武汉理工大学《运动控制系统》课程设计
课程设计任务书
学生姓名： 方国敬 专业班级： 自动化0507 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院
题 目: 直流双环系统（一）的设计及仿真分析（二） 初始条件：
已知电动机参数：PN?60kW,UN?220V,IN?305A,nN?1000r/min;电动势系数Ce?0.196V?min/r,电枢回路总电阻R?0.18?,触发整流环节的放大倍数Ks?35,电磁时间常数Tl?0.012s,机电时间常数Tm?0.12s,电流与转速反馈滤波时间常数T0i?0.0022s,Ton?0.014s；额定转速时的给
**定电压Un?10V,调节器ＡＳＲ，ＡＣＲ饱和输出电压Uim?8V,Ucm?6.5。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体
要求）
试设计该转速、电流双闭环V-M调速系统（由三相半波相控变流装置供电），要求系统的调速范围D=10，稳态转速无差，电流超调量?i?5%，空载启动到额定转速时的转速超调量
?n?10%。画出系统结构框图并计算：
(1) 电流反馈系数β（启动电流限制在３３９Ａ以内）和转速反馈系数α； (2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取R0?40k?）； (3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取R0?40k?）；
(4) 让电机空载启动到额定转速，稳定运行后电动机突加额定负载，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。
时间安排：
2008年12月29日 2008年12月30日-200年1月4日 2009年1月5日-2009年1月8日 2009年1月9日 上报设计选题 确定并设计控制方案 按要求书写课程设计说明书 提交报告 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
I
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计
目录
直流双环系统的设计及仿真……………………………………………..……1 1.直流双环系统设计…………………………………………………………...1 1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成………………………………1 1.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构…………….....................2 1.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构…………….....................2 2.参数计算………………………………………………………………………3 2.1系统参数选取及设计……………………………………….....................3 2.2电流环的设计……………………………………………….....................3 2.3速度环的设计……………………………………………….....................4 3.MATLAB仿真…………………………………………………………...…...7 3.1仿真结构图……………………………………………………………….7 3.2仿真结果图…………………………………………………………….…8 3.3仿真结果分析………………………………………………...................10 4.心得体会…………………………………………………………..................13 5.参考文献…………………………………………………………..................13
II
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计
直流双环系统的设计及仿真分析
1.直流双环系统设计
1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。主要原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。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。
图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构
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。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PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图。
1
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计
1.2转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。
图1-2双闭环直流调速系统的稳态结构图
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，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
1.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构
在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。
图1-3双闭环直流调速系统的动态结构图
2
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计
2.参数计算
2.1系统参数选取及设计
整流装置的滞后时间常数TS。三相半波电路的平均失控电压TS=
?Uim8V电流反馈系数????0.0236V/A。
Idm339A?Un10V转速反馈系数????0.01V?min/r。
nN1000r/min1?0.2mf。
2.2电流环的设计
（1）确定时间常数
电流环小时间常数T?i。按小时间常数近似处理，取T?i?Ts?Toi?0.0055s。
（2）根据设计要求?i≤5%，并保证稳态无误差，因此选择PI型电流调节器，其传递函数为
WACR(S)?Ki(?is?1)
?is检查对电源电压的抗扰性能：
Tl0.012??2.18，参照典型?型系统动态抗扰性能指标T?i0.0055与参数的关系表，可知道该典型I型系统动态性能各项指标都是可以接受的。
（3）计算电流调节器的参数
电流调节器超前时间常数：?i?Tl?0.012s
电流环开环增益：要求?i?5%时，由典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表可知，应取KIT?i?0.5,因此
KI?0.5?90.9s?1 T?iKI?iR?0.238 Ks?于是ACR的比例系数为Ki?（4）检验近似条件
3