直流电动机转速电流双闭环调速系统设计1

直流电动机调速系统课程设计

班 级： 电气0802 姓 名： 刘志勇 学 号： 08140218

第一章：设计内容 ........................................... 2 1.1设计内容： ............................................................................................. 2 第二章：设计要求 ........................................... 2 2.1设计要求 ................................................................................................. 2 2.2设计参数： ............................................................................................. 2 第三章：双闭环直流调速系统设计 ............................. 3 3.1转速、电流双闭环直流调速系统的成 ........................ 3 3.2系统电路结构 ......................................................................................... 4 3.3调节器的设计 ......................................................................................... 7 第四章 单闭环直流调速系统设计 ............................ 14 4.1闭环系统调速的组成及其静特性 ....................................................... 14 4.2 稳态参数计算 ....................................................................................... 16 第五章 相关原理图设计波形图 ............................... 19 5.1.主电路图 ............................................................................................... 19 5.2.控制电路图 ........................................................................................... 20 第六章 设计总结及参考文献 ................................. 23 6.1设计总结 ............................................................................................... 23 6.2 参考资料 .............................................................................................. 23

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目录

第一章：设计内容 1.1设计内容：

（1）根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统

（2）根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，使用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统

第二章：设计要求

2.1设计要求

2.1.1根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判 断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图

2.1.2直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量γ及GM、计算调节器参数、绘 系统动态结构图

2.1.3设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图

2.1.4测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、电压电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。

2.2设计参数：

2.2.1电枢电阻Ra=1.8Ω

电枢电感La=9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35ms

2

2.2.2测速发电机参数：Un=80V，nN=3000r/min，PN=16W,IN=200mA，负载电阻R=400Ω

2.2.3PWM主电路：驱动频率f≥10kHz,R=2.7+1.8=4.5Ω 2.2.4设计指标

转速电流双闭环直流调速系统：U *n=5V，Uim=5V，Idm=1.5IN，σi≤5%，σn≤10%。

第三章：双闭环直流调速系统设计

3.1

转速、电流双闭环直流调速系统的成

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）联接如下图所示。

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图中，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。

3.2系统电路结构

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

3.2.1稳态结构框图和静特性

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Id  Un + *ASR U*i + - Ui R ACR Uc UP Ks Ud0 + - E 1/Ce n - Un  双闭环直流调速系统的稳态结构图

—转速反馈系数;  —电流反馈系数

分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：①饱和——输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。②不饱和——输出未达到限幅值。即PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：

（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此nUn*n0，而得到下图静特性的

CA段。

* （2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时

IdUim*Idm，从而得到下图静特性的AB段。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷

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大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图的虚线。

3.2.3 稳态参数的计算

双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 速反馈转系数 *Unm n5Vmax3000r/min0.0017V.min/

*电流反馈系数 UimI5Vdm1.51.5A2.22V/A

电动机的电动势常数

CeUNINRan241.51.8N3000Vmin/r0.0071Vmin/r

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r3.3调节器的设计

双闭环调速系统的动态结构图

3.3.1确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts。由附表6.1知，PWM装置的延长时间 Ts=0. 1ms=0.0001s。

（2）电流滤波时间常数Toi。单相全控桥PWM波形的周期为

T1f110103s0.1ms

（1~2）Toi=0.1ms，因此取Toi=0.08ms=0.00008s。 （3）电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取Ti= Ts+Toi=0.00018s。

（4）电磁时间常数TL

TlLRa9.76104.530.0217s

2. 选择电流调节器的结构

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根据设计要求i5%，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为

WACR(s)Ki(is1)is

式中 Ki------电流调节器的比例系数；

i-------电流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：

TTli0.002170.0001812.06

,参照附表6.2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。

3. 计算电流调节器的参数

电流调节器超前时间常数：iTl0.00217。 电流开环增益：要求i5%时，取KITi0.5，

因此

KI0.50.00018s12777.8s1

于是，ACR的比例系数为

KiKRKIis2777.80.002174.52.44.442.55

4. 校验近似条件

电流环截止频率： ciKI3125s1 （1） PWM装置传递函数的近似条件

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13Ts 3333.33 满足近似条件。

（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3满足近似条件。

（1） PWM装置传递函数的近似条件

13Ts1TmTl369.274

130.00013333.3s1w满足近似条件。

ci（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

31TmTl31351030.00217s1=344.24s1wci

满足近似条件。

（3） 电流环小时间常数近似处理条件

1

31TsToi1310.00010.000083126.8s1wci

满足近似条件。 5. 计算调节器电阻和电容

按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 RiKiR02.5540101.8k, 取102K CiiRi0.002171021032.13108F0.0213F，取0.022F 0.008F

Coi4ToiR040.00008401038109F0.008F,取

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按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i4.3%5%，满足设计要求。

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i4.3%5%，满足设计要求。

3.3.2转速调节器的设计 1. 确定时间

1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，KITi0.5，则

1KI2Ti20.00018s0.00036s如图 含滤波环节的PI型电流调节器

（2）转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，取Ton0.003s.

（3）转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取

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Tn1KITon0.00036s0.001s0.00136s

2. 选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为

WASR(s)3. 计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为

nhTn0.0068

则转速环开环增益

KN可得ASR的比例系数为

Kn(h1)CeTm2hRTn(51)4.440.00710.035250.003334.50.0013632.48Kn(ns1)ns

h12hTn2264879.89

式中 电动势常数Ce。

4.检验近似条件 转速截止频率为 cnUNINRanN。 0.0071V.min/r。KN1KNn441.18s11

1

（1）电流环传递函数简化条件为 化条件。

（2）转速环小时间常数近似处理条件为

13KITon132777.80.00113KITi132777.80.00018s11309.46s1wcn 满足简

555.56wcn 满足近似条件。

5．计算调节器电阻和电容

取R040k，则

RnKnR032.48401299.2K,取1300K CnnRn0.00681300103F5.231109F5231PF,

取5231PF Con4TonR00.1F, 取0.1F

如图 含滤波环节的PI型转速调节器

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6.校核转速超调量

当h=5时，查附表6.3典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，n37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于附表6.3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。

设理想空载起动时，负载系数Z0，已知IN1.5A，

nN3000r/min，1.5，R4.5， Ce0.0071Vmin/r，

Tm0.035s，Tn0.00136s。当h5时，由附表6.4查得，

而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

nNTn(Z)n*TmCmax/Cb81.2%nCmaxCbnbCmax2n*Cb (6-24）

调速系统开环机械特性的额定稳态速降

nNINRCen*950.7r/min;

为基准值，对应为额定转速nN3000r/min。

根据式（6-24）计算得

n3.00%10% 满足设计要求。

3.3.3调速系统的开环传递函数

Wn(s)KN(ns1)s(Tns1)2，其中KNKnaRnCeTm；

代入以求数据得Wn(s)=

181.2s10914.23s(0.00282s1)2；

num=[212.7,15088.5]; >> den=[0.00282,1,0,0];

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>> bode(num,den)

>> [Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(num,den) Gm =Inf Pm =41.1284 Wcg =Inf Wcp =197.4600

直流双闭环调速系统伯德图

第四章 单闭环直流调速系统设计

4.1闭环系统调速的组成及其静特性

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闭环系统调速的组成及其静特性根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。

调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。

调节原理：在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电Uc

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用以控制电动机转速 n。

图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。运用结构图运算法同样可以推出下式：

nKpKsU*nCe(1K)4.2 稳态参数计算

方波发生器upc4570 振荡周期

T2R1C1ln(12RR23)[210103300101212312ln(122010121033)]96.8s高电平持续时间Ton低电平持续时间Toff 占空比DTonTT0.596.8s48.4s

T48.4s

0.5

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振荡频率f1T196.810510.33kH

三角波发生器upc4570 周期T96.8s 上升时间T148.4s 下降时间T248.4s

与门74HC08 死区时间tRC300.1106s3s 4.2传递函数

由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是 ：

W(s)K(Tss1)(TmTlsTms1)12022

=

(0.0001s1)(0.000066s0.03s1)

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W1=10000 s1 W2=418.24s1 W3=36.22s1

201gK=201g120=41.58dB 应用MATLAB编程画伯德图： num=[0.0068,1];

den=conv([1,0],conv([1,0],[0.00136,1])); k=64878.89; bode(num,den)

[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(num,den) Gm =Inf Pm =0.3117 Wcg =Inf Wcp =1.0000

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直流单闭环调速系统伯德图

第五章 相关原理图设计波形图

5.1.主电路图

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5.2.控制电路图

5.3.实测电路中的波形 5.3.1 upc4570端口输出波形

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5.3.2 UPC4574端口输出波形

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第六章 设计总结及参考文献

6.1设计总结

本设计是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过近一段时间的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。课程设计期间，借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的资料，学会了如何使用现有的图书馆资料。运用了protel 绘制电气原理图，一些简单的图形用画图板和Word中的画图工具画出来。通过做课程设计，也有了不少的收获进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性。

此次设计学到了不少东西，注意到了一些设计电路与连接电路应该注意的事项。相信在今后的类似设计中一定会发挥得更好。

6.2 参考资料

《运动控制理论》 陈伯时 机械工业出版社 《电力电子技术》 樊丽萍 中国林业出版社

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《自动控制原理》 袁德成 北京大学出版社 MOS资料汇编 LM311中文数据手册 UPC4574、UPC4570数据手册

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