转速电流双闭环可逆直流调速系统仿真与设计专业课程设计方案报告格式
时间：2020-10-30 12:34:02 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
专业课程设计汇报
（级本科）
题 目：转速电流双闭环可逆直流调速系统仿真和设计
学 院： 学院
专 业：
班 级：
姓 名：
学 号：
同组同学：
设计时间：
评定成绩：
指导老师：
年 月
大学专业课程设计任务书
课程名称
专业课程设计
课程代码
设计题目
转速电流双闭环可逆直流调速系统仿真和设计（能够采取晶闸管整流器-电动机系统，也能够采取直流PWM变换器-电动机系统）
设计时间
年 月 日～年 月 日
学院
学院
专业
班级
课程设计任务、具体技术参数
课程设计任务：
确定控制系统方案
主电路选择直流脉宽调速系统，控制系统选择转速、电流双闭环控制方案
确定每一级具体技术指标（如放大倍数、输入输出电阻、电源电压等）
在这里，首先设计电流调整器，然后把整个电流环看作是转速调整系统中一个步骤，再设计转速调整器。
因为电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调整器输入，需加低通滤波。这么滤波传输函数可用一阶惯性步骤来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量同时，滤波步骤也延迟了反馈信号作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数惯性步骤，称作给定滤波步骤。由测速发电机得到转速反馈电压含有换向纹波，所以也需要滤波，滤波时间常数用表示，依据和电流环一样道理，在转速给定通道上也加入时间常数为给定滤波步骤。
2.1电流环设计
(1)确定时间常数
整流装置以后时间常数Ts。三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s。电流滤波时间常数Toi。为了基础滤平波头。所以取Toi=2ms=0.02s。电流环小时间常数之和T。按小时间常数近似处理，取T=Ts+Toi=0.0037s。
选择电流调整器结构
依据设计要求并确保稳态电流无差，可根据经典I型系统设计电流调整器，所以可用PI型电流调整器。
其传输函数为。
含给定滤波和反馈滤波PI型电流调整器
(3)选择电流调整器参数
要求时，应取，所以
于是，。
(4)校验近似条件
要求，现。
要求，现。
要求，现
(5)计算电流调整器电阻和电容
取，则
取
取
取
根据上述参数，电流环能够达成动态指标为，故满足设计要求。
2.2转速环设计
(1)确定时间常数
电流环等效时间常数为。依据所用发电机纹波情况，取转速滤波时间常数。转速小时间常数近似处理，取。
(2)选择转速调整器结构
根据设计要求，选择PI调整器，其传输函数为
含给定滤波和反馈滤波PI型转速调整器
(3)计算转速调整器参数
按跟随和抗扰性能全部很好标准，取，则
则
(4)检验近似条件
。
要求，现。满足简化条件
要求，现。满足近似条件
(5)计算调整器电阻和电容
取，则
取
取
取
(6)校核转速超调量
当初，，而,所以
(7)校验过渡过程时间
空载起动到额定转速过渡过程时间
可见能满足设计要求。
静态设计
该系统是属于双闭环调速系统，其中含有转速环，称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR，内环我们这里采取直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时步骤DLD和绝缘栅双极性晶体管GD和脉宽调制变换器组成。直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，和晶闸管直流调速系统区分在于用直流PWM变换器替换了晶闸管交流装置，作为系统功率驱动器。脉宽调制器是有一个运算放大器和多个输入信号组成电压比较器。运算放大器工作在开环状态，在电流调整器输出控制信号控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制方波脉冲序列，为PWM提供所需要脉冲信号。逻辑延时步骤DLD确保在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子开通脉冲，在延时步骤中引入瞬时动作限流保护FA信号，一旦桥臂电流超出许可最大电流值时，使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。
双闭环直流调速系统稳态结构图
双闭环直流调速系统稳态结构图
Ks
?
1/Ce
U*n
Uc
Id
E
n
Ud0
Un
+
+
-
ASR
+
U*i
-
R
?
ACR
-
Ui
UPE
转速调整器不饱和，稳态时，它们输入偏差电压全部是零，所以.
，式中，分别为转速和电流反馈系数，由第一个关系式得
当ASR达成限幅值,双闭环系统变成一个电流无静差单电流闭环调整系统，稳态时。
在正常运行时，电流调整器是不会达成饱和状态。所以，对于静特征来说，只有转速调整器饱和和不饱和两种情况 双闭环直流调速系统静特征如上图所表示，，式中a，b —— 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得，从而得到上图静特征CA段。和此同时，因为ASR不饱和，U*i < U*im，从上述第二个关系式可知: Id < Idm。
这就是说， CA段静特征从理想空载状态 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm通常全部是大于额定电流 IdN 。这就是静特征运行段，它是水平特征。这时，ASR输出达成限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速改变对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差单电流闭环调整系统。稳态时式中，最大电流Idm是由设计者选定，取决于电机许可过载能力和拖动系统许可最大加速度。式中所描述静特征是上图中AB段，它是垂直特征。这么下垂特征只适合于 n < n0 情况，因为假如 n > n0 ，则Un > U*n ，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统静特征在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起关键调整作用。当负载电流达成 Idm 后，转速调整器饱和，电流调整器起关键调整作用，系统表现为电流无静差，得到过电流自动保护。
动态设计
在动态系统中为了改善系统动静态性能，我们设置调整器，包含给定信号跟随性指标和对扰动输入信号抗扰性能指标。在跟随性能指标包含上升时间 ，超调量和峰值时间，而且有式子，调整时间。抗扰性能指标包含动态降落 和恢复时间 。
U
U*n
?
Uc
-IdL
n
Ud0
Un
+
-
-
?
+
-
Ui
WASR(s)
WACR(s)
Ks
Tss+1
1/R
Tl s+1
R
Tms
U*i
Id
1/Ce
+
E
该系统是属于双闭环调速系统，其中含有转速环，称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR，内环我们这里采取直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时步骤DLD和绝缘栅双极性晶体管GD和脉宽调制变换器组成。直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，和晶闸管直流调速系统区分在于用直流PWM变换器替换了晶闸管交流装置，作为系统功率驱动器。脉宽调制器是有一个运算放大器和多个输入信号组成电压比较器。运算放大器工作在开环状态，在电流调整器输出控制信号控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制方波脉冲序列，为PWM提供所需要脉冲信号。逻辑延时步骤DLD确保在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子开通脉冲，在延时步骤中引入瞬时动作限流保护FA信号，一旦桥臂电流超出许可最大电流值时，使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。
仿真研究
使用Matlab中simulink来绘制转速电流双闭环可逆直流调速系统，对其进行仿真，经过计算选择ASR和ACR两个调整器PI参数，来使设计系统达成完善，进而经过示波器模块图像显示出来波形来确定系统设计。
试验研究
经过试验来验证双闭环可逆直流调速系统，并掌握其组成原理及关键单元部件工作原理，试验中应用PWM变换器和集成电路SG3525，调试控制单元，经过一系列努力和各个模块搭建，最终使适当调整不一样占空比时，电动机运动方向不一样。时，为正，电动机正转，时，为负，电动机反转，时，=0，电动机停止。
撰写汇报
经过这次双闭环直流脉宽调速系统课程设计，对自己学习运动控制系统有了较深刻认识。我认识到不能碰到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦发觉问题所在，然后一一进行处理，只有这么，才能成功做成想做事，才能在以后道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及她人对你认可! 课程设计给我很多专业知识和专业技能上提升，给了我很多思，给了我莫大空间。同时，设计让我感慨很深。使我对抽象理论有了具体认识。我认为，在这学期试验中，不仅培养了独立思索、动手操作能力，在多种其它能力上也全部有了提升。更关键是，在试验课上，我们学会了很多学习方法。而这是以后最实用，真是受益匪浅。要面对社会挑战，只有不停学习、实践，再学习、再实践。这对于我们未来也有很大帮助。以后，不管有多苦，我想我们全部能变苦为乐，找寻有趣事情，发觉其中珍贵事情。
直流电动机参数：
功率：100W，额定电压：200V，额定电流：0.5A，额定转速：1600rpm
对课程设计结果要求（包含课程设计说明书、图纸、图表、实物等软硬件要求）
设计汇报
主电路选择直流脉宽调速系统，控制系统选择转速、电流双闭环控制方案。
系统设计通常标准是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调整器，然后把整个电流环看作是转速调整系统中一个步骤，再设计转速调整器。
系统总方案图
主电路选择直流脉宽调速系统，控制系统选择转速、电流双闭环控制方案。逆变器采取带续流二极管功率开关管IGBT组成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部分关键是UPM、逻辑延时步骤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步骤、电流调整器和转速检测步骤、转速调整器，组成了电流环和转速环，前者经过电流元件反馈作用稳定电流，后者经过转速检测元件反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达成调整电流和转速目标。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起关键作用，调整起动电流保持最大值，使转速线性改变，快速达成给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起关键作用，使转速随转速给定电压改变而改变，电流内环跟随转速外环调整电机电枢电流以平衡负载电流原理图。
系统动、静态参数
直流电动机参数：
功率：100W，额定电压：200V，额定电流：0.5A，额定转速：1600rpm
动态参数：因为选择经典I型系统，而要求，故查表可知上升时间为4.7T，峰值时间为6.2T，KT=0.5
静态参数：=0.05V/A，=0.007V/A
仿真设计图和结果
转速电流双闭环直流可逆调速系统仿真图
仿真输出波形图
试验研究照片和试验研究结果
试验总体接线图
主电路选择直流脉宽调速系统，控制系统选择转速、电流双闭环控制方案。系统中设置了电流检测步骤、电流调整器和转速检测步骤、转速调整器，组成了电流环和转速环，逆变器采取带续流二极管功率开关管IGBT组成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部分关键是UPM、逻辑延时步骤DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。
试验研究结果：经过掌握双闭环直流可逆调速系统组成、原理及各关键单元部件工作原理，了解直流PWM专用集成电路SG3525组成功效及PWM变换器多种方法原理及特点，连接好电路，经过不停调试，观察了不一样位置产生波形，调整不一样占空比，最终实现了电动机正反转运行。
课程设计工作进度计划：
日～ 系统总体方案设计
日～ 系统静态、动态设计
日～ 系统仿真
日～ 试验研究
日～ 撰写汇报
关键参考资料
1.《电力拖动自动控制系统》，阮毅，陈伯时，机械工业出版社。
2.《电力电子技术》，王兆安，刘进军，机械工业出版社。
3.《自动化学报》杂志。
4.《电气传动自动化》杂志。
指导老师（署名）： 专业责任人（署名）：
