设计报告

直流电动机转速电流双闭环调速系统设计班级电气优创0801姓名张镇炀学号 08120131同组人李渊邢丽丽1目录1.设计内容及要求 3 (4)2.双闭环直流调速系统设计 4 (16)3.单闭环直流调速系统设计 16 (21)4.相关原理图设计波形图 21 (25)5.设计总结及心得 262第一章.设计内容及要求1.设计内容：1.1根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统1.2根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，并利用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统2.设计要求：一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二按工程设计方法设计转速电流双闭环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、绘制系统动态结构图三设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速电流双闭环直流调速系统，使用专用电子电路绘图软件，绘制控制电路及主电路图四测试双闭环直流调速系统的PWM驱动信号波形，PWM电压波形，电机电流波形，转速反馈波形及控制电路单元的相关波形五提交完整的直流电动机转速电流双闭环直流调速系统设计，测试结果报告书。

3.设计参数：3.1直流电动机参数：PN =20W、UN=24V、IN=1.5A、nN =3000r/min、电枢电阻Ra=1.8Ω电枢电感La=9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35ms3.2测速发电机参数：Un =80V，nN=3000r/min，PN=16W，IN=200mA，负载电阻R=400Ω343.3PWM 主电路：驱动频率f ≥100kHz ，R=2.7+1.8=4.5Ω 3.4设计指标转速单闭环直流调速系统：D=20，s ≤5%；转速电流双闭环直流调速系统：U *n =10V ，U im =10V ，I dm =1.5I N ，σi ≤5%，σn ≤10%。

第二章.双闭环直流调速系统设计转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。

本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

2.1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。

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。

2.2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U c为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

2.2.1稳态结构框图和静特性56图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图α—转速反馈系数; β —电流反馈系数K sα1/C eU *n U c I d EnU d0 U n++ -ASR + U *i- RβACR -U iUP2.2.2 系统的静特性曲线2.2.3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：速反馈转系数电流反馈系数2.3调节器的设计rVrVnUmin/.0034.0min/300010max*nm===αAVAVIU/44.45.15.110dm*im=⨯==β782.3.1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 。

（1~2）Toi=0.1ms ，因此取Toi=0.06ms=0.00006s 。

（3）电流环小时间常数之和i T ∑。

按小时间常数近似处理，取i T ∑= Ts+Toi=0.00016s 。

（4）电磁时间常数TL TL=2.2ms=0.0022s 2. 选择电流调节器的结构根据设计要求5%i σ≤，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()(1)i i ACR s i K s W sττ+=式中 i K ------电流调节器的比例系数；图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图U*nαU c -I dLnUd0U n+- - β+- U iW ASR (sW ACR (s) K s T s s +1 1/T l s+1 RT m sU *i I d1/C e+ E9i τ-------电流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：75.1300016.00022.0==∑ss T T i l ,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：s T l i 0022.0==τ。

电流开环增益：要求5%i σ≤时，取0.5I i K T ∑=，因此 1312500016.05.0-==s sK I于是，ACR 的比例系数为==βτs i I i K RK K 4.6454. 校验近似条件电流环截止频率： ==I ci K ω31251-s （1） PWM 装置传递函数的近似条件=sT 31 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=lm T T 13369.274 满足近似条件。

（3） 电流环小时间常数近似处理条件=ois T T 131 4303.31510满足近似条件。

5. 计算调节器电阻和电容由图1.1，按所用运算放大器取R 0=40k Ω，各电阻和电容值为,8.1850Ω==K R K R i i , 取190ΩK F RiiCi μτ012.0==，取0.012F μ,006.040F R T C oioi μ==取0.006F μ 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为4.3%5%i σ=<，满足设计要求。

2.3.2转速调节器的设计 1. 确定时间（1）电流环等效时间常数1/K I 。

由前述已知，0.5I i K T ∑=，则图1.1 含滤波环节的PI 型电流调节器11s s T K i I00032.000016.0221=⨯==∑ （2）转速滤波时间常数on T ，根据所用测速发电机纹波情况，取s T on 003.0=.（3）转速环小时间常数n T ∑。

按小时间常数近似处理，取s s s T K T on In 00332.0003.000032.01=+=+=∑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(1)()n n ASR n K s W s sττ+=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 n hT τ0.0166则转速环开环增益=+=∑2221nN T h h K 435.48可得ASR 的比例系数为=+=∑nme n RT h T C h K αβ2)1( 9.047式中 电动势常数。

r V n R I U C NaN N e min/.0071.0=-=。

4.检验近似条件12转速截止频率为 1114.6-===s K K n N Ncn τωω（1）电流环传递函数简化条件为=∑iIT K 311473.14 满足简化条件。

（2）转速环小时间常数近似处理条件为=onIT K 31340.21 满足近似条件。

5．计算调节器电阻和电容根据图1.2 所示，取040R k =Ω，则,88.3610Ω==K R K R n n 取ΩK 460F R C nnn μτ==, 取F μ04.0F R T C onon μ==4, 取F μ3.0图1.2 含滤波环节的PI 型转速调节器136.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，37.6%n σ=，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0=Z ，已知A I N 5.1=，min /3000r n N =，5.1=λ，Ω=5.4R ， r V C e min/0071.0⋅=，s T m 03.0=，s T n 00332.0=∑。

当5=h 时，由附表6.4查得，%2.81/max =∆b C C 而调速系统开环机械特性的额定稳态速降m nN b b b n T T n n Z C C n n C C ∑∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=*)(2*max max λσ (6-24） 调速系统开环机械特性的额定稳态速降min;/91.1173r C RI n eN N ==∆*n 为基准值，对应为额定转速min /3000r n N =。

根据式（6-24）计算得=n σ8.96%满足设计要求。

2.3.3调速系统的开环传递函数)1()1()(2++=∑s T s s K s W n n N n τ，其中m e n n NT C aRK K βτ=；14代入以求数据得)(s W n =)100282.0(23.109142.1812++s s s ；应用MATLAB 编程画伯德图；其程序为：num=[212.7,15088.5]; >> den=[0.00282,1,0,0]; >> bode(num,den)>> [Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(num,den) Gm =Inf Pm =41.1284Wcg =Inf Wcp =197.4600直流双闭环调速系统伯德图第三章 单闭环直流调速系统设计3.1.1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U n，与给定电压U*n相比较后，得到转速偏差电压U n，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压U，用以控制电动机转速n。