双闭环直流调速系统(课程设计)

转速电流双闭环控制直流调速系统的课程设计流程介绍如下：
1.确定系统参数和控制策略：根据具体需求和电机特性，确定系
统参数和控制策略，如电机额定电压、额定电流、最大转速、控制器采样周期、PID控制器参数等。

2.搭建硬件平台：根据系统参数和控制策略，搭建硬件平台。

硬
件平台包括电机、电源、传感器、控制器等。

3.编写程序：根据系统参数和控制策略，编写程序。

程序主要分
为两部分，一部分是转速闭环控制程序，另一部分是电流闭环控制程序。

程序需要实时读取电机转速和电流传感器的反馈信号，并根据PID控制器的输出值调节电机电压和电流。

4.调试和测试：在搭建好硬件平台和编写好程序后，进行调试和
测试。

测试可以分为两个部分，一部分是转速闭环控制测试，另一部分是电流闭环控制测试。

测试的主要目的是验证程序的正确性和系统的控制性能。

5.总结和分析：在测试完成后，对测试结果进行总结和分析。

分
析结果可以用于进一步改进控制策略和优化系统性能。

总之，转速电流双闭环控制直流调速系统的课程设计需要深入了解电机控制原理和PID控制器的设计方法，需要具备一定的电路设计和编程能力。

摘要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

此外，本文中还采用了芯片IR2112S作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块来完成了在主电路中对直流电机的控制。

另外，本系统中使用了光电编码器对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。

在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，单片机产生PWM波形的程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现，M法数字测速及动态LED显示程序设计，A/D转换程序及动态扫描LED显示程序和故障检测程序及流程图。

关键词： PWM信号直流调速双闭环 PI调节前言本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

运动控制课程设计-不可逆直流PWM双闭环调速系统运动控制课程设计-不可逆直流PWM双闭环调速系统一、设计背景和目的随着工业自动化的快速发展，运动控制系统的应用越来越广泛。

其中，不可逆直流PWM双闭环调速系统在许多场合具有重要作用。

本设计旨在加深对运动控制理论的理解，通过实际操作，掌握不可逆直流PWM双闭环调速系统的设计方法。

二、系统概述不可逆直流PWM双闭环调速系统主要包括电流反馈环和速度反馈环。

电流反馈环主要用于控制电流，速度反馈环则主要用于控制转速。

通过两个环路的协同作用，实现对电机转速的精确控制。

三、系统设计1.硬件设计本系统主要由功率电路、控制电路、检测电路和驱动电路组成。

功率电路包括PWM逆变器和整流器，用于实现直流电转换为交流电，并根据控制信号调节输出电压。

控制电路主要包括控制器和算法，用于实现对电流和转速的反馈控制。

检测电路包括电流检测和速度检测，用于实时监测电流和转速。

驱动电路包括PWM驱动器和H桥驱动器，用于驱动电机旋转。

2.软件设计本系统的软件部分主要包括电流控制环和速度控制环的实现。

电流控制环通过比较实际电流与设定电流的差值，运用PI（比例积分）控制算法调节PWM逆变器的输出电压，以实现对电流的精确控制。

速度控制环则通过比较实际速度与设定速度的差值，运用PI控制算法调节PWM驱动器的占空比，以实现对转速的精确控制。

两个环路之间采用串联连接，电流控制环作为速度控制环的内环，以实现对电流和转速的高效控制。

四、测试与分析1.测试方法为验证本系统的性能，需要进行电流控制环测试和速度控制环测试。

在电流控制环测试中，设定电流值，观察实际电流是否能够快速、准确地跟踪设定值。

在速度控制环测试中，设定转速值，观察实际转速是否能够快速、准确地跟踪设定值。

2.结果分析通过测试，可以发现本系统在电流控制环和速度控制环方面均具有较好的性能。

在电流控制环测试中，实际电流能够快速、准确地跟踪设定值，跟踪误差较小。

运动控制系统课程设计设计名称双闭环直流调速系统专业班级自动化10—3学号**********姓名王韶雨指导教师李铁鹰运动控制系统课程设计设计名称双闭环直流调速系统专业班级自动化10—3学号**********姓名张浩宇指导教师李铁鹰目录一、设计任务 (2)1、设计对象参数 (2)2、性能指标 (2)3、课程设计的主要内容和要求 (2)3.1电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计 (2)3.2控制电路的设计 (2)二、电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计 (3)1、整流电路和整流器件的选择 (3)2、整流变压器参数的计算 (3)3、整流器件的保护 (4)4、平波电抗器参数的计算 (4)5、触发电路的选择 (4)三、直流双闭环调速系统原理图设计 (5)1系统的组成 (5)2系统的电路原理图 (6)3直流双闭环调速系统调节器设计 (6)3.1获得系统设计对象 (8)3.2电流调节器的设计 (6)3.3转速调节器的设计 (11)四、系统起动过程分析 (16)一、设计任务1、设计对象参数（1）P nom=30KW （2）U nom=220V （3）I nom=136A（4）n nom=1460r/min （5）R a =0.2Ω（6）R Σ=0.6Ω（7）C e=0.2 v.min/r （8）RΣ=0.18Ω（9）K S=42（10）T oi=0.002 s （11）T0=0.01 s （12）λ=1.5（13）U*nm=8 V (14)U*im=8 V2、性能指标σi≤5% σn≤10% 3、课程设计的主要内容和要求3.1电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计（1）整流电路和整流器件的选择（2）整流变压器参数的计算（3）整流器件的保护（4）平波电抗器参数的计算（5）触发电路的选择3.2控制电路的设计（1）建立双闭环不可逆直流调速系统的动态数学模型（2）电流调节器的设计计算（3）转速调节器的设计计算二、电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计1、整流电路和整流器件的选择目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示，其中阴极连接在一起的三个晶体管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶体管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。

1 设计方案论证电流环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。

方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。

转速环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。

方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。

2双闭环调速控制系统电路设计及其原理综述随着现代工业的开展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来越广泛的认同与应用。

相对于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的弱点。

双闭环控制那么很好的弥补了他的这一缺陷。

双闭环控制可实现转速和电流两种负反应的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。

其良好的动态性能主要表达在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。

正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进展深入的探讨和研究。

本次课程设计目的就是旨在对双闭环进展最优化的设计。

整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。

共阴极组VT1、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。

变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。

三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。

为使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的大电感负载。

三相桥式全控整流电路的工作原理是当a=0°时的工作情况。

双闭环直流调速系统一、课程设计大纲课程设计是本课程教学中极为重要的实践性教学环节，它不仅起着提高本课程教学质量、水平和检验学生对课程内容掌握程度的作用，还将起到从理论过渡到实践的桥梁作用。

通过课程设计，学生将进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课程的知识。

二、课程设计任务书该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。

动态性能指标：转速超调量n8，电流超调量i5，动态速降n810，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s。

说明机械负载对调速系统的基本要求（调速、稳速、加减速控制）。

推导该系统的机械特性方程并进行静特性分析（画出稳态结构框图）。

利用开环频率特性进行校正（在对数坐标纸上画图），使系统满足性能指标要求。

课程设计内容仿真：利用MATLAB进行系统校正仿真，编写仿真程序，在课程设计说明书中附仿真曲线图。

三、摘要本文介绍了双闭环直流调速系统的设计与分析。

该系统通过引入转速负反馈和电流负反馈，分别调节转速和电流，以满足对系统动态性能的较高要求。

在起动过程中，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值。

稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

双闭环直流调速系统具有无静差、良好的稳态精度和快速性，被广泛应用于对动态性能要求较高的领域。

本文还通过Matlab对系统进行了数学建模和仿真，以分析其特性。

四、系统技术数据及要求直流电动机需要三相直流电源，由三相桥式整流电路将三相交流380V电源整流为三相直流电源。

五、调速系统的方案选择系统性能要求：需要明确调速系统的控制目标，包括稳态精度、动态响应、过载能力等。

这些性能指标将直接影响到方案的选择。

例如，对于要求高精度和快速响应的系统，可能需要选择高性能的控制器和执行机构。

SHi-MAML；皿;TI hlHI 门JI iljCi g ^iJtKJ-h直流拖动控制系统课程设计报告目: 双闭环直流调速系统设计院: 沈阳工业大学工程学院业: 电气工程及其自动化级: 1101 班名: 孔令慧号: 120112724指导教师: 佟维妍起止日期：2014年6月16日〜2014年6月22日设计概述.2... 第一章系统总体设计 3...1.1 系统电路结构 3...1.2 两个调节器的作用.4..第二章整体电路分析 6...2.1 电流环设计 6...2.2 转速环设计 6...2.3 典型 I 型系统介绍2.4 典型n型系统介绍.8..2.5 转速调节器的实现.9..2.6 电流调节器的实现.9..2.7 校核转速超调量9...第三章参数计算 1..03.1 相关参数 1...03.2 主要参数计算.1..03.2.1 电流环参数计算 1...03.2.2 转速环参数的计算 1..2 MATLAB 仿真 1..5课程设计体会 1...9.双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点。

在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在电力拖动领域中发挥着及其重要的作用。

由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本人就直流电机调速进行了比较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，再进行双闭环直流电机设计方案的研究，用实际系统进行工程设计，并用所学的MATLABS 行仿真，分析了双闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差。

在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计需从动态校正的需要来解决，设计每个调节器是，都必须先求该闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，对于经常正反转运动的系统，尽量缩短启、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

为此，在电机最大允许电流和转矩受到限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，是电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而装入稳态运行。

UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面称为内环，转速环在外面，称作外环。

这就形成了转速，电流反馈控制直流调速系统。

图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图2.双闭环的稳态结构图和静特性图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。

对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。

3.双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图如图3所示，图中分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图中必须把电枢电流Id 显露出来。

图3 双闭环直流调速系统的动态结构图4.双闭环直流调速系统的调速方法调节转速可以有三种方法： （1）调节电枢供电电压U ； （2） 减弱励磁磁通Φ； （3） 改变电枢回路电阻R 。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。

改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

5.电流环、速度环的设计初始条件某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流136I A =；额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =⋅，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=；转速反馈系数0.007min/V r α=⋅。

4•仿真实验95•仿真波形分析13三、心得体会14四、参考文献161•课题研究的意义从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。

双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。

直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。

就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。

且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。

2•课题研究的背景电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。

从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件-GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件-IGBT、MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。

每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。

同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。

(3-16) 取：(3-17) ◎i=4.3%<5%，满足课题所给要求。

3.3速度调节器设计电流环等效时间常数1/K。

取KT乙=0.5,贝IJ：1二2X0.0067二0.0134K(3-15)转速滤波时间常数T on。