运动控制课程设计

程设计

评语： 考勤（10） 守纪（10） 过程（40）

设计报告（30）答辩（10） 总成绩（100）

专 业： 自动化 运动控制课程设计报告

班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师：

自动化与电气工程学院

2016年 10 月 20 日

运动控制课程设计报告

直流双环系统的设计及仿真分析

1初始条件

电动机参数为：PN200W,UN48V,IN3.7A,nN200r/min ，电枢电阻

Ra6.5，电枢回路总电阻R8，允许电流过载倍数2，电势系数Ce0.12Vmin/r，电磁时间常数Tl0.015s，机电时间常数Tm0.2s，电流反

馈滤波时间常数Toi0.001s，转速反馈滤波时间常数Ton0.005s，调节器输入输

**UimUcm10V，调节器输入电阻R040k，电力晶体管的开关频出电压Unm率f1kHz，PWM环节的放大倍数Ks4.8。设计指标：稳态无静差，电流超调量i5%；空载起动到额定转速时的转速超调量n20%，过渡过程时间

ts0.1s。

2转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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（或称串级）联接。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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

3转速电流双闭环直流调速系统调节器的设计

3.1转速和电流两个调节器的作用

3.1.1 转速调节器的作用

*(1)转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速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，则可实现无静差。 (2)对负载变化起抗扰作用。

(3)其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 3.1.2电流调节器的作用

(1)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

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其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。 (2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 (4)当电机过载甚至堵转时，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。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

3.2电流调节器的设计

3.2.1确定时间常数

因为f1kHz，所以取： Ts0.001s 电流滤波时间常数：Toi0.001s

电流环小时间常数：TiTsToi0.002s

3.2.2选择电流调节器结构

根据设计要求：电流超调量i5%，且

Tl0.0157.510 Ti0.002电流环设计为典I系统，选择PI调节器，其传递函数为WACRsKi3.2.3选择电流调节器参数

ACR超前时间常数： iTl0.015s，

is1 is电流开环增益：要求电流超调量i5%，所以应取TiKi0.5，所以

KI0.50.5250 Ti0.002ACR的比例系数为：KiKI3.2.4校验近似条件

iR0.01582504.63 Ks1.354.8 2

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电流环截止频率:ciKI250s1 (1)晶闸管装置传递函数近似条件：ci1 3Ts

11333.3s1ci，满足近似条件。 3Ts30.001(2)忽略反电动势对电流环影响的条件：ci31 TmTl311354.7s1ci，满足近似条件。 TmTl0.20.01511

3TsToi(3)小时间常数近似处理条件：ci1111333.3s1ci。满足近似条件。

3TsToi30.0010.0013.2.5调节器的电阻电容：因为R040K，则

RiKiR04.6340K185.2K， 近似取 Ri185K。

CiiRi0.015106F0.081F，取0.08F。 318510Coi4Toi40.001106F0.1F。取0.1F。 3R040103.3 转速调节器的设计

3.3.1确定时间常数

电流环等效时间常数2Ti0.004s

转速滤波时间常数Ton0.005s

转速环小时间常数Tn2TiTon0.009s

3.3.2选择转速调节器结构

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由于设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节;故ASR选择PI调节器，传递函数为 WASR(s)Kn3.3.3选择转速调节其参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则， 取h=5，则ASR的超前时间常数为: nhTn50.0090.045s

转速环开环增益:KNns1 nsh1621481.5s 2222hTn2250.009(h1)CeTm61.350.120.25.4

2hRTn100.0580.009所以，ASR的比例系数为:Kn3.3.4校验近似条件

转速环截止频率：cnKNn1481.50.04566.7s1 (1)电流环传递函数简化条件：cn1 5Ti

11100s1cn，满足简化条件。 5Ti50.00211

32TiTon(2)小时间常数近似处理条件：cn

111174.5s1cn，满足条件。

32TiTon320.0020.0053.3.5计算调节器的电阻和电容

R040K，RnKnR05.440216K，可近似取220K。

CnnRn0.045610F0.20F，取0.20F。322010 4

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Con4Ton40.005106F0.5F，取0.5F。 3R040103.3.6校验转速超调量

CmaxnnomTn n%(%)2(z)CbnTm当h=5时，

CmaxIR3.78%81.2%，而nnomdnom246.7r

minCbCe0.12所以n%81.2%22246.70.00918.0%20%，满足要求。 2000.24 系统仿真与分析

4.1系统仿真原理图

Matlab接成图如图1所示。

图1双闭环直流调速系统仿真原理图

4.2系统仿真结果图

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双闭环直流调速系统的转速仿真波形如图2。

图2双闭环直流调速系统的转速仿真波形图

双闭环直流调速系统的电流仿真波形如图3。

图3双闭环直流调速系统的电流仿真波形图

从波形中也可以看出，在启动中转速调节器经历了不饱和，饱和，退饱和三种情况，整个动态过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。第一阶段突加电压，电枢电流迅速上升，速度调节器的输入很快达到限幅值。第二阶段，ASR始终饱和，转速环相当于开环，保持电流恒定，拖动系统

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恒加速，转速线形增加。第三阶段，当转速达到给定值之后，转速调节器和电流调节器的给定电压与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调之后，转速调节器输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线形调节阶段，使速度恒定不变，实际仿真结果基本上符合理论分析。

参考文献

[1] 阮毅,陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009. [2] 李华,范多旺,侯涛等. 计算机控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007. [3] 薛定宇,王一玲. 控制系统计算机辅助设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012. [4] 滕青芳,范多旺,董海英. 自动控制原理[M]. 北京: 机械工业出版社, 2015. [5] 曾毅,陈阿莲. 运动控制系统工程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.

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