电机及其运动控制系统课程设计说明书

北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-0-北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书题目：双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计学院：自动化学院专业：自动化姓名：刘晓乐学号：40950158指导教师：潘月斗2012年05月18日北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-1-电机及其运动控制系统课程设计说明书题目:双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计英文题目:DesignofACRandACRoftheMainCircuitofDoubleClosedLoopV-MSpeedControlSystem学院:自动化学院专业:自动化班级:电092学生:刘晓乐学号:40950158指导教师:潘月斗职称:副教授北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-2-摘要本设计简单介绍了双闭环调速系统的原理和动态结构，并基于相关原理，根据设定的电机参数等已知条件和要求按工程设计方法对双闭环调速系统主回路及其保护系统、转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）及其限幅电路进行设计，并对该系统的调节器有关参数进行了计算。最终完成了双闭环V-M调速系统的主电路以及电流、转速调节器的设计，并用Simulink进行了仿真验证，总结了设计心得。关键词：双闭环；调速系统；ASR；ACR；设计；计算；Simulink仿真北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-3-目录摘要…………………………………………………………………………………….2目录…………………………………………………………………………………….3课程设计任务书…………………………………………………………………………….4引言…………………………………………………………………………………….6双闭环调速系统…………………………………………………………………………….7系统各环节设计及参数计算……………………………………………………………….10系统主回路及控制电路设计……………………………………………………………….14Simulink仿真……………………………………………………………………………….22组态监控人机界面设计…………………………………………………………………….31设计心得…………………………………………………………………………………….32参考文献…………………………………………………………………………………….33北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-4-课程设计任务书一、设计题目双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计二、具体内容（1）主回路及其保护系统的设计；（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；三、已知条件及直流电机相关参数采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机NU=220V，NI=136A，Nn=1460r/min，电枢电阻aR=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置sT=0.00167s，放大系数sK=40；平波电抗器：电阻1.0PR、电感mHLP4；电枢回路总电阻R=0.5Ω；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5N·m2；电流调节器最大给定值imU=10.2V，转速调节器最大给定值nmU=10.5V；电流滤波时间常数oiT=0.002s，转速滤波时间常数onT=0.01s。设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量%5i；空载启动到额定转速的转速超调量%10n。四、设计要求1.写出设计说明书，内容包括（1）各主要环节的工作原理；（2）整个系统的工作原理；（3）调节器参数的计算过程。2.画出一张详细的电气原理图北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-5-3.采用MATLAB中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-6-引言电机自动控制系统广泛应用于机械、矿冶、石油、化工、纺织和军工等行业，这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机从而提高其运行性能对国民经济具有十分重要的现实意义。自上个世纪40年代以来约半个世纪的时间里，直流电动机几乎是唯一能实现高性能拖动控制的电动机，其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、优异的控制性能和高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。本课程设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到参数指标要求的电力拖动系统的调节器，并应用MATLAB软件中的Simulink模块对设计的系统进行仿真和校正以最终满足预设指标的目的。采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差，如果附带电流截止负反馈作限流保护则可以限制电流的冲击，但并不能控制电流的动态波形。我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间，这一点利用单一的电流截止负反馈是很难实现的。此外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，使各参数间相互影响，将导致难于进行调节器的参数调控。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。为了解决单闭环调速系统存在的问题，可以采用转速、电流串级调速系统，即转速电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。这就是本次课程设计需要完成的任务。北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-7-1.双闭环调速系统1.1概述在许多应用场合，为了充分发挥生产机械的效能提高生产率，速度控制系统经常处于起动、制动、反转以及突加负载等过渡过程中，所以要求速度控制系统有较好的动态性能。对高性能、静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性（起制性）、较好的抗干扰性和高可靠性（可瞬态过载但不过电流）。因此引入了转速、电流双闭环调速体统。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。转速负反馈和比例积分调节器的单闭环调速系统能够保证系统在稳定的条件下实现转速无静差调节，但是该控制系统也有自身的缺点，比如要求快速启动、突加负载动态速降等。将电流截止负反馈环节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。从工作原理上分析，它只能是在超过临界电流值以后，才能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。由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，所以在工业生产中，如龙门刨床、可逆轧钢机等要求经常正反转运行的调速系统为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短起、制动过程的时间。为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，经论证与实践，采用转速、电流双闭环调速系统就能达到上述要求。1.2系统组成及原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，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。二者之间实行嵌套链接，如图1所示为转速、电流双闭环调速系统的结构原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把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去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-8-为获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器，这样就构成了双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值和最小触发角α。1.3系统的静特性与动特性静特性：在正常负载情况下，转速调节器不饱和，电流调节器也不饱和。稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入电压偏差电压都是零，因此，系统具有绝对硬的静特性。北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-9-当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当Id上升到一定数值时，转速调节器的输出达到限幅值，转速环失去调节作用，呈开环状态，速度的变化对系统不再产生那个影响，此时只剩下电流环起作用。双闭环直流调速系统稳态结构图如图3所示：动特性：双闭环调速系统的动态结构如图4所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-10-2.系统各环节设计及参数计算2.1电流环的设计（1）确定时间常数①电流环小时间常数iT：由于已给0.002oiTs,因此iT=s+oiT=0.00367s；②电枢回路时间常数lT：lT=L/R=0.015/0.5=0.03s。（2）确定电流调节器结构和参数①结构选择根据性能指标要求:5%i,0.038.17100.00367liTT,抗干扰性能适中,因此电流环按典型型系统设计，调节器选用PI,其传递函数为(1)()iiACRiKsWss②参数计算为了将电流环校正成典型I型系统，τi应对消控制对象中的大惯性环节时间常数T1，即取τi=T1=0.03s；为了满足σi≤5%的要求，应取Kop，iT∑i=0.5，因此，有Kop，i=1/2T∑i=1/2*0.00367=136.2s-1于是可以求得ACR的比例放大系数为Ki=Kop，iτiR/βKs=136.2*0.03*0.5/0.05*40=1.022校验近似条件：a．晶闸管整流装置传递函数近似条件wci≤1/3Ts，wci=Kop，i=136.2s-1，而1/3Ts=199.6s-1显然满足近似条件；b．电流环小时间常数近似处理条件wci≤1/3(1/TsToi)1/2，而1/3(1/TsToi)1/2=182.4s-1wci，显然也满足近似条件。③忽略反电动势对电流环影响的条件lmciTT13北京科技大学电机及其运动控制系统课程设计说明书-11-由于NU2201360.2Ce=0.132min/1460NaNIRVrn，30/meCC；所以，2222.50.50.183753750.13230memGDRTsCC；因此，。查表1（典型Ⅰ型系统参数与动态跟随性能指标的关系），设计后电流环可以达到的动态指标为i=4.3%5%,满足设计要求。表1典型Ⅰ型系统参数与动态跟随性能指标的关系参数关系KT0.250.310.390.50.691.01.56足迹系数1.00.90.80.7070.60.50.4上升时间rt11.1T6.66T4.71T3.32T2.42T1.73T超调量00.15%1.52%4.43%9.4816.3%25.4%截止频率c0.243/T0.299/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T1.068/T相