重庆大学本科学生课程设计（论文）运动控制系统课程设计报告
直流可逆调速系统设计
指导教师：XXX
学生：XXX
学号：XXX
专业：自动化
班级：02班
设计日期：2014.9.22—2014.9.29
重庆大学自动化学院
2014年9月
课程设计指导教师评定成绩表
指导教师评定成绩：
指导教师签名：年月日
自动化学院2011级自动化专业
运动控制系统课程设计任务书
一、课程设计的教学目的和任务
运动控制系统是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，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。
在电力、工业、交通、航空航天等很多领域具有广泛的应用。
运动控制技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。
因此，提高学生的运动控制系统综合设计和应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。
通过运动控制系统的课程设计达到以下几个目的：
1、培养学生文献检索的能力，特别是利用互联网检索文献资料的能力。
2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4、提高学生的运动控制系统分析和设计能力。
5、提高学生课程设计报告撰写水平。
二、课程设计的基本要求
1、在整个设计中要注意培养灵活运用所学的运动控制系统相关知识和创造性的思维方式以及创造能力。
课程设计从确定方案到系统设计要求有理有据，仿真过程要求图文并茂，论证充分。
2、在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。
要求学生在教师的指导下，独力完成课程设计的所有内容，严禁抄袭。
3、课题设计报告要求严格按照课程设计排版要求规范格式，且文字通顺，逻辑性强。
4、课题设计报告内容部分字数要求为6000字左右。
（A4纸打印8页左右）
三、参考资料
1、阮毅, 陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第4版）. 北京: 机械工业出版社, 2009
2、洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 北京: 机械工业出版社, 2010
3、林飞, 杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真. 北京: 中国电力出版社, 2008
4、顾春雷等，电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真，清华大学出版社，2011
四、课程设计的工作计划
课程设计时间总共5天。
1、参考相关资料，消化设计内容（1天）；
2、按要求完成设计任务（2.5天）；
3、按课程设计的规范要求撰写设计报告（1.5天）。
五、备选题目
1. 带电流截止负反馈环节的直流调速系统设计
为了解决转速反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，可以通过引入电流截止负反馈使得系统在电流大到保护阈值时自动限制电枢电流，而在正常的稳速运行时，电流自动随着负载的增减而变化。
本课程设计内容要求学生设计一个带电流截止负反馈环节的直流调速系统，并基于Matlab/Simulink建立其仿真模型，分析电流截止负反馈功能对系统动、静态特性的影响。
主要设计内容：
（1）查询文献资料或者结合某具体应用背景，自选直流电动机及电枢电路的参数，并设定系统预期性能指标（如调速范围及静差率等）及电流
截止保护阈值；
（2）确定直流电源方案及电流负反馈方案，绘制系统结构框图，并进行相关参数计算；
（3）控制器选型及控制参数设计；
（4）建立系统仿真模型，验证设计结果并进行仿真分析。
主要分析内容：
（1）采用比例控制器，分析额定负载下的系统在阶跃给定下的控制器输出电压、电枢电流以及输出转速的响应特性，分析稳态误差并与理论计
算结果相比较，分析比例控制系数Kp对系统稳定性的影响并验证理
论临界放大系数；分析系统起动过程及过载情况下，电流截止负反馈
功能对电枢电流的抑制效果。
（2）采用比例积分控制器，分析额定负载下的系统在阶跃给定下的控制器输出电压、电枢电流以及输出转速的响应特性；分析系统起动过程及
过载情况下，电流截止负反馈功能对电枢电流的抑制效果，并与比例
控制器下的结果进行对比。
2. 转速、电流双闭环直流调速系统设计
在许多生成过程中，由于加工和运行的需要，电机经常处于起动、制动、反转的过渡过程，而过渡过程的时间长短在很大程度上决定了生产机械的生产效率。
为了缩短时间，可以采用转速、电流双闭环直流调速系统来获得良好的静、动态性能。
本课程设计内容要求学生设计一个转速、电流双闭环的直流调速系统，并基于Matlab/Simulink建立其仿真模型，以此研究不同控制器参数下电机的起动、制动过程。
主要设计内容：
（1）查询文献资料或者结合某具体应用背景，自选直流电动机及电枢电路的参数，并设定系统预期性能指标（如上升时间、超调量、峰值时间
和调节时间等）；
（2）确定直流电源方案及闭环反馈方案，绘制系统结构框图，并进行相关参数计算；
（3）控制器选型及控制参数设计；
（4）建立系统仿真模型，验证设计结果并进行仿真分析。
主要分析内容：
（1）额定负载下，分析电机从静止到额定转速的起动过程，包括两个控制器输出电压、电枢电流以及输出转速的响应特性，列写出上升时间、
超调量、峰值时间和调节时间等指标参数，并与预期值进行对比；分
析电机制动过程中两个控制器输出电压、电枢电流以及输出转速的响
应特性。
（2）分析两个控制器的比例、积分参数对输出转速的影响，并选择一组合适参数用于分析电网电压、负载电流对电枢电流、输出转速的影响。
3. 直流可逆调速系统设计
实现直流电机的正向与反向旋转，是大多数直流调速系统的基本要求。
对于动态性能要求较高的调速系统（例如目标追踪系统），还会要求系统有应用所需的转速反向能力。
本课程设计要求学生设计一个可以实现正反转切换的调速系
统，该系统能够实现在电机额定负载下，对于拖动性负载，由正向额定转速到反向额定转速的快速变化。
所需电动机请从《Z4直流电机系列》中选择。
调速系统的基本结构必须基于转速-电流双闭环结构。
需对如下部分给出设计计算方案：
（1）控制系统结构
（2）控制器参数
（3）相应的驱动电源
并基于Simulink建立直流可逆调速系统仿真模型，并着重对转速反向动态过程进行分析。
需要仿真分析说明系统在额定负载下，从正向额定转速变化到方向额定转速的过程中，以下相关量的动态变化情况：
（1）系统给定值的变化；
（2）电机转速的变化
（3）电枢电流的变化
（4）电流环给定值的变化
（5）电流控制器输出值的变化
以上变量均需以Simulink输出动态曲线作为说明依据。
并基于以上依据分析说明
（1）该过程中各个阶段能量的传输方向；
（2）提高转速反向动态性能的策略
4. 转速开环变压变频调速系统设计
转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。
变压变频调速系统由升降速时间设定、U/f曲线、PWM调制和驱动、逆变器以及交流电动机等环节组成，本课程设计要求学生设计一个转速开环的变压变频交流调速系统，并基于Matlab/Simulink建立系统仿真模型，分析系统特性。
主要设计内容：
（1）查询文献资料或者结合某具体应用背景，自选交流异步电动机及电枢电路的参数，并设定系统预期性能指标；
（2）确定逆变器控制方案（如SPWM、SVPWM或CFPWM等），绘制系统结构框图，并进行相关参数计算；
（3）根据升降速时间要求设计积分电流给定算法；
（4）根据负载需求设计低频电压补偿算法，绘制U/f曲线；
（5）建立系统仿真模型，验证设计结果并进行仿真分析。
主要的分析内容：
（1）不带低频电压补偿的恒压频比控制方式下，分析系统在额定负载下起动过程的转速、逆变器输出电压、电流及频率响应特性，分析给定积分算法对起动电流的限制效果；
（2）带低频电压补偿的恒压频比控制方式下，分析低频电压补偿对系统机械特性的影响，计算补偿前后的临界转矩并与仿真结果相比较。
目录
1 引言 (1)
2 V-M可逆直流调速系统组成 (2)
2.1 主电路结构 (2)
2.2 α=β配合控制 (2)
2.3 系统原理框图 (3)
3 V-M可逆直流调速系统的设计 (4)
3.1 直流电动机的选择 (4)
3.1.1电机参数 (4)
3.1.2设计参数指标 (4)
3.2 双闭环系统的设计 (4)
3.3电流调节器ACR设计 (5)
3.3.1电流环结构图的简化 (5)
3.3.2电流调节器ACR的选择 (5)
3.3.3电流调节器ACR的参数计算 (5)
3.3.4电流调节器ACR的作用 (6)
3.4 转速调节器ASR设计 (7)
3.4.1 转速环结构图的简化 (7)
3.4.2 转速调节器ASR的选择 (7)
3.4.3 转速调节器ASR的参数计算 (7)
3.4.4转速调节器的作用 (8)
4 V-M可逆直流调速系统的仿真 (8)
4.1 V-M可逆直流调速系统的仿真框图 (8)
4.2 V-M可逆直流调速系统仿真结果及分析 (9)
附录 (12)
参考文献 (13)
1 引言
在生产机械尤其是机床加工的过程中，要求电机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电机拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。
对于直流调速系统可采用转速、电流双闭环控制的直流调速系统，采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程，并且要做到在起动过程只有电流负反馈，在达到稳态转速时又只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。
由ASR和ACR分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者间实行串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，最终实现对直流电机的调速控制。
对于可逆系统的实现可采用改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电动机的旋转方向，这对于电动机而言是很简单的事。
然而当直流电动机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题变得复杂。
根据之前所学知识，可以采用直流PWM可逆调速和V-M可逆直流调速，两种可逆调速系统各具优势。
本次课程设计以转速、电流双闭环控制的直流调速系统的设计方法为基础，根据所选用的电动机参数分别设计对应的电流环和转速环；采用V-M可逆直流调速系统的控制方法，对电流调节器、转速调节器进行设计，最后根据所得到的设计方案，用MATLAB软件的Simulink模块建立直流可逆调速系统仿真模型，根据仿真的结果对转速反向动态过程进行分析。
运动控制系统课程设计（论文）2V-M可逆直流调速系统组成
2 V-M可逆直流调速系统组成
2.1 主电路结构
由于晶闸管的单向导电性，对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统，必须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速，如下图所示。
电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。
两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。
图2.1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
2.2 α=β配合控制
采用两组晶闸管整流装置反并联的可逆V-M系统在两组装置同时工作时，会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。
正组VF和反组VR都处在整流状态时，造成两组的直流平均电压正、负相连，会产生较大的直流平均环流。
为了防止直流平均环流的产生，应在正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，并使两组输出电压的平均值大小相等、符号相反。
因此，当直流平均环流为零时，应有正组的触发延迟角等于反组的逆变角即α=β配合控制。
如果将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90°，增大控制电压移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等、符号相反就可以了，对应触发角、逆变角的变化如下图所示。
-
c
cm
c
图2.2 α=β配合控制特性
2.3 系统原理框图
由图2.3可知，该V-M可逆直流调速系统采用转速、电流双闭环直流调速系统的结构，使系统的动态性能、控制精度得到保证。
主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，对两组晶闸管装置的触发角进行α=β配合控制实现无直流平均环流，在两组晶闸管回路中加入四个环流电抗器来抑制瞬时脉动环流。
正组晶闸管VF由GTF触发，反组晶闸管VR由GTR触发；根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。
①给定电压，在电机正转时，KF闭合，Un*=“
+”；反转时，KR闭合，Un*=“-”。
②转速反馈，在电机正转时，Un=“-”；反转时， Un=“+”③电流反馈电压，在电机正转时，Ui =“+”；反转时，Ui =“-”。
图2.3 α=β配合控制的有环流系统的原理框图
3 V-M 可逆直流调速系统的设计
3.1 直流电动机的选择
3.1.1电机参数
型号：Z4-180-11；额定功率：13kW ；额定转速:540 r/min; 额定电压：160V ； 电枢电流：42.4A ；电枢回路电阻：1.264Ω；电枢回路电感：25mH; 惯量矩：
1.522
kg m •。
3.1.2设计参数指标
① 电流调节器,要求电流超调量i σ≤5%
②转速调节器，要求转速超调量n σ≤10%
3.2 双闭环系统的设计
双闭环控制系统的动态结构图如下：
图3.1 双闭环控制系统的动态结构图
调节器的工程设计方法：先从电流环开始，对其进行必要的变换和近似处
理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。
电
流环设计完成后，把电流环等效成转速环中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。
3.3电流调节器ACR 设计
3.3.1电流环结构图的简化
电流环结构图最终简化图
图3.2 电流调节器模块
3.3.2电流调节器ACR 的选择
调节器设计基本思路: 将控制对象校正成为典型系统。
系统设计的一般原则：“先内环后外环”
电流超调量i σ≤5% ，电流环按典型I 型系统设计电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI 型的电流调节器。
● 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I
型系统就够了。
● 从动态要求上看，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，电流环应以跟随性能为主。
3.3.3电流调节器ACR 的参数计算
(1)传递函数可以写成：
s
s K s W i i i ACR 1)(ττ+= （3.1） (i K ：电流调节器的比例系数；i τ： 电流调节器的超前时间常数。
)
(2)电动机转矩时间常数：
m T =2*/375e m GD R C C =1.52*1.264/375*0.131*1.25=0.031s （3.2）
(3)电动机电磁时间常数：l T =0.03s
(4)三相晶闸管整流电路平均失控时间：Ts =0.0017s
(5)电流环的小时间常数：T =Ts +oi T =0.0017+0.002=0.0037s （3.3） 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
i τ=l T
=0.076s 。
(6)电流环开环增益：0.5l K T ==0.50.00371s -=135.11s - （3.4） (7)晶闸管装置放大系数：40s K =，电流反馈系数：10/1.5n I β==0.157
(8)电流调节器的比例系数：l i n K R Ki K τβ
==135.10.031.264400.157⨯⨯⨯=0.816 （3.5） (9)电流调节器ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dn U 。
本系统调节器限幅值*
cm U =±10V 。
3.3.4电流调节器ACR 的作用
当负载电流达到 dm I 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
3.4 转速调节器ASR 设计
3.4.1 转速环结构图的简化
图3.3 转速环结构图最终简化图
图3.4 转速调节器模块
3.4.2 转速调节器ASR 的选择
转速环按典型II 型系统设计，并选中频段宽度h=5。
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，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
3.4.3 转速调节器ASR 的参数计算
(1)传递函数可以写成：
s
s K s W n n n ASR 1)(ττ+= （3.6） ⑵电流环等效时间常数1I K ，1I
K =2T =0.0074s （3.7） ⑶转速滤波时间常数0.01on T s =
⑷转速环小时间常数n T ∑，1n on I
T T K ∑=+=0.0174s （3.8） ⑸ASR 的超前时间常数为: n n hT τ∑==50.0174s ⨯=0.087s （3.9）
⑹ASR 的比例系数为：(1)2e m n n h C T K h RT βα∑+==60.1570.1320.18250.0185 1.2640.0174
⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=5.5 （3.10） (7)转速调节器ASR 的输出限幅电压*
im U 决定了电流给定电压的最大值；
它是由负载电流 dl I 决定。
dl I =20A 。
则*
im U
=n I -dl I *λ=42.4-1.5*20=10V
（3.11） 3.4.4 转速调节器的作用
（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI 调节器，则可实现无静差。
（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
（4）双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dm I 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作
4 V-M 可逆直流调速系统的仿真
4.1 V-M 可逆直流调速系统的仿真框图
V-M 可逆直流调速系统主电路采用的是两组晶闸管装置反并联可逆电路。
两组晶闸管分别由两套触发装置控制，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。
本系统采用的是三相桥式反并联可逆线路，可使电动机在四个象限内运转。
基于转速、电流双闭环控制的V-M 可逆直流调速系统的Matlab Simulink 仿真框图请见附录。
4.2 V-M可逆直流调速系统仿真结果及分析
图4.1电动机转速变化图4.2电动机电流变化
正向额定：
（1）第一阶段：突加给定电压*
U n
后，经过两个调节器的跟随作用，c U 、0d U 、d I 都上升，但是在d I 没有
达到负载电流dL I 以前，电机不转动。
当d I ≥dL I 后，电动机开始起动，由于机
电惯性的作用，转速不会很快增长，因
而转速调节器ASR 的输入偏差电压的数值较
大，其输出电压保持限幅值*
im U ，强迫电枢电流d I 迅速上升，直到d I ≈dm I ，
*i im U U ≈，电流调节器很快抑制了d I 的增长。
（2）第二阶段：在这一阶段，ASR 始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定*
im U 下的电流调节器系统，基本上保持电流d I 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。
（3）第三阶段：当转速上升到给定值*n 时，转速调节器ASR 输入偏差为
零，但其输出却由于积分的作用还维持在限幅值*im U ，所以电动机仍在加速，使转速超调。
转速超调后，ASR 输入偏差电压变负值，使它开始退出饱和状态，*i U 和d I 很快下降，但是，只要d I 仍大于负载电流dL I ，转速就继续上升。
直到d I <dL I ，电机开始减速，直到稳定在额定负载。
在转速调节阶段，ASR 和ACR 都不饱和，ASR 起主导作用。
反向额定：
电动机作正向额定运行，在系统获得反向运转指令后，电动机不会立即进入反向电动工作状态，它要经过一个过渡过程：电动机的平均电流d I 先从正向dL I 降低为零，然后从零反向上升到允许的制动电流dm I -，此时直流电动机工作在回馈制动状态，位于第二象限。
电动机转速将减速到0，然后进入反向起动状态，起动过程同正向额定过程相同。
直流电动机正转转速额定时，系统给定值为正10V ；电流环给定值为正
10V ，主要由于转速调节器最大输出值决定的；电流控制器的输出值在电动机起动时迅速增加，以保证电动机的快速起动。
电流控制器的输出值最终会达到最大输出值，并保持稳定，其输出最大值是由电流调节器决定的。
图4.5 电流环给定值
直流电动机反转转速额定时，系统给定值为负10V；电流环给定值为负
10V，其主要由于转速调节器最大输出值决定的。
在向电动机发出反转指令后，电流调节器的输出电流不可能立即变为反向的电流最大值，电流调节器的输出值会先迅速的减小到零，然后再反方向增加到负的最大值。
电动机起动、运行阶段能量是从电能转换成机械能；电动机的制动过程是能耗制动，机械能转换成其它能量的损耗。
通过电动机转速、电流仿真波形，分析可得V-M可逆直流调速系统能够实现直流电动机的快速起动、制动、反转。
并且当电动机额定运行时，电流超调量和转速超调量均满足设计指标要求，设计的V-M可逆直流调速系统最终满足了直流可逆调速系统的设计要求。
对于转速反向动态性能的提高，可以采用逻辑控制的无环流V-M可逆调速系统。
运动控制系统课程设计（论文）附录
附录
运动控制系统课程设计（论文）参考文献
参考文献
1、阮毅, 陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第4版）. 北京: 机械工业出版社, 2009
2、洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 北京: 机械工业出版社, 2010
3、林飞, 杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真. 北京: 中国电力出版社, 2008
4、顾春雷等，电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真，清华大学出版社，2011
13。
