1、*學院畢業設計（論文）系部:_專業：_班級：_姓名:_二 年 月 日雙閉環直流調速系統設計摘 要本文對微機控制的直流調速系統進行了較深入的研究，從直流調速系統的原理出發，建立了雙閉環直流調速系統的數學模型，用MATLAB進行系統仿真，實現了控制器參數整定。在此基礎上以數字信號處理器(DSP)為控制器，通過對系統硬件和軟件的設計實現了直流電動機雙閉環調速系統的設計。結果表明，此調速系統具有較強的魯棒性。關鍵詞：微機控制，雙閉環，直流調速，數字信號處理器The Design of the Double Closed LoopsDC Timing System ControllerAbstractI

2、n this paper, DC timing system controlled by microcomputer had been researched deeply. Beginning with the theory of the DC timing system, the math model of the double closed loops DC timing system had been build up, the controller parameter had been adjusted after the system had been simulated with

3、MATLAB, Based on the result of the simulation, digital signal processor (DSP) is taken as the controller, the design of the double closed loops timing system of the DC motor has been realized through the design of the systems hardware and software. The result shows that this timing system has strong

4、 robust.Keywords: microcomputer control, double closed loops, DC timing, DSP第一章 緒論1.1 研究背景和意義1.2 國內外研究現狀和應用前景1.3 本研究課題的主要研究內容1.4 本章小結第二章 課程的設計和要求2.1主要技術指標（1）靜態：無靜差（2）動態：電流超調量5% 2.2設計要求（1）選擇可控硅直流電動機調速系統的方案。（2）主回路參數計算選擇。（3）控制系統設計2.3給定條件直流電機的參數：Zz=22, Ped=1.1kw, Ued=220V, Ied = 6.5A, ned =1500r.p.m Us

5、= 220V勵磁方式：他勵直流測速發電機： Ped=22W, Ued=110V, Ied =220mA, ned =2000p.m 定額：連續。分析論證并確定主電路的結構型式和閉環調速系統的組成，畫出系統組成的原理框圖。確定調速系統主電路元部件及其參數。動態設計計算：根據技術要求，對系統進行動態校正，確定ASR調節器與ACR調節器的結構型式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求 。第三章 系統的原理與方案選擇3.1 雙閉環直流調速系統電路原理 隨著調速系統的不斷發展和應用，傳統的采用 PI 調節器的單閉環調速系統既能實現轉速的無靜差調節，又能較快的動態響應只能滿足一般生產

6、機械的調速要求。為了提高生產率，要求盡量縮短起動、制動、反轉過渡過程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態轉矩）為允許的最大值，使系統盡最大可能加速起動，達到穩態轉速后，又讓電流立即降低，進入轉矩與負載相平衡的穩態運行。要實現上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負反饋控制方法，即采用速度、電流雙閉環的調速系統來實現。在電流控制回路中設置一個調節器，專門用于調節電流量，從而在調速系統中設置了轉速和電流兩個調節器，形成轉速、電流雙閉環調速控制。雙閉環調速控制系統中采用了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實現串級連接。圖11.1為轉速、電流雙閉環直流調速系統的原理圖。圖中兩個調節器

7、ASR和ACR分別為轉速調節器和電流調節器，二者串級連接，即把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晶閘管整流器的觸發裝置。電流環在內，稱之為內環；轉速環在外，稱之為外環。兩個調節器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調節器ACR的給定電壓最大值Uim，對就電機的最大電流；電流調節器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發角。圖1-1.1 雙閉環直流調速系統電路原理圖3.2雙閉環直流調速系統動態數學模型雙閉環直流調速系統動態結構圖如圖1-1.2所示。圖中和分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數。如果采用PI調節器，則有（1-1）（

8、1-2）為了引出電流反饋，在電動機的動態框圖中必須把電樞電流顯露出來。圖1-1.2 雙閉環直流調速系統動態結構圖3.3控制系統的選擇 由于設計要求無靜差調速，電流超調量5%，因此可以選擇轉速，電流雙閉環控制直流調速系統。其中采用轉速負反饋和PI調節器的直流反饋調速系統可以在保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差，而速度反饋保證系統的較高動態性能，例如：要求快速起制動，突加負載動態速降小等等。其系統的組成框圖如圖22所示。 圖22轉速，電流雙閉環直流調速系統框圖第四章 調速系統的設計4.1 系統的組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速

9、負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯接如下圖31所示。起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。穩態時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。 為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用P I調節器，所以對于系統來說，PI調節器是系統核心，必須掌握其性能，其原理圖如圖3-2： 圖3-2. PI調節器輸入與輸出的關系： PI調節器的工作過程：當輸入電壓突然加上時，電容C相當于短路，這時便是一個比例調節器。因此，輸出量產生一個立即響應輸出量的跳變，隨著對電容的充電，輸出電壓逐漸升高，這時相當于一個積分環節。只要 ，U0將繼續增長下去，直到時，才達到穩定狀態。 這樣構成的雙閉

10、環直流調速系統的電路原理圖示于下圖3-3。 圖3-3 雙閉環直流調速系統電路原理圖 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-圖中標出了兩個調節器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。同時圖中表出，兩個調節器的輸出都是帶限幅作用的。轉速調節器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調節器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。4.2系統的動態數學模型雙閉環調速系統的實際動

11、態結構框圖如圖2所示，它包括了電流濾波，轉速濾波和給定信號的濾波環節。其時間常數分別為Toi和Ton。 圖34雙閉環調速系統的動態結構圖圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數。4.3 本章小結第五章 雙閉環直流調速系統的設計5.1主要裝置的選用和參數的計算 5.1.1整流裝置的參數可控硅整流裝置選用三相橋式，整流變壓器/Y聯結, 二次線電壓21=230V,內阻R=0.5 ,電壓放大系數KS=40。直流電源給定值7.5V。5.1.2電流互感器的選取 考慮電機允許過載倍數為1.5倍，兩個給定電壓的最大值為7.5V，選電流互感器TA的電流反饋系數=7.5/1.5I

12、N=0.769V/A。5.1.3轉速反饋環節的反饋系數和參數 轉速反饋系數包含測速發電機的電動勢Cetg和其輸出電位器RP2的分壓系數2，即 2Cetg根據測速發電機的額定數據，有 Cetg=V min/r=0.055 V min/r試取20.085，如測速發電機與主電動機直接相連，則在電動機最高轉速1500r/min時，轉速反饋電壓為 Un=2Cetg1500r/min0.0850.05515007.0125V穩態是Un很小，Un*只要略大與Un即可，現在直流穩壓電源為7.5V，完全能夠滿足給定電壓的需要，因此，取20.085是正確的。于是，轉速反饋系數的計算結果是 2Cetg0.0850.

13、0550.0047 V min/r5.1.4電位器RP2的選取 為了使測速發電機的電樞電壓降對轉速檢測信號的線性度沒有顯著的影響，取測速發電機轉速輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20，則 RRP2=1875此時RP2消耗的功率為 WnCetg0.2Itg0.05515000.20.223.36W為了不致使電位器溫度很高，實選電位器的瓦數應為所消耗功率一倍以上，故可將RP2選為10W,1.5K的可調電位器。5.1.5平波電抗器按工程計算公式選取平波電抗器，對于三相橋式整流電路其電感量計算公式為 L=0.693U2/Idmin取 Idmin=10Ied =0.16.5=0.065A U2= U2

14、l/1.732= 230V/1.732=132.8V 0 則 L=0.693U2/Idmin =1415.85mH5.1.6直流電動機參數的計算 按經驗公式估算直流電動機的內阻 =5.207 電樞回路的電阻 R=Ra+R=5.207+0.5=5.707 電磁時間常數Tl=L/R=141.585/5.707=0.0248S 電機參數的計算Ce=0.1241V min/r Cm=9.55Ce=1.1852 V min/r電機時間常數Tm=1.036S5.2電流調節器的設計5.2.1電流環結構圖的簡化首先在按動態性能設計電流環時，因其變化較慢，可以暫不考慮反電動勢變化的動態影響，即DE0。其次，如果

15、把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成U*i(s) /b ，最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環節，其時間常數為 Ti = Ts + Toi 簡化的近似條件為電流環結構圖最終簡化成圖 圖41等效后的電流環結構框圖5.2.2電流調節器結構的選擇從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，由圖3-5可以看出，采用 I 型系統就夠了。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（本系統要求5%），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，為此，電流環

16、應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統。 圖3-5表明，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，其傳遞函數可以寫成式中 Ki 電流調節器的比例系數； ti 電流調節器的超前時間常數。為了讓調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇則電流環的動態結構圖便成為圖4-2所示的典型形式圖42校正成典型I型系統的電流環其中， 上述結果是在一系列假定條件下得到的，假定條件歸納如下，用于校驗。1）電力電子變換器純滯后的近似處理2）忽略反電勢變化對電流環的動態影響3）電流環小慣性群的近似處理5.2.3電流調節器的參數計算 按表1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=

17、0.0017s 電流濾波時間常數Toi。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本慮平波頭，應有（12）Toi=3.3S, 因此取Toi0.002S。 電流環小時間常數之和T。按小時間常數近似處理，取Ti=Ts+Ti=0.0037S。 檢查對電源電壓的抗擾性能：=6.70，參照典型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的。電流調節器超前的時間常數：i=Tl=0.0248S 電流開環增益：要求i5時，可按西門子型“最佳整定”的方法進行整定，則有KIT=0.5, 因此 KI=135/S于是ACR的比例系數為 KiKIiR/KS0.6211校驗近似條件：電流環截止頻率：ci= KI =135.

18、1(1)晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件：1/3Ts=1/3*0.0017=169.1s-1ci滿足近似條件。(2)忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件： 18.7s-1ci滿足近似條件。電流調節器如圖4-3，按所用運算放大器取R040K,各電阻和電容的值為 Ri=KiR0=0.4653*40=18.612 K,取18 K Ci=1.67uF，取2.0uF Coi=0.2uF，取0.2 uF圖4-3電流調節器按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為i=4.3%cn，滿足簡化條件。 （2）轉速環小時間常數近似處理條件為 38.7S-1cn,滿足近似條件。轉速調節器如圖4-6，計算電容和

19、電阻：取R040K,則 Rn=KnR0=144.9405796，取6M Cn=n/Rn=0.0145uF,取0.01 uF Con=1uF, 取1 uF。圖4-6 轉速調節器5.4整機電路如圖4-7圖4-7整機電路圖第六章 結束語本設計“雙閉環直流調速系統的工程設計” ，對于給定的DJDK1型電力電子技術及電機控制實驗裝置，測定直流電動機的各項電氣參數和時間常數，并應用經典控制理論的工程設計方法設計轉速和電流雙閉環直流調速系統，最后應用MATLAB軟件對設計的系統進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。對于給定直流拖動控制系統在經典控制理論工程計算的基礎上，在完成參數測定后，應用雙閉環直流調速

20、系統工程設計方法設計了主電路、電流環和轉速環，并應用MATLAB語言中的SIMULINK工具箱對系統進行了仿真，看到了理論設計與仿真結果的差異，通過對仿真結果的分析，進一步了解了工程設計方法中的近似環節給系統帶來的影響，認識到了理論設計和工程計算的不同。仿真部分，運用了MATLAB語言，掌握了語言的基本操作，并著重學習了SIMULINK工具箱。運用SIMULINK工具箱對系統進行了仿真，得到了系統的動態響應曲線及其它各種線性分析曲線。縱觀整個設計，經典部分是已學過的知識，通過畢業設計深入理解了工程設計方法，擴展了知識面，各門課程綜合應用，收益頗多，使我對直流調速系統的控制有了更深的認識。但由于理論水平有限，仍有許多不足之處有待解決。致 謝首先要感謝我的指導老師齊伯文老師。在他的悉心指導下，我才得以順利的完成本次畢業設計。他從最初就為我們