速系统设计说明
题目：单闭环不可逆直流调速系统设计