运动控制系统课程设计报告.doc

《运动控制系统》课程设计报告

时 间   2023.10 _
学 院 自动化 _
专业班级   自1103    _
姓  名   曹俊博   __
学  号   41151093   
指导教师   潘月斗   ___
成 绩       _______
摘　　要
本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并具体分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且运用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。

关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真

Abstract
This course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation.
Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation

目　　录

摘　　要 1
Abstract 1
引　　言 1
1 实验内容 2
2 实验设备 2
3 实验设计原理 2
3.1 V-M系统原理 2
3.2 三相桥式整流电路 2
3.3 保护电路部分 3
3.4 直流电源电路 4
3.5 VT触发电路 5
3.6 ASR控制电路 5
3.7 ACR控制电路 7
3.7 电流检测电路 8
3.7 转速检测电路 9
4 系统工作原理 9
5 调节器参数的计算过程 10
5.1 参数以及设计规定 10
5.2 相关参数计算 11
5.3 电流环设计 11
5.4 转速环设计 14
6 Matlab仿真 18
6.1 启动过程仿真 18
7心得体会……………………………………………………………………………..19
参 考 文 献 21
附 录 22
1 主电路原理图 22
2 仿真模型图 22
3 启动波形图 23

引　　言
《运动控制系统》课程设计需综合运用所学知识针对一个较为具体的控制对象或过程进行系统设计、硬件选型。通过课程设计，可以对理论知识融会贯通，培养同学们的系统设计能力，使同学们达成以下能力训练：
（1）调查研究、分析问题的能力；
（2）使用设计手册、技术规范的能力；
（3）查阅文献的能力；
（4）制定设计方案的能力；
（5）计算机应用的能力；
（6）设计计算和绘图的能力；
（7）语言文字表达的能力。
本次设计的内容的具体内容是主电路及其保护电路设计，转速、电流调节器及其限幅电路的设计。

双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计

1 实验内容
（1）主回路及其保护系统的设计；
（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；
2 实验设备
1、 装有matlab的PC机一台

3 实验设计原理
3.1 V-M系统原理
V-M系统的系统原理图如下。图中VT是进闸管整流电路，为直流电机提供可控直流电源，GT是晶闸管整流电路的控制器，称为调节触发装置（简称触发器）。通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3-1。

图3-1晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图

3.2 三相桥式整流电路
三相整流电路是电机的可控供电电源。三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才干构成电流回路，其中一只在共阴组，此外一只在共阳组，并且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它为线电压的包络线。晶闸管在一个周期内导通120°，关断240°，管子换流只在本组内进行，每隔120°换流一次。出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120°，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60°，即每隔60°换流一次。晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。

图3-2 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图

3.3 保护电路部分
选用用储能元件吸取生产过电压的能量的保护。使用RC吸取电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效克制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并克制LC回路的震动。
晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态反复峰值值电 压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向反复峰值电压 一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生因素及克制过电压的方法。过电压产生的因素重要是供应的电压功率或系统的储能发生了剧烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中本来积聚的电磁能量不能及时消散而导致的。本设计采用如图3-3阻容吸取回路来克制过电压。

图3-3 阻容保护电路
由于本系统是不可逆控制系统，电机不能反转。可以设想，假如系统忽然断电，电机的电流忽然下降。感应电动势为：

晶闸管开关的时间是毫秒级的，所以dt非常小，U非常大。也就是说，给电机供电的电源忽然断开后，电机将产生很大的反电动势。这个电动势对晶闸管是次冲击，在反复的冲击下，晶闸管会被击穿而不受控制，导致整个电路瘫痪。因此为了防止这个电压忽然加在晶闸管上，所以在电机两端可以并联一个RC电路，R用来消耗电路中的电能，防止RLC振荡，C用来缓冲电机两端的电压，防止电压突变。

图3-4 电机两端RC保护电路

除此之外，主电路中还应当设计保险，当系统出现异常之后，能立即断电保护主电路。
3.4 直流电源电路
由于运放和触发电路中的器件均需要使用直流电源，所以电路中包含直流电源部分。直流电源需要先通过整流，滤波，稳压最后得到+15V和-15V的电源。整流桥使用的是桥式整流电路，滤波电路使用的是大容量电解电容。稳压使用的是78系列的线性稳压芯片7815和7915芯片。

图3-5 整流稳压电路
3.5 VT触发电路
晶闸管是半控器件，导通需要触发脉冲。触发脉冲可以使用模拟电路搭建，但是稳定性不可靠，因此实际电路中多使用集成电路。由于VM系统正在被PWM系统替代，网上的这方面的资料匮乏，所以这里使用一个虚拟的触发脉冲产生器件。实际中，产生的脉冲不是单窄脉冲还是双脉冲或者单宽脉冲。这样可以保证导通的晶闸管均有脉冲。

图3-6 VT脉冲触发电路
3.6 ASR控制电路
转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构上看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态性能，转速和电流两个调节器都采用品有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。
ASR是转速调节器，一般为了有较高的精度，使用PI调节器。PI调节器的传递函数为：

ASR的加入使外环转速环成为II型系统环节，所以可对负载变化产生的扰动起重要抗扰作用，且由于ASR作为ACR的输入，使得转速n不久地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。通常，调节器输出的限幅方法有三种，一种是采用二极管钳位的外限幅电路，一种是采用二极管钳位的负反馈内限幅电路，第三种是采用晶体三极管负反馈内限幅电路。在这里，我们采用第一种限幅方式，即二极管钳位的外限幅电路。

图3-7 二极管钳位限幅电路

图3-8 稳压管钳位的外限幅电路

由于PI调节器的传感器的传递函数可以知道，PI调节器在模拟电路中表现为比例放大电路和积分电路。

图3-9 ASR控制电路
图中R3为滑动变阻器，是转速的设定端。这个信号通过放大后，与实际的转速信号进行比较，所得差分信号，然后对差分信号进行比例积分运算。得到信号必须要进行限幅，这里使用的是二极管钳位限幅。
3.8 ACR控制电路
ACR为电流调节器，为了获得良好的静、动态性能，电流调节器一般均采用PI调节器。由图可知，ACR的传递函数为：

ACR的加入使作为内环的电流环成为I型系统环节，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输量）变化，实现了时间最优控制。同ASR调节器同样，PI调节器包含一个比例环节和一个积分环节。用模拟电路实现的方式如下：

图3-10 ACR控制电路

上面电路中，U*i为电流的设定值。该信号通过放大之后与实际电流值进行比较。所得的信号进行比例积分计算，其输出信号为Uc即整流电路的控制信号。同样为了限制输出上限和下限，使用了二极管钳位电路。
3.9 电流检测电路
电枢电流检测的方法有多种，这里使用点数串联电阻的方法。

图3-11 电流检测电流检测电路
上图是一个差分信号放大电路，放大的信号通过一个电压跟随器输出。输出的信号作为电流环的反馈信号。上图的计算公式为：

3.10 转速检测电路
控制电路最终的控制的目的就是电机的转速。因此，任何电机调速系统中，必然存在转速检测电路。检测电机的转速有多种方式，数字电路中有码盘电路，或者编码器，在模拟电路中一般使用测速电机。测速电机的返回的电压信号会随着电机转速的增长而增长。

图3-12 转速检测电路

4 系统工作原理
内环是电流控制环，一般将其设计为PI调节器，整个回路是I型系统。内环的输入是外环转速环的输出。忽然上电的时候，系统忽然给定电压后，由于实际转速为零，所以外环的输出信号会不久增长到输出允许的最大的值。此时，ASR不久进入并保持饱和状态，ACR一般不饱和。
启动之后的第二阶段，ASR始终是饱和的，转速环相称于开环。此时点数电流达成了启动允许的最大值，电机的速度呈线性增长。这也是启动过程的重要部分。
当转速上升到允许的最大值时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但是其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍然在加速超调。转速超调后，ASR输入的偏差电压变负值，使ASR退出饱和状态，和不久下降。但是只要仍然大于负载电流，转速就继续增长，直到时，转矩。此后，电机的转速开始在负载的阻力下开始下降。最后几经振荡之后到达稳态。
当电机的转速受到干扰之后，外环的传送器检测到转速信号与设定值进行比较，通过ASR得到偏差信号，传送到ACR环节调节后得到Uct，于是调节整流电路的导通角，调整电枢电流，最后使电机速度达成设定值。
5 调节器参数的计算过程
5.1 参数以及设计规定
设计书规定该系统采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：
直流电动机 =220V， =136A， =1460r/min，电枢电阻 =0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；
晶闸管装置 =0.00167s，放大系数 =40；
平波电抗器：电阻 、电感 ；
电枢回路总电阻R=0.5Ω；电枢回路总电感L=15mH；
电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5N•m2；
电流调节器最大给定值 =10.2V，转速调节器最大给定值 =10.5V；
电流滤波时间常数 =0.002s，转速滤波时间常数 =0.01s。
设计规定：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量 ；空载启动到额定转速的转速超调量。
设计书规定设计直流电机设计转速、电流双闭环调速系统。如图所示：

图5-1 双闭环系统框图

5.2 相关参数计算
电动势系数：
转矩系数：
电磁时间常数：
机电时间常数：
晶闸管整流器滞后时间常数：
ACR限幅输入：
ASR限幅输入：
电枢回路最大电流：
电流反馈系数：
转速反馈系数：
电流环的设计
5.3 电流环设计
在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE≈0。

图5-2 电流环系统框图

假如把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统
最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 T∑i = Ts + Toi 。

图5-3 电流环系统框图

从稳态规定上看，希望电流无静差，以得到抱负的堵转特性，由上图可以看出，采用 I 型系统就够了。从动态规定上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择，则电流环的动态结构图便成为下图所示的典型形式，其中
电流滤波时间常数：
调节器参数：

电流环开环增益：规定期，应取，因此：

ACR的传递函数为：

4、校验近似条件：
电流环截止频率：
（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

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：

满足近似条件
（3）电流环小时间常数近似解决条件

满足近似条件
实际电路的搭建如下图：

图5-4 电流环模拟电路
Ui* —为电流给定电压；–bId —为电流负反馈电压；Uc —电力电子变换器的控制电压。
电流调节器电路参数的计算公式：，，
取=100，电流环校正为典型I型系统时：

5.4 转速环设计
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。
忽略高次项，上式可降阶近似为 ：
近似条件可由式（2-52）求出 ：
式中wcn — 转速环开环频率特性的截止频率。
接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为
这样，本来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。
2、转速调节器结构的选择
用电流环的等效环节代替图中的电流环后，

图5-5 双闭环调速系统的动态结构图
整个转速控制系统的动态结构图便如图所示：

图5-6 转速控制系统的动态结构图
和电流环中同样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应当包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应当设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的规定。
由此可见，ASR也应当采用PI调节器，其传递函数为：
式中 Kn — 转速调节器的比例系数；
t n — 转速调节器的超前时间常数。
这样，调速系统的开环传递函数为：

令转速环开环增益为
则

图5-7 校正后系统结构
3、转速调节器参数的选择
综合系统和特性考虑，选取h=5，有：
电流环等效时间常数：
转速滤波时间常数：
转速环小时间常数：
ASR的超前时间常数为：
可求得转速环开环增益：
可得ASR的比例系数为：

截止频率：
ASR传递函数为：

4、校验近似条件：
（1）电流环传递函数简化条件为：

满足简化条件
（2）转速换小时间常数近似解决条件为：

满足近似条件
5.转速调节器的实现

图5-8 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

U*n—为转速给定电压；-a n —为转速负反馈电压；U*i—调节器的输出是电流调节器的给定电压。
转速调节器电路参数的计算公式：，，
取=100，转速环校正为典型II型系统时：

6 Matlab仿真
6.1 启动过程仿真
按照上面计算出的数据，在simulink中仿真。下图给出了积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型。

图6-1 仿真模型

图中不仅把PI调节器的比例部分和积分部分分开，对PI调节器的输出设立上、下限幅，还要对积分设立上、下限幅。并且这种积分是积分环节自身所带的。在Simulink环境下，这种积分限幅的实现需要双击积分模块，在对话框中选中Limit output项，然后设立上、下限幅。使用一个阶跃信号作为设定信号。仿真截图如下：

图6-2 启动波形曲线

使用积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型的工作过程分三种情况：当积分器未饱和和且比例加积分的和小于限幅值时，调节器表现为线性的PI调节器；当积分输出未饱和而比例加积分的和大于限幅值时，调节器的输出等于限幅值，积分器继续积分；当积分的输出达成自身的限幅值时，其输出便停止增长，调节器的输出等于其限幅值。此时，假如输入信号改变极性，比例积分调节器是从积分自身的限幅值开始退去饱和的。
相比起带普通限幅环节的PI调节器，空载到额定转速的转速曲线震荡减少，超调量减少，相应的电流曲线震荡也减少，启动性能大大增强。
综上，使用积分带限幅的PI调节器可以获得最佳的转速，电流波形。
7 心得体会
这次课程设计是一次非常好的锻炼机会,通过这次的学习，发现了自己的很多局限性，自己知识的不怎么牢固，看到了自己的实践经验更是比较缺少，理论联系实际的能力还急需提高。通过这次课程设计，我从中学到很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，并且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中，难免会碰到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的很多的局限性，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过对本次设计的进一步研究，翻阅相关资料，对知识有了更加深刻的掌握，对自己专业知识的学习有很大的帮助，对自己以后工作等方面也有很大的作用。

参 考 文 献
[1] 潘月斗等著. 电力拖动自动控制系统（第二版）. 北京：机械工业出版社，2023.
[2] 刘进军，王兆安，电力电子技术（第5版），机械工业出版社，2023
[3]．尔桂花，窦曰轩，运动控制系统，清华大学出版社，2023
[4]．阮毅，陈维钧，运动控制系统，清华大学出版社，2023
[5]．余发山等，自动控制系统，中国矿业大学出版社，2023

附 录
1 主电路原理图

2 仿真模型图

3 启动波形图