下载文档原格式
电气传动控制系统课程设计解密版|电气传动控制系统电气传动控制系统课程设计一、引言 MATLAB作为一个强大的数学及仿真软件，在科研与工程中被广泛使用。
对于我们自动化系的学生而言，不论是专业发展、学术科研还是今后参加工作，认真学习MATLAB都是有很大必要的。
利用MATLAB/Simulink验证“直流电动机转速/电流双闭环PID控制方案”可以熟悉MATLAB以及Simulink的使用方法，并掌握利用MATLAB分析控制系统性能的技巧。
二、实验原理与建模 1.系统建模 (1) 额定励磁下的直流电动机的动态数学模型图1给出了额定励磁下他励直流电机的等效电路，其中电枢回路电阻R和电感L包含整流装置内阻和平波电抗器电阻与电感在内，规定的正方向如图所示。
图1 直流电动机等效电路由图1可列出微分方程如下：（主电路，假定电流连续）（额定励磁下的感应电动势）（牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦）（额定励磁下的电磁转矩）定义下列时间常数：——电枢回路电磁时间常数，单位为s；——电力拖动系统机电时间常数，单位为s；代入微分方程，并整理后得：式中，——负载电流。
在零初始条件下，取等式两侧得拉氏变换，得电压与电流间的传递函数（1）电流与电动势间的传递函数为（2） a) b) c) 图 2 额定励磁下直流电动机的动态结构图 a) 式（1）的结构图 b)式（2）的结构图 c)整个直流电动机的动态结构图 (2) 晶闸管触发和整流装置的动态数学模型在分析系统时我们往往把它们当作一个环节来看待。
这一环节的输入量是触发电路的控制电压Uct，输出量是理想空载整流电压Ud0。
把它们之间的放大系数Ks看成常数，晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的。
下面列出不同整流电路的平均失控时间：表 1 各种整流电路的平均失控时间（f=50Hz）整流电路形式平均失控时间Ts/ms 单相半波 10 单相桥式（全波） 5 三相全波 3.33 三相桥式，六相半波1.67 用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管触发和整流装置的输入输出关系为按拉氏变换的位移定理，则传递函数为（3）由于式（3）中含有指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。
1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。
（运动控制系统框图）2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。
因此，转矩控制是运动控制的根本问题。
第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1相控整流器-电动机调速系统原理2.晶闸管可控整流器的特点（1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。
（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。
晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。
晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。
在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。
需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。
3.V-M系统机械特4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。
5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（3）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统（4）桥式可逆PWM变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题”。
（7）直流PWM调速系统的机械特性6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式）当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。
第一章 转速闭环直流调速系统第一节 闭环调速系统的组成及其静特性1.1.1绪论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U n ，与给定电压 U *n 相比较后，得到转速偏差电压 DU n ，经过放大器 A ，产生电力电子变换器UPE 的控制电压U c ，用以控制电动机转速 n 。
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。
如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为（1·1）（1·2）比较1·1和1·2不难得到以下结论（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。
在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为l l n n K C RI K C U K K n c c 0e d e *n s p )1()1(∆-=+-+= op op 0e d e *n s p e d 0d n n C RI C U K K C R I U n ∆-=-=-=它们的关系 （1·3）（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。
闭环系统和开环系统的静差率分别为当 n 0op =n 0c l 时（1·4）（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。
如果电动机的最高转速都是n max ；而对最低速静差率的要求相同，那么开环时， 闭环时，再考虑式（1-3），得（1·5） （4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。
把以上四点概括起来，可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。
由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。
现代控制理论：直流电机模型⽬录1.直流电机 (3)2.状态空间表达式 (6)3.对⾓标准型及相关分析 (7)4.系统状态空间表达式求解 (8)5.系统能控性和能观性 (8)6.系统输⼊输出传递函数 (9)7.两种⽅法判断开环稳定性 (9)8.闭环极点配置 (10)9.全维状态观测器设计 (13)10.带状态观测器的状态反馈控制系统的相关跟踪图 (17)10.带状态观测器的闭环状态反馈系统相关分析 (21)11.结束语 (22)现代控制理论基础结课作业选题：直流电机模型姓名：班级：测控1003学号：201002030313第 I 条1直流电动机的介绍节1.011.1研究的意义直流电机是现今⼯业上应⽤最⼴的电机之⼀，直流电机具有良好的调速特性、较⼤的启动转矩、功率⼤及响应快等优点。
在伺服系统中应⽤的直流电机称为直流伺服电机，⼩功率的直流伺服电机往往应⽤在磁盘驱动器的驱动及打印机等计算机相关的设备中，⼤功率的伺服电机则往往应⽤在⼯业机器⼈系统和CNC铣床等⼤型⼯具上。
[1]节 1.021.2直流电动机的基本结构直流电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可以⽅便地在宽范围内实现⽆级调速，故多采⽤在对电动机的调速性能要求较⾼的⽣产设备中。
直流伺服电机的电枢控制：直流伺服电机⼀般包含3个组成部分：-图1.1①磁极：电机的定⼦部分，由磁极N—S级组成，可以是永久磁铁（此类称为永磁式直流伺服电机），也可以是绕在磁极上的激励线圈构成。
②电枢：电机的转⼦部分，为表⾯上绕有线圈的圆形铁芯，线圈与换向⽚焊接在⼀起。
③电刷：电机定⼦的⼀部分，当电枢转动时，电刷交替地与换向⽚接触在⼀起。
直流电动机的启动电动机从静⽌状态过渡到稳速的过程叫启动过程。
电机的启动性能有以下⼏点要求：1）启动时电磁转矩要⼤，以利于克服启动时的阻转矩。
2）启动时电枢电流要尽可能的⼩。
3）电动机有较⼩的转动惯量和在加速过程中保持⾜够⼤的电磁转矩，以利于缩短启动时间。
第一章直流电动机简介1.1直流电动机的发展近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。
但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。
为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。
早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。
1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。
经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。
1.2直流电机的结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕阻、换向器和风扇等组成。
专业资料电机简要学习手册2015-2-3一、直流电机原理与控制方法1直流电机简介直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。
它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。
但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。
但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。
2 直流电动机基本结构与工作原理2.1 直流电机结构如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。
定子按照励磁可分为直励，他励，复励。
电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。
2.2 直流电机工作原理如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A 流入，经过线圈abcd，从电刷B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A 和换向片2接触，电刷B 和换向片1接触，直流电流从电刷A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B 流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
直流电动机闭环调速实验本实验主要是利用闭环控制思想来完成直流电动机的调速实验。
直流电动机是工业生产中最常见的驱动装置之一，其广泛应用于动力和万向传动领域，因而其调速功能也显得特别重要。
本实验所采用的直流电动机主要是通过调整直流电源的电压来实现调速的，闭环调速实验主要包括系统建模、控制参数的选择、控制效果的评估等内容。
一、实验原理直流电动机是一种较为简单的电机。
在工作过程中，它的转速与电源电压有很大的关系。
电源电压越高，电机的转速越快；反之，电源电压越低，电机的转速也越慢。
因此，通过改变直流电源的电压，就可以实现直流电动机的调速。
这种方法叫做电压调速。
但是，这种方法的调速精度无法满足需要，因此采用闭环控制调速，可以更加精准地调节直流电动机的转速。
2. 直流电动机闭环控制原理闭环控制是一种基于反馈的控制方法，控制器通过传感器获得输出反馈信号，从而实现对系统控制的精准调节。
在直流电动机的闭环调速中，可以通过安装转速传感器来获得电动机输出的转速信号，控制器则根据转速信号对输出电压进行调节，从而控制电机的转速。
二、实验设备直流电动机、电源、转速传感器、PID调节器、数字万用表、示波器。
三、实验步骤1. 点动实验点动实验是为了检测电机正反转和控制信号的传输情况。
在实验开始之前，先将转速传感器安装在电机上，并将调节器与传感器相连。
将电机接通电源，观察电机是否正常运转。
然后，用调节器控制电机正反转，观察电机运动方向是否正确。
最后，观察调节器的数值是否能够正常反映电机运转的转速。
2. 建立数学模型在实验过程中，需要对电机系统进行建模。
首先，采用传递函数的方法对电机系统进行建模，建立电机系统的传递函数，然后对传递函数进行调整，从而得到合适的控制器参数。
3. 选择控制参数根据实验结果，选择合适的控制参数。
在本实验中，采用PID控制器来完成闭环控制。
将调节器设定为PID控制模式，并分别测试不同比例系数、积分系数和微分系数下的调节效果，选择合适的控制参数。
《电力拖动自动控制系统》教学大纲一、课程基本信息1、课程英文名称：Automation Control System by Power Driving2、课程类别：专业方向课程3、课程学时：总学时64，实验学时84、学分：45、先修课程：《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子技术》、《电机学》、《控制电机》、《自动控制原理》、《电力拖动基础》等专业基础课程6、适用专业：电气工程及其自动化二、课程的目的与任务课程的教学目的：本课程是电气工程及其自动化专业的专业特色课程。
通过本课程的学习，了解和掌握电力拖动自动控制系统的设计、校正和综合方法，为今后的工作打下专业基础。
课程教学的任务：了解直流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，调速系统的静态动态性能指标。
掌握直流转速单闭自动控制系统和转速、电流双闭环自动控制系统的静、动态设计方法，深刻领会和掌握控制系统的工程设计方法，能够熟练应用典型Ⅰ型、典型Ⅱ系统的设计和校正方法，了解可逆直流调速系统和位置随动系统的特点和设计方法。
了解交流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，特别是重点了解和掌握笼型异步电动机变压变频调速系统的原理、特点和设计方法，了解矢量控制技术在异步电动机变压变频调速系统的应用，了解同步电动机变压变频调速系统的特点和设计方法。
三、课程的基本要求本课程是所有专业基础课程的综合应用，特别是对《电力电子技术》、《电机学》、《控制电机》、《自动控制原理》、《电力拖动基础》以及《模拟电子技术》、《数字电子技术》的基础知识应用较多，学生必须在这些专业基础课程学习过后，才能开设本课程。
教师在授课中必须引导学生对专业基础课程的综合应用，按照系统的控制规律为主线，由简入繁、由低及高的循序深入，思路必须清楚，引导学生学习和掌握系统设计与分析的方法，培养学生对工程问题的处理方法，同时要认真进行和完成课程实验，并且通过课程设计，要求学生能够对简单的电力拖动自动控制系统进行性能分析和设计。
