重庆大学运动控制系统设计.docx

重庆大学本科学生课程设计（论文）运动控制系统课程设计汇报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:2023.9.222023.9.29重庆大学自动化学院2023年9月课程设计指导教师评估成绩表项目分值优秀(100>x>90)良好(90>x>80)中等(80>x>70)及格(70>x60)不及格(x<60)评分参照原则参照原则参照原则参照原则参照原则学习态度认学习态度比较学习态度尚学习态度学习马虎，真，科学作风认真，科学作好，遵守组尚可，能纪律松散，学习态度严谨，严格保风良好，能按织纪律，基遵守组织工作作风不15证设计时间并期圆满完毕任本保证设计纪律，能严谨,不能按任务书中规务书规定的任时间，按期按期完毕保证设计时定H勺进度开展务完毕各项工任务间和进度各项工作作设计合理、理设计合理、理设计合理，设计基本设计不合论分析与计算论分析与计算理论分析与合理，理理，理论分对的，试验数对的，试验数计算基本对论分析与析与计算有据精确，有很据比较精确，的，试验数计算无大原则错误，技术强的!实际动手有较强的实际据比较精错，试验试验数据不水平能力、经济分动手能力、经确，有一定数据无大可靠，实际与实25析能力和计算济分析能力和的J实际动手错动手能力际能机应用能力，计算机应用能能力，重要差，文献引力文献查阅能力力，文献引文献引用、用、调查调强、引用合用、调查调研调查调研比研有较大的理、调查调研比较合理、可较可信问题非常合理、可信信有重大改善或有较大改善或有一定改善有一定见观念陈旧创新10独特见解，有新奇日勺见解，或新的见解解一定实用价值实用性尚可构造严谨，逻构造合理，符构造合理，构造基本内容空泛，辑性强，层次合逻辑，文章层次较为分合理，逻构造混乱，论文清晰，语言精层次分明，语明，文理通辑基本清文字体现不(计算确，文字流言精确，文字顺，基本抵晰，文字清，错别字书、畅，完全符合流畅，符合规达规范化规尚通顺，较多，达不图纸)JyJ规范化规定，范化规定，书定，书写比勉强抵达到规范化规撰写书写工整或用写工整或用计较工整；图规范化规定；图纸不质量计算机打印成算机打印成纸比较工定；图纸工整或不清文：图纸非常文；图纸工整、清晰比较工整晰工整、清晰整、清晰指导教师评估成绩:指导教师签名:自动化学院2023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，来变化工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使多种工作机械按人们期望日勺规定运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。在电力、工业、交通、航空航天等诸多领域具有广泛的应用。运动控制技术不仅自身是一项高新技术，并且还是其他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。通过运动控制系统日勺课程设计抵达如下几种目B:1、培养学生文献检索日勺能力，尤其是运用互联网检索文献资料的能力。2、培养学生综合分析问题、发现问题和处理问题日勺能力。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、提高学生课程设计汇报撰写水平。二、课程设计的基本规定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有关知识和发明性日勺思维方式以及发明能力。课程设计从确定方案到系统设计规定有理有据，仿真过程规定图文并茂，论证充足。2、在整个设计中要注意培养独立分析和独立处理问题日勺能力。规定学生在教师的指导下，独力完毕课程设计日勺所有内容，严禁抄袭。3、课题设计汇报规定严格按照课程设计排版规定规范格式，且文字通顺，逻辑性强。4、课题设计汇报内容部分字数规定为6000字左右。（A4纸打印8页左右）三、参照资料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,20232、洪乃刚.电力电子、电机控制系统日勺建模和仿真.北京：机械工业出版社,20233、林飞，杜欣.电力电子应用技术的JMATLAB仿真.北京：中国电力出版社,20234、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，2023四、课程设计的工作计划课程设计时间总共5天。1、参照有关资料，消化设计内容（1天）；2、按规定完毕设计任务（2.5天）；3、按课程设计的规范规定撰写设计汇报（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处理转速反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大日勺问题，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，电流自动伴随负载的增减而变化。本课程设计内容规定学生设计一种带电流截止负反馈环节的）直流调速系统，并基于MatlabZSimulink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J影响。重要设计内容：（1）查询文献资料或者结合某详细应用背景，自选直流电动机及电枢电路日勺参数，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，绘制系统构造框图，并进行有关参数计算；（3）控制器选型及控制参数设计；（4）建立系统仿真模型，验证设计成果并进行仿真分析。重要分析内容：（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成果相比较，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状况下，电流截止负反馈功能对电枢电流日勺克制效果。（2）采用比例积分控制器，分析额定负载下日勺系统在阶跃给定下日勺控制器输出电压、电枢电流以及输出转速日勺响应特性；分析系统起动过程及过载状况下，电流截止负反馈功能对电枢电流的克制效果，并与比例控制器下日勺成果进行对比。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，电机常常处在起动、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B静、动态性能。本课程设计内容规定学生设计一种转速、电流双闭环日勺直流调速系统，并基于Matlab/Simulink建立其仿真模型，以此研究不同样控制器参数下电机I月起动、制动过程。重要设计内容：（1）查询文献资料或者结合某详细应用背景，自选直流电动机及电枢电路日勺参数，并设定系统预期性能指标（如上升时间、超调量、峰值时间和调整时间等）；（2）确定直流电源方案及闭环反馈方案，绘制系统构造框图，并进行有关参数计算；（3）控制器选型及控制参数设计；（4）建立系统仿真模型，验证设计成果并进行仿真分析。重要分析内容:（1）额定负载下，分析电机从静止到额定转速日勺起动过程，包括两个控制器输出电压、电枢电流以及输出转速B响应特性，列写出上升时间、超调量、峰值时间和调整时间等指标参数，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日勺响应特性。（2）分析两个控制器的J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J影响。3.直流可逆调速系统设计实现直流电机日勺正向与反向旋转，是大多数直流调速系统日勺基本规定。对于动态性能规定较高的调速系统（例如目日勺追踪系统），还会规定系统有应用所需的转速反向能力。本课程设计规定学生设计一种可以实现正反转切换的调速系统，该系统可以实目前电机额定负载F,对于拖动性负载，由正向额定转速到反向额定转速的迅速变化。所需电动机请从Z4直流电机系列中选择。调速系统日勺基本构造必须基于转速电流双闭环构造。需对如下部分给出设计计算方案：（1）控制系统构造（2）控制器参数（3）对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。需要仿真分析阐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，如下有关量B¾动态变化状况:（1）系统给定值日勺变化;（2）电机转速B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输出动态曲线作为阐明根据。并基于以上根据分析阐明（1）该过程中各个阶段能量B传播方向；（2）提高转速反向动态性能的方略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日勺控制方式，能满足大多数场所交流电动机调速控制日勺规定，并且使用以便，是通用变频器日勺基本模式。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构成，本课程设计规定学生设计一种转速开环的变压变频交流调速系统，并基于MatlabZSimulink建立系统仿真模型，分析系统特性。重要设计内容：（1）查询文献资料或者结合某详细应用背景，自选交流异步电动机及电枢电路日勺参数，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），绘制系统构造框图，并进行有关参数计算;（3）根据升降速时间规定设计积分电流给定算法；（4）根据负载需求设计低频电压赔偿算法，绘制U/f曲线；（5）建立系统仿真模型，验证设计成果并进行仿真分析。重要日勺分析内容：（1）不带低频电压赔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J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J限制效果；（2）带低频电压赔偿的恒压频比控制方式下，分析低频电压赔偿对系统机械特性日勺影响，计算赔偿前后的临界转矩并与仿真成果相比较。1 引言12 V-M可逆直流调速系统构成31.1 1主电路构造31.2 =配合控制31.3 系统原理框图43 V-M可逆直流调速系统的设计63.1 直流电动机的选择6电机参数6设计参数指标63.2 双闭环系统EQ设计63.3 电流调整器ACR设计7电流环构造图的简化7电流调整器ACR的选择7电流调整器ACR的参数计算8电流调整器ACR的作用93.4 转速调整器ASR设计93.4.1 转速环构造图的简化93.4.2 转速调整器ASR的选择103.4.3 转速调整器ASR的参数计算10转速调整器的作用114 V-M可逆直流调速系统的仿真111 .1V-M可逆直流调速系统的仿真框图11164 .2V-M可逆直流调速系统仿真成果及分析12参照文献1引言在生产机械尤其是机床加工的过程中，规定电机既能正转，又能反转，并且常常还需要迅速日勺启动和制动，这就需要电机拖动系统具有四象限运行日勺特性，也就是需要可逆日勺调速系统。对于直流调速系统可采用转速、电流双闭环控制日勺直流调速系统，采用电流负反馈可以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，在抵达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，两者间实行串级连接，转速调整器日勺输出作为电流调整器B输入，再用电流调整器B输出去控制电力电子变换器UPE,最终实现对直流电机日勺调速控制。对于可逆系统日勺实现可采用变化电枢电压的极性，或者变化励磁磁通日勺方向，都可以变化直流电动机的旋转方向，这对于电动机而言是很简朴的事。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、电流双闭环控制日勺直流调速系统日勺设计措施为基础，根据所选用日勺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措施，对电流调整器、转速调整器进行设计，最终根据所得到的设计方案，用MATLAB软件的JSimUIink模块建立直流可逆调速系统仿真模型，根据仿真的成果对转速反向动态过程进行分析。2V-M可逆直流调速系统构成2. 1主电路构造由于晶闸管日勺单向导电性，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2.2CI=B配合控制采用两组晶闸管整流装置反并联的可逆V-M系统在两组装置同步工作时，会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通日勺短路电流，称作环流。正组VF和反组VR都处在整流状态时，导致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，应在正组处在整流状态时，强迫让反组处在逆变状态，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,应有正组日勺触发延迟角等于反组B逆变角即11=配合控制。假如将两组晶闸管装置日勺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日勺控制电压大小相等、符号相反就可以了，对应触发角、逆变角日勺变化如下图所示。2.3系统原理框图由图2.3可知，该V7I可逆直流调速系统采用转速、电流双闭环直流调速系统aJ构造，使系统的J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B可逆线路，对两组晶闸管装置日勺触发角进行=B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克制瞬时脉动环流。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、电流反馈电压都应当可以反应正和负的极性。给定电压，在电机正转时，KF闭合，Un*="+”；反转时，KR闭合，Un*=“-”。转速反馈，在电机正转时，Un=；反转时，Un=电流反馈电压，在电机正转时，Ui="+”；反转时，Ui=J'TM图2.3=配合控制的有环流系统的原理框图3V-M可逆直流调速系统日勺设计3.1 直流电动机的选择电机参数型号:Z4-180-11；额定功率：13kW；额定转速:540r/min;额定电压：160V；电枢电流：42.4A；电枢回路电阻：1.264Q；电枢回路电感：25mH;惯量矩：1.52w2o设计参数指标电流调整器,规定电流超调量«5%转速调整器，规定转速超调量%410%3. 2双闭环系统的设计双闭环控制系统的动态构造图如下:图3.1双闭环控制系统B动态构造图调整器日勺工程设计措施：先从电流环开始，对其进行必要日勺变换和近似处理，然后根据电流环日勺控制规定确定把它校正成哪一类经典系统，再按照控制对象确定电流调整器日勺类型，最终按动态性能指标规定确定电流调整器的参数。电流环设计完毕后，把电流环等效成转速环中日勺一种环节，再用同样日勺措施设计转速环。3.3 电流调整器ACR设计3.3.1 电流环构造图的简化(电流环构造图最终简化图图3. 2电流调整器模块O Inl.1OuUGainl Integrator3.3.2 电流调整器ACR的选择调整器设计基本思绪：将控制对象校正成为经典系统。系统设计的J一般原则：“先内环后外环”电流超调量o-i5%,电流环按经典I型系统设计电流环B控制对象是双惯性型日勺，要校正成经典I型系统，显然应采用PI型日勺电流调整器。从稳态规定上看，但愿电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。从动态规定上看，实际系统不容许电枢电流在突加控制作用时有太大B¾超调，以保证电流在动态过程中不超过容许值，而对电网电压波动B¾及时抗扰作用只是次要0¾原因，电流环应以跟随性能为主。3.3.3 电流调整器ACR的参数计算(1)传递函数可以写成：TC+1WAcR(三)=Ki(3.1)工避(：电流调整器B比例系数；ii电流调整器B超前时间常数。)(2)电动机转矩时间常数：Tm=GD2*R/375CeCwj=1.52*1.264375*0.131*1.25=0.031s(3.2)电动机电磁时间常数：T1=0.03s(4)三相晶闸管整流电路平均失控时间：75=0.0017s(5)电流环B小时间常数：T=Ts+Toi=Q.0017+0.002=0.0037s(3.3)为了让调整器零点与控制对象日勺大时间常数极点对消，选择马二十=0.076So(6)电流环开环增益：K产竺="一5-1=135.1r,(3.4)T0.0037(7)晶闸管装置放大系数：=40,电流反馈系数：/J=10l,5=0.157(8)电流调整器的比例系数：Ki=旦二竺=135.lx0.03xl.26481(3.5)Kn40x0.157电流调整器ACR日勺输出限幅电压UC“"艮制了电力电子变换器B最大输出电压U如。本系统调整器限幅值U;=±10V03.3.4 电流调整器ACR的作用当负载电流抵达/.后，转速调整器饱和，电流调整器起重要调整作用，系统体现为电流无静差，得到过电流的自动保护。(1)作为内环的调整器，在外环转速aJ调整过程中，它的J作用是使电流紧紧跟随其给定电压(即外环调整器的输出量)变化。(2)对电网电压B波动起及时抗扰B作用。(3)在转速动态过程中，保证获得电机容许日勺最大电流，从而加紧动态过程。(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起迅速的自动保护作用。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J。3.4 转速调整器ASR设计3.4.1 转速环构造图的简化图3.3转速环构造图最终简化图Gan3 HegratOfl图3. 4转速调整器模块3.4.2 转速调整器ASR的选择转速环按经典II型系统设计，并选中频段宽度h=5o为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一种积分环节，它应当包括在转速调整器ASR中，目前在扰动作用点背面已经有了一种积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，因此应当设计成经典II型系统,这样的系统同步也能满足动态抗扰性能好的J规定。3.4.3 转速调整器ASR的参数计算(1)传递函数可以写成:-T S + 1WASR (S) = Kn 3一(3.6)电流环等效时间常数_L , ±=2T =0. 0074sM K1(3.7)转速滤波时间常数骞=OOs转速环小时间常数改“，tii =- + =0.0174s(3.8)(5)ASR B超前时间常数为：=A = 5×0.01745=0.087s(3.9)ASR t列系数为：K”缥箸;制管黑黑=5.5(3. 10)转速调整器ASRH勺输出限幅电压决定了电流给定电压日勺最大值;它是由负载电流IdI决定。7j=20Ao则*入=424L5*20=10V（3.11）3.5 .4转速调整器日勺作用（1）转速调整器是调速系统的主导调整器，它使转速;7很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，假如采用Pl调整器，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容许的最大电流。（4）双闭环调速系统的静特性在负载电流不不不大于Idm时体现为转速无静差，这时，转速负反馈起重要调整作4V-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，不容许让两组晶闸管同步处在整流状态，否则将导致电源短路。本系统采用B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、电流双闭环控制日勺V-M可逆直流调速系统0¾MatlabSimulink仿真框图请见附录。4.2V-M可逆直流调速系统仿真成果及分析历14 C N7"Z<l½土正向额定:(1)第一阶段：突加给定电压U：后，通过两个调整器的跟随作用,Uc、Ud0、都上升，不过在没有囱4/1由淋玲生H哭蛤LU质1，u t C玄XT 分士/古抵达负载电流加此前，电机不转动。当1二注后，电动机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调整器ASR的输入偏差电压的数值较大，其输出电压保持限幅值U；“，强迫电枢电流。迅速上升，直到j,Uu电流调整器很快克制了增长。(2)第二阶段：在这一阶段，ASR一直是饱和日勺，转速环相称于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调整器系统，基本上保持电流恒定，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°时，转速调整器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U：”，因此电动机仍在加速，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，Uti和很快下降，不过，只要仍不不大于负载电流，转速就继续上升。直到Id<ldi,电机开始减速，直到稳定在额定负载。在转速调整阶段，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，它要通过一种过渡过程：电动机日勺平均电流先从正向加减少为零，然后从零反向上升到容许的制动电流-5，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3然后进入反向起动状态，起动过程同正向额定过程相似。直流电动机正转转速额定期，系统给定值为正10V；电流环给定值为正10V,重要由于转速调整器最大输出值决定的J；电流控制器的J输出值在电动机起动时迅速增长，以保证电动机日勺迅速起动。电流控制器日勺输出值最终会抵达最大输出值，并保持稳定，其输出最大值是由电流调整器决定的。直流电动机反转转速额定期，系统给定值为负IOV;电流环给定值为负10V,其重要由于转速调整器最大输出值决定日勺。在向电动机发出反转指令后，电流调整器的输出电流不也许立即变为反向的电流最大值，电流调整器的输出值会先迅速的J减小到零，然后再反方向增长到负的最大值。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J制动过程是能耗制动，机械能转换成其他能量B损耗。通过电动机转速、电流仿真波形，分析可得V-M可逆直流调速系统可以实现直流电动机日勺迅速起动、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规定，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规定。对于转速反向动态性能的J提高，可以采用逻辑控制卧J无环流V-M可逆调速系统。附录参照文献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,20232、洪乃刚.电力电子、电机控制系统日勺建模和仿真.北京：机械工业出版社,20233、林飞，杜欣.电力电子应用技术的JMATLAB仿真.北京：中国电力出版社,20234、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，2023