拖動系統(tǒng)課程設(shè)計報告課件

1、浙江理工大學(xué)拖動系統(tǒng)課程設(shè)計拖動系統(tǒng)課程設(shè)計報告書題目：直流電機速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真專業(yè)：自動化姓名：顧鏞學(xué)號：2014330301135指導(dǎo)教師：雷美珍 郭亮浙江理工大學(xué)本科課程設(shè)計任務(wù)書課題名稱直流電機速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真主要任務(wù)與目標(biāo)某PWM斬波電路供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，H橋斬波電路采用雙極性PWM電路，基本數(shù)據(jù)如下：直流電動機：電樞電為3.4，電感：0.0604，勵磁電阻220，勵磁電感為0，互感為0.797，轉(zhuǎn)動慣量0.014，勵磁電壓110V，電樞電壓140V；電流反饋系數(shù)：0.08；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：0.005。一、該同學(xué)的主要任務(wù)1、查找文獻(xiàn)，了解直

2、流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的的應(yīng)用;2、設(shè)計直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，并設(shè)計出相應(yīng)的電路原理圖；3、建立SIMULINK電氣仿真模型；4、設(shè)計PID算法，對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載試驗、抗干擾試驗；二、目標(biāo)1、建立直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；2、設(shè)計PID算法，調(diào)試參數(shù)，使電流超調(diào)量小于5%；3、轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10%。4、要求最大啟動電流不超過在10A。主要內(nèi)容與基本要求本課題主要研究直流電動機的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，該同學(xué)主要工作是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真試驗分析?；緝?nèi)容：1、設(shè)計直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)總體方案；2、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計；4、分別對空載、負(fù)載、擾動工況進(jìn)行仿

3、真模擬；基本數(shù)據(jù)要求：1、 空載時，給定速度分別為2000r/min、1000r/min，記錄此時的實際速度和實際電流波形；2、 給定速度為500r/min，空載啟動后，在1S時加載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1N.m，記錄此時的實際速度和實際電流波形。主要參考資料一、主要參考文獻(xiàn)1、基于C語言編程MCS-51單片機原理與應(yīng)用；張培仁，清華大學(xué)出版社；2、電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)，吳守，機械工業(yè)出版社；3、電力電子技術(shù)，浣喜明，高等教育出版社；4、電動機的單片機控制，王曉明，北京航空航天出版社；5、電機與拖動基礎(chǔ)，李發(fā)海，清華大學(xué)出版社計劃進(jìn)度：序號內(nèi)容1任務(wù)布置與介紹2系統(tǒng)總體方案設(shè)計3硬件系統(tǒng)建模4直流

4、電機數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)5PWM算法設(shè)計6電流調(diào)節(jié)器設(shè)計7速度調(diào)節(jié)器設(shè)計8仿真調(diào)試與試驗9撰寫課程設(shè)計報告10答辯實習(xí)地點指導(dǎo)教師簽 名年 月 日摘要以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用Matlab的Simulink工具箱對直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究。采用面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的方法建立了系統(tǒng)模型，結(jié)合SimPowerSystems工具箱，對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，以及合理的PID算法，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，對空載、負(fù)載、擾動工況下的結(jié)果波形進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，對負(fù)載變化和電網(wǎng)電壓的波動都能起抗擾作用，且能夠在電動機過載時起到快速的自我保

5、護(hù)作用。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；直流電機；Simulink 目錄1.直流電機速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理52.直流電機速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計52.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計 5 2.2 硬件電路設(shè)計.62.3電流調(diào)節(jié)器設(shè)計62.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計93.直流電機速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真103.1開環(huán)系統(tǒng)仿真實驗103.2電流單閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗143.3速度電流雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗154.總結(jié)205.參考文獻(xiàn)20正文1.直流電機速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理直流調(diào)速是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及速度檢測環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和速度環(huán)，前者通過電流原件的反饋作用

6、穩(wěn)定電流，候著通過速度檢測原件的反饋作用保持速度穩(wěn)定，最終小車速度偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和速度的目的。該系統(tǒng)啟動時，速度外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動電流保持最大值，使速度線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，速度負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使速度給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨速度外環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負(fù)載電流。2.直流電機速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.2 硬件電路設(shè)計圖1圖2圖三圖1，圖2，圖3分別為驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形它們之間的關(guān)系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0tton時，Uab= Us，電樞電流i

7、d沿回路1流通；當(dāng)tontT/2,則Uab的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等，t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動機停止。圖2、圖3所示的波形是電動機正轉(zhuǎn)時的情況。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為： 若占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：=2-1就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01，相應(yīng)的，=（-1）（+1）。當(dāng)1/2時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)Ti，所以選擇i=Tl，用調(diào)節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數(shù)極點，以便校正成典型一型系統(tǒng)，因此令轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KI=KiKsiR=KiKsTlR則Wopis=KIs(T

8、is+1)給定電流超調(diào)量i5%，選取KITi=0.5，則KI=ci=12Ti，再根據(jù)KI=KiKsiR=KiKsTlR，得到Ki=TlR2KsTi2.4 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它是轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則刻實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。把轉(zhuǎn)速環(huán)給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，并將給定信號改成Un* ，再把時間常數(shù)為1KI和Ton兩個小慣性換屆合并起來，近似成一個時間常數(shù)為Tn 的慣性環(huán)節(jié)，其中Tn=1KI+Ton采用PI型的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其傳遞

9、函數(shù)可以寫成WASRs=Kn（ns+1）ns則開環(huán)傳遞函數(shù)為Wns=Kn（ns+1）nsRCeTm(TN+1)令轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KN=KnRnCeTm則Wns=KN（ns+1）s2(TNs+1)按照典型二型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，有n=hTnKN=h+12h2Tn2Kn=（h+1）CeTm2hRTn中頻寬h要看動態(tài)的要求決定，一般選擇h=5。3 直流電機速度電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真3.1開環(huán)系統(tǒng)仿真實驗 （1.1）空載轉(zhuǎn)速（1.2）空載電流（1.3）空載轉(zhuǎn)矩分析：空載時，系統(tǒng)在2s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)，轉(zhuǎn)速無超調(diào)（2.1）加載轉(zhuǎn)速（2.2）加載電流（2.3）加載轉(zhuǎn)矩分析：在1s時加負(fù)載后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速比空

10、載時減小，電流和電磁轉(zhuǎn)矩不再為零，而與輸入負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)。（3.1）減載轉(zhuǎn)速（3.2）減載電流（3.3）減載轉(zhuǎn)矩分析：1s后減載，轉(zhuǎn)速突然上升，電流和電磁轉(zhuǎn)矩突然減小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間與加載情況相同，但穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速要比加載時高，電流和電磁轉(zhuǎn)矩比加載時小。3.2 電流單閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗（1.1）階躍輸入：0.56；電流環(huán)Kp=5，Ki=50（1.2）階躍輸入：0.56；電流環(huán)Kp=5，Ki=5電流環(huán)Kp=5，Ki=503.3 速度電流雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗(1)負(fù)載轉(zhuǎn)矩：3Nm，給定轉(zhuǎn)速：1500rad/min， 轉(zhuǎn)速環(huán)KP=20，Ki=120；電流環(huán)KP=5，Ki=50；(2)負(fù)載轉(zhuǎn)矩：3Nm，給定轉(zhuǎn)速：

11、1000rad/min， 轉(zhuǎn)速環(huán)KP=20，Ki=120；電流環(huán)KP=5，Ki=50；(3)負(fù)載轉(zhuǎn)矩：3Nm，給定轉(zhuǎn)速：1000rad/min， 轉(zhuǎn)速環(huán)KP=150，Ki=120；電流環(huán)KP=5，Ki=50；(4)負(fù)載轉(zhuǎn)矩：3Nm，給定轉(zhuǎn)速：1000rad/min， 轉(zhuǎn)速環(huán)KP=20，Ki=10；電流環(huán)KP=5，Ki=50；分析：第一階段（0約0.01s）是電流上升階段：突然給定電壓Un*后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id都上升，但是在Id沒有達(dá)到負(fù)載電流IdL以前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)IdIdL后，電動機開始啟動，由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電

12、壓（Un=Un*-Un）的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值Uim*，強迫電樞電流Id迅速上升。直到IdIdm，UiUim*，電流調(diào)節(jié)器很快壓制了Id的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第二階段（約0.01s0.43s）是恒流升速階段：在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒流給定Uim*下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長，是啟動過程中的主要階段。第三階段（約0.43s后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值n*時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維

13、持在限幅值Uim*，所以電動機仍然在加速，是轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它退出飽和狀態(tài)，Ui*和Id很快下降，但是，只要Id仍大于負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升，直到Id=IdL，轉(zhuǎn)矩Te=TL,則dndt=0，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值。此后，在時間內(nèi)，IdIdL，電動機開始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)態(tài)。在最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR力圖使Id盡快地跟隨其給定值Ui*。將（2）與（3）對比，可以看出增大轉(zhuǎn)速環(huán)的比例作用，使轉(zhuǎn)速超調(diào)量減小，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，震蕩加??；將（2）與（4）對比，可以看出增大轉(zhuǎn)速環(huán)的積分作用，使轉(zhuǎn)速超調(diào)量減小，消

14、除余差，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。4.總結(jié)4.1轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)按線性系統(tǒng)計算轉(zhuǎn)速超調(diào)量時，當(dāng)h選定后，不論穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*多大，超調(diào)量的百分?jǐn)?shù)都是一樣的。4.2反電動勢對轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)速超調(diào)量的影響反電動勢的動態(tài)影響對于電流環(huán)說是可以忽略的；對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說，忽略反電動勢的條件就不成立了。由于反電動勢的影響只會使轉(zhuǎn)速超調(diào)量更小，所以可以不考慮。4.3電流環(huán)抗干擾性能由于電流環(huán)的存在，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗干擾性能大有改善。系統(tǒng)對負(fù)載的大幅度突變也有良好的抗擾能力當(dāng)擾動作用發(fā)生時，系統(tǒng)在0.02秒時間內(nèi)就可以達(dá)到穩(wěn)定，可見其響應(yīng)速度非?？臁?.4轉(zhuǎn)速環(huán)抗干擾性能由于負(fù)載擾動在電流環(huán)之后，因此只能靠ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。負(fù)載擾動可以通過轉(zhuǎn)速反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，抗干擾性能大有改善。系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓大幅度突變也有良好的抗擾能力。4.5體會本次設(shè)計的是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，在設(shè)計中，我對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成、數(shù)學(xué)模型、靜態(tài)特性、動態(tài)特性有了總體的認(rèn)識，并對調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法有了本質(zhì)上的把我，從而才具備了清洗的設(shè)計思路來完成本次設(shè)計。該系統(tǒng)是在單閉環(huán)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)后完成的，通過對電力拖動自動控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，我了解到了單閉環(huán)系統(tǒng)在應(yīng)用鐘存在不足，為了彌補這個不足，我們引入了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，它是通過