1、精選優質文檔-傾情為你奉上重慶大學本科學生課程設計（論文）運動控制系統課程設計報告直流可逆調速系統設計指導教師： XXX學 生： XXX學 號： XXX專 業： 自動化班 級： 02班 設計日期： 2014.9.222014.9.29重慶大學自動化學院2014年9月專心-專注-專業課程設計指導教師評定成績表項目分值優秀(100>x90)良好(90>x80)中等(80>x70)及格(70>x60)不及格(x<60)評分參考標準參考標準參考標準參考標準參考標準學習態度15學習態度認真，科學作風嚴謹，嚴格保證設計時間并按任務書中規定的進度開展各項工作學習態度比較認真，科

2、學作風良好，能按期圓滿完成任務書規定的任務學習態度尚好，遵守組織紀律，基本保證設計時間，按期完成各項工作學習態度尚可，能遵守組織紀律，能按期完成任務學習馬虎，紀律渙散，工作作風不嚴謹,不能保證設計時間和進度技術水平與實際能力25設計合理、理論分析與計算正確，實驗數據準確，有很強的實際動手能力、經濟分析能力和計算機應用能力，文獻查閱能力強、引用合理、調查調研非常合理、可信設計合理、理論分析與計算正確，實驗數據比較準確，有較強的實際動手能力、經濟分析能力和計算機應用能力，文獻引用、調查調研比較合理、可信設計合理，理論分析與計算基本正確，實驗數據比較準確，有一定的實際動手能力，主要文獻引用、調查調研

3、比較可信設計基本合理，理論分析與計算無大錯，實驗數據無大錯設計不合理，理論分析與計算有原則錯誤，實驗數據不可靠，實際動手能力差，文獻引用、調查調研有較大的問題創新10有重大改進或獨特見解，有一定實用價值有較大改進或新穎的見解，實用性尚可有一定改進或新的見解有一定見解觀念陳舊論文(計算書、圖紙)撰寫質量50結構嚴謹，邏輯性強，層次清晰，語言準確，文字流暢，完全符合規范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖紙非常工整、清晰結構合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準確，文字流暢，符合規范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖紙工整、清晰結構合理，層次較為分明，文理通順，基本達到規范化要求，書寫比較工整

4、；圖紙比較工整、清晰結構基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強達到規范化要求；圖紙比較工整內容空泛，結構混亂，文字表達不清，錯別字較多，達不到規范化要求；圖紙不工整或不清晰指導教師評定成績：指導教師簽名： 年 月 日自動化學院2011級自動化專業運動控制系統課程設計任務書一、課程設計的教學目的和任務運動控制系統是通過控制電動機電壓、電流、頻率等輸入量，來改變工作機械的轉矩、速度、位移等機械量，使各種工作機械按人們期望的要求運行，以滿足生產工藝及其他應用的需要。在電力、工業、交通、航空航天等很多領域具有廣泛的應用。運動控制技術不但本身是一項高新技術，而且還是其它多項高新技術發展的基礎。因此，提

5、高學生的運動控制系統綜合設計和應用能力是教學計劃中必不可少的重要一環。通過運動控制系統的課程設計達到以下幾個目的：1、培養學生文獻檢索的能力，特別是利用互聯網檢索文獻資料的能力。2、培養學生綜合分析問題、發現問題和解決問題的能力。3、培養學生運用知識的能力和工程設計的能力。4、提高學生的運動控制系統分析和設計能力。5、提高學生課程設計報告撰寫水平。二、課程設計的基本要求1、在整個設計中要注意培養靈活運用所學的運動控制系統相關知識和創造性的思維方式以及創造能力。課程設計從確定方案到系統設計要求有理有據，仿真過程要求圖文并茂，論證充分。2、在整個設計中要注意培養獨立分析和獨立解決問題的能力。要求學

6、生在教師的指導下，獨力完成課程設計的所有內容，嚴禁抄襲。3、課題設計報告要求嚴格按照課程設計排版要求規范格式，且文字通順，邏輯性強。4、課題設計報告內容部分字數要求為6000字左右。（A4紙打印8頁左右）三、參考資料 1、阮毅, 陳伯時.電力拖動自動控制系統運動控制系統（第4版）. 北京: 機械工業出版社, 20092、洪乃剛. 電力電子、電機控制系統的建模和仿真. 北京: 機械工業出版社, 20103、林飛, 杜欣. 電力電子應用技術的MATLAB仿真. 北京: 中國電力出版社, 20084、顧春雷等，電力拖動自動控制系統與MATLAB仿真，清華大學出版社，2011四、課程設計的工作計劃課程

7、設計時間總共5天。1、參考相關資料，消化設計內容（1天）；2、按要求完成設計任務（2.5天）；3、按課程設計的規范要求撰寫設計報告（1.5天）。五、備選題目1. 帶電流截止負反饋環節的直流調速系統設計為了解決轉速反饋閉環調速系統起動和堵轉時電流過大的問題，可以通過引入電流截止負反饋使得系統在電流大到保護閾值時自動限制電樞電流，而在正常的穩速運行時，電流自動隨著負載的增減而變化。本課程設計內容要求學生設計一個帶電流截止負反饋環節的直流調速系統，并基于Matlab/Simulink建立其仿真模型，分析電流截止負反饋功能對系統動、靜態特性的影響。主要設計內容：（1） 查詢文獻資料或者結合某具體應用背

8、景，自選直流電動機及電樞電路的參數，并設定系統預期性能指標（如調速范圍及靜差率等）及電流截止保護閾值；（2） 確定直流電源方案及電流負反饋方案，繪制系統結構框圖，并進行相關參數計算；（3） 控制器選型及控制參數設計；（4） 建立系統仿真模型，驗證設計結果并進行仿真分析。主要分析內容：（1） 采用比例控制器，分析額定負載下的系統在階躍給定下的控制器輸出電壓、電樞電流以及輸出轉速的響應特性，分析穩態誤差并與理論計算結果相比較，分析比例控制系數Kp對系統穩定性的影響并驗證理論臨界放大系數；分析系統起動過程及過載情況下，電流截止負反饋功能對電樞電流的抑制效果。（2） 采用比例積分控制器，分析額定負載下

9、的系統在階躍給定下的控制器輸出電壓、電樞電流以及輸出轉速的響應特性；分析系統起動過程及過載情況下，電流截止負反饋功能對電樞電流的抑制效果，并與比例控制器下的結果進行對比。2. 轉速、電流雙閉環直流調速系統設計在許多生成過程中，由于加工和運行的需要，電機經常處于起動、制動、反轉的過渡過程，而過渡過程的時間長短在很大程度上決定了生產機械的生產效率。為了縮短時間，可以采用轉速、電流雙閉環直流調速系統來獲得良好的靜、動態性能。本課程設計內容要求學生設計一個轉速、電流雙閉環的直流調速系統，并基于Matlab/Simulink建立其仿真模型，以此研究不同控制器參數下電機的起動、制動過程。主要設計內容：（1

10、） 查詢文獻資料或者結合某具體應用背景，自選直流電動機及電樞電路的參數，并設定系統預期性能指標（如上升時間、超調量、峰值時間和調節時間等）；（2） 確定直流電源方案及閉環反饋方案，繪制系統結構框圖，并進行相關參數計算；（3） 控制器選型及控制參數設計；（4） 建立系統仿真模型，驗證設計結果并進行仿真分析。主要分析內容：（1） 額定負載下，分析電機從靜止到額定轉速的起動過程，包括兩個控制器輸出電壓、電樞電流以及輸出轉速的響應特性，列寫出上升時間、超調量、峰值時間和調節時間等指標參數，并與預期值進行對比；分析電機制動過程中兩個控制器輸出電壓、電樞電流以及輸出轉速的響應特性。（2） 分析兩個控制器的

11、比例、積分參數對輸出轉速的影響，并選擇一組合適參數用于分析電網電壓、負載電流對電樞電流、輸出轉速的影響。3. 直流可逆調速系統設計實現直流電機的正向與反向旋轉，是大多數直流調速系統的基本要求。對于動態性能要求較高的調速系統（例如目標追蹤系統），還會要求系統有應用所需的轉速反向能力。本課程設計要求學生設計一個可以實現正反轉切換的調速系統，該系統能夠實現在電機額定負載下，對于拖動性負載，由正向額定轉速到反向額定轉速的快速變化。所需電動機請從Z4直流電機系列中選擇。調速系統的基本結構必須基于轉速-電流雙閉環結構。需對如下部分給出設計計算方案：（1） 控制系統結構（2） 控制器參數（3） 相應的驅動電

12、源并基于Simulink建立直流可逆調速系統仿真模型，并著重對轉速反向動態過程進行分析。需要仿真分析說明系統在額定負載下，從正向額定轉速變化到方向額定轉速的過程中，以下相關量的動態變化情況：（1） 系統給定值的變化；（2） 電機轉速的變化（3） 電樞電流的變化（4） 電流環給定值的變化（5） 電流控制器輸出值的變化以上變量均需以Simulink輸出動態曲線作為說明依據。并基于以上依據分析說明（1） 該過程中各個階段能量的傳輸方向；（2） 提高轉速反向動態性能的策略4. 轉速開環變壓變頻調速系統設計轉速開環恒壓頻比控制是交流電動機變頻調速最基本的控制方式，能滿足大多數場合交流電動機調速控制的要求

13、，并且使用方便，是通用變頻器的基本模式。變壓變頻調速系統由升降速時間設定、U/f曲線、PWM調制和驅動、逆變器以及交流電動機等環節組成，本課程設計要求學生設計一個轉速開環的變壓變頻交流調速系統，并基于Matlab/Simulink建立系統仿真模型，分析系統特性。主要設計內容：（1） 查詢文獻資料或者結合某具體應用背景，自選交流異步電動機及電樞電路的參數，并設定系統預期性能指標；（2） 確定逆變器控制方案（如SPWM、SVPWM或CFPWM等），繪制系統結構框圖，并進行相關參數計算；（3） 根據升降速時間要求設計積分電流給定算法；（4） 根據負載需求設計低頻電壓補償算法，繪制U/f曲線；（5）

14、建立系統仿真模型，驗證設計結果并進行仿真分析。主要的分析內容：（1）不帶低頻電壓補償的恒壓頻比控制方式下，分析系統在額定負載下起動過程的轉速、逆變器輸出電壓、電流及頻率響應特性，分析給定積分算法對起動電流的限制效果；（2）帶低頻電壓補償的恒壓頻比控制方式下，分析低頻電壓補償對系統機械特性的影響，計算補償前后的臨界轉矩并與仿真結果相比較。目 錄1 引言在生產機械尤其是機床加工的過程中，要求電機既能正轉，又能反轉，而且常常還需要快速的啟動和制動，這就需要電機拖動系統具有四象限運行的特性，也就是需要可逆的調速系統。對于直流調速系統可采用轉速、電流雙閉環控制的直流調速系統，采用電流負反饋能夠得到近似的

15、恒流過程，并且要做到在起動過程只有電流負反饋，在達到穩態轉速時又只要轉速負反饋，不再讓電流負反饋發揮作用。由ASR和ACR分別引入轉速負反饋和電流負反饋，二者間實行串級連接，轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE，最終實現對直流電機的調速控制。對于可逆系統的實現可采用改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電動機的旋轉方向，這對于電動機而言是很簡單的事。然而當直流電動機采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向導電性，問題變得復雜。根據之前所學知識，可以采用直流PWM可逆調速和V-M可逆直流調速，兩種可逆調速系統各具優勢。本次

16、課程設計以轉速、電流雙閉環控制的直流調速系統的設計方法為基礎，根據所選用的電動機參數分別設計對應的電流環和轉速環；采用V-M可逆直流調速系統的控制方法，對電流調節器、轉速調節器進行設計，最后根據所得到的設計方案，用MATLAB軟件的Simulink模塊建立直流可逆調速系統仿真模型，根據仿真的結果對轉速反向動態過程進行分析。2 V-M可逆直流調速系統組成2.1 主電路結構由于晶閘管的單向導電性，對于需要電流反向的直流電動機可逆調速系統，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯線路來實現可逆調速，如下圖所示。電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發

17、裝置控制，都能靈活地控制電動機的起、制動和升、降速。圖2.1 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯可逆線路2.2 =配合控制采用兩組晶閘管整流裝置反并聯的可逆V-M系統在兩組裝置同時工作時，會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環流。正組VF和反組VR都處在整流狀態時，造成兩組的直流平均電壓正、負相連，會產生較大的直流平均環流。為了防止直流平均環流的產生，應在正組處于整流狀態時，強迫讓反組處于逆變狀態，并使兩組輸出電壓的平均值大小相等、符號相反。因此，當直流平均環流為零時，應有正組的觸發延遲角等于反組的逆變角即=配合控制。如果將兩組晶閘管裝置的觸發脈沖零位都定在90°，增

18、大控制電壓移相時，只要使兩組觸發裝置的控制電壓大小相等、符號相反就可以了，對應觸發角、逆變角的變化如下圖所示。圖2.2 =配合控制特性2.3 系統原理框圖由圖2.3可知，該V-M可逆直流調速系統采用轉速、電流雙閉環直流調速系統的結構，使系統的動態性能、控制精度得到保證。主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯的可逆線路，對兩組晶閘管裝置的觸發角進行=配合控制實現無直流平均環流，在兩組晶閘管回路中加入四個環流電抗器來抑制瞬時脈動環流。正組晶閘管VF由GTF觸發，反組晶閘管VR由GTR觸發；根據可逆系統正反向運行的需要，給定電壓、轉速反饋電壓、電流反饋電壓都應該能夠反映正和負的極性。給定電壓，在電機

19、正轉時，KF閉合，Un*=“+”；反轉時，KR閉合，Un*=“-”。轉速反饋，在電機正轉時，Un=“-”；反轉時， Un=“+”電流反饋電壓，在電機正轉時，Ui =“+”；反轉時，Ui =“-”。圖2.3 =配合控制的有環流系統的原理框圖3 V-M可逆直流調速系統的設計3.1 直流電動機的選擇3.1.1電機參數型號：Z4-180-11；額定功率：13kW；額定轉速:540 r/min; 額定電壓：160V； 電樞電流：42.4A；電樞回路電阻：1.264；電樞回路電感：25mH; 慣量矩：1.52。3.1.2設計參數指標 電流調節器,要求電流超調量5%轉速調節器，要求轉速超調量10%3.2 雙

20、閉環系統的設計雙閉環控制系統的動態結構圖如下：圖3.1 雙閉環控制系統的動態結構圖調節器的工程設計方法：先從電流環開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據電流環的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統，再按照控制對象確定電流調節器的類型，最后按動態性能指標要求確定電流調節器的參數。電流環設計完成后，把電流環等效成轉速環中的一個環節，再用同樣的方法設計轉速環。3.3電流調節器ACR設計3.3.1電流環結構圖的簡化電流環結構圖最終簡化圖圖3.2 電流調節器模塊3.3.2電流調節器ACR的選擇調節器設計基本思路: 將控制對象校正成為典型系統。系統設計的一般原則：“先內環后外環” 電流超調量5% ，

21、電流環按典型I型系統設計電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統，顯然應采用PI型的電流調節器。l 從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用 I 型系統就夠了。l 從動態要求上看，實際系統不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，電流環應以跟隨性能為主。 3.3.3電流調節器ACR的參數計算(1)傳遞函數可以寫成： （3.1）(：電流調節器的比例系數；： 電流調節器的超前時間常數。)(2)電動機轉矩時間常數：=1.52*1.264/375*0.131*1.25=0.031s （3

22、.2）(3)電動機電磁時間常數：=0.03s(4)三相晶閘管整流電路平均失控時間：=0.0017s(5)電流環的小時間常數：=+=0.0017+0.002=0.0037s （3.3）為了讓調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇= =0.076s。(6)電流環開環增益：=135.1 （3.4）(7)晶閘管裝置放大系數：，電流反饋系數：=0.157(8)電流調節器的比例系數：=0.816 （3.5）(9)電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。本系統調節器限幅值=±10V。3.3.4電流調節器ACR的作用當負載電流達到 后，轉速調節器飽和，電流調節器起主

23、要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。（1）作為內環的調節器，在外環轉速的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環調節器的輸出量）變化。（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程。（4）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。這個作用對系統的可靠運行來說是十分重要的。3.4 轉速調節器ASR設計3.4.1 轉速環結構圖的簡化圖3.3 轉速環結構圖最終簡化圖圖3.4 轉速調節器模塊3.4.2 轉速調節器ASR的選擇轉速環按典型II型系統設

24、計，并選中頻段寬度h=5。為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器 ASR 中，現在在擾動作用點后面已經有了一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典型 型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。 3.4.3 轉速調節器ASR的參數計算(1)傳遞函數可以寫成： （3.6）電流環等效時間常數 ，=2 =0.0074s （3.7）轉速濾波時間常數轉速環小時間常數，=0.0174s （3.8）ASR的超前時間常數為: =0.087s （3.9）ASR的比例系數為：=5.5 （3.10）(7)轉速調節器ASR的輸出限幅電

25、壓決定了電流給定電壓的最大值；它是由負載電流 決定。=20A。則=-*=42.4-1.5*20=10V （3.11）3.4.4 轉速調節器的作用（1）轉速調節器是調速系統的主導調節器，它使轉速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。（4）雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節作4 V-M可逆直流調速系統的仿真4.1 V-M可逆直流調速系統的仿真框圖V-M可逆直流調速系統主電路采用的是兩組晶閘管裝置反并聯可逆電路。兩組晶閘管分別由兩套觸

26、發裝置控制，不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態，否則將造成電源短路。本系統采用的是三相橋式反并聯可逆線路，可使電動機在四個象限內運轉。基于轉速、電流雙閉環控制的V-M可逆直流調速系統的Matlab Simulink仿真框圖請見附錄。4.2 V-M可逆直流調速系統仿真結果及分析圖4.2電動機電流變化圖4.1電動機轉速變化圖4.4 電流控制器輸出值圖4.3系統給定值圖4.5 電流環給定值 正向額定：（1）第一階段：突加給定電壓后，經過兩個調節器的跟隨作用，、都上升，但是在沒有達到負載電流以前，電機不轉動。 當后，電動機開始起動，由于機電慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節器ASR的輸入偏差電壓的數值較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流迅速上升，直到，電流調節器很快抑制了的增長。（2）第二階段：在這一階段，ASR始終是飽和的，轉速環相當于開環，系統成為在恒值電流給定下的電流調節器系統，基本上保持電流恒定，因而系統的加速度恒定，轉速呈線性增長。（3）第三階段：當轉速上升到給定值時，轉速調節器ASR輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分的作用還維持在限幅值，所以電動機仍在加速，使轉速超調。轉速超調后，ASR輸入偏差電壓變負值，