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1、部分1分析确定控制任务（综述部分）部分2主电路与执行机构设计。分析主电路、执行机构工作过程，说明其参数选择依据。部分3操作系统设计。要求结构简单，易于操作。部分4控制系统硬件软件功能分配与协调，说明系统资源分配部分5计算机系统与接口设计，给出具体资源分配说明。部分6计算机系统与被控对象I/O通道设计，分析主要器件的选择依据部分7软件流程设计部分8调试流程设计部分9元器件清单部分10控制算法子程序清单摘 要基于设计题目，直流电动机调速系统选用了由buck变换器供电的转速、电流双闭环直流调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相不可控整流桥电路来进行整流，之后由buck变换器降压供电。转速、
2、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据可控开关管的特性，通过PWM来调节电压。本文首先确定了主电路与执行机构设计，然后分析主电路、执行机构工作过程，同时说明其参数计算选择的依据,最后对操作系统和控制系统硬件软件进行设计。本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。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，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参
3、数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，最后画出双闭环直流调速控制电路的原理图。关键词： 双闭环直流调速系统；buck变换器；计算机控制；MATLAB/SIMULINK仿真第一章分析确定控制任务（综述部分）本次设计主要是综合应用所学知识，设计转速、电流双闭环直流调速控制系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练，能够较全面地巩固和应用“计算机控制系统”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握数字控制系统设计的基本方法，熟悉MA T L A B软件的使用。转速、电流双闭环直
4、流调速系统是性能很好、应用最广的基本的直流调速系统，是各种交直流电力拖动自动控制系统的重要基础。具有起动制动快、调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，广泛应用于冶金、建材、印刷、电缆、机床和矿山等现代工业控制行业，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。用经典的动态校正 方法设计调节器需同时解决稳、准、快、抗干扰等 各方面互相矛盾的动态性能，要求设计者具有较丰 富的经验和熟练的技巧，不易为初学者掌握。而且在直流调速系统的发展过程中有一个大问题：理论参数与实际情况不符问题，即理论计算出 的调节参数与实际使系统达到稳定的参数不相同，是实际值的近似值特别是当系统的阶数较高时，理论计算的参数往往离实际值较
5、远，不能使系统稳定然而，除了理论计算，我们没有能快速找出最佳调节器参数范围的办法 MA T L A B 的 出现使这一问题得到了解决。本文采用双闭环调速系统的工程设计方法介绍了由51单片机以及直流电机、矩阵键盘、LCD和测速发电机等构成的转速、电流双闭环控制系统，完成直流调速系统的双闭环调节器的设计，并采用 MA T L A B S I MU L I N K进行仿 真，探讨了工程设计和实际系统之间的差别。 第二章、主电路与执行机构设计。分析主电路、执行机构工作过程，说明其参数选择依据。2.1主电路的选择在直流调速系统中，我们采用的是buck供电的直流斩波器-电动机调速系统，其原理图如图2-1所
6、示。拖动P5.。1-5它通过控制电子开关管，实现斩波降压，来改变平均输出电压Ud，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，此装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且再技术性能上也呈现出较大的优越性。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据电子开关管的特性，可以通过调节PWM波的占空比来实现电压的调节。交流侧由三相电源供电，本设计中采用电容滤波的三相不可控整流电路，该电路由二极管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，二极管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，是目前应用较广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该
7、电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。图2-2 主电路原理图电力电子技术P67.。3-322.2 双闭环直流调速系统的介绍及组成目前，需要高性能可控电力拖动的领域都采用直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制
8、动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就
9、形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图1-2 转速、电流双闭环直流调速系统ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图1-3所示。图1-3
10、双闭环直流调速系统电路原理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Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。第三章、双闭环直流调速系统的参数三相零式电路的平均失控时间 （2）电流滤波时间常数 （3）电流环小时间常数，按小时间常数近似处理，取： （4）电磁时间常数 （5）机电时间常数 1. 选择电流调节器结构根据设计要求：，而且因此，可按典型型系统设计，电流调节器
11、选用PI型，其传递函数为： 2. 选择电流调节器参数ACR超前时间常数：电流开环增益：要求时，应取【按表2】表2参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量01.5%4.3%9.5%16.3%上升时间无穷大6.67T4.72T3.34T2.41T相角稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T因此 于是，ACR的比例系数为：3. 校验近似条件电流环截止频率（1）晶闸管装置传递函数近似条件： 现在， ，满足近似条件。（2） 忽略反电动势对电流环影响的条件 ，现在，满
12、足近似条件。（3） 小时间常数近似处理条件： 现在，满足近似条件。4. 计算调节器电阻和电容 图2-4 PI型电流调节器所用运算放大器，各电阻和电容值计算如下： 取 取 取按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：（见表2），满足设计要求。2.4 转速调节器的设计2.4.1 结构框图的化简和结构的选择电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为,因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-5所示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和 的两个小惯性环节合并起
13、来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中图2-5 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图最后转速环结构简图为图2-6。图2-6 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图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 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。2.4.2转速环的设计1. 确定时间常数（1） 电流环等效时间常数为 （2） 转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取（3） 转速环小时间常数： 按小时间常
14、数近似处理，可取 2. 选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调解器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为： 3. 选择转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： 转速开环增益： 于是，ASR的比例系数由式：4校验近似条件由式，转速开环截止频率为：（1） 电流环传递函数简化条件： 现在，满足简化条件。（2） 小时间常数近似处理条件： 现在， ，满足近似条件。 5. 计算调节器电阻和电容图2-7 PI型转速调节器 取，则 取 取 取 6. 校核转速超调量 由式 当h=5时， ，而，因此 7. 转速超
15、调的抑制 超调量时的微分时间常数为： 取 此时， 根据，有： 取部分3操作系统设计。要求结构简单，易于操作。部分4控制系统硬件软件功能分配与协调，说明系统资源分配部分5计算机系统与接口设计，给出具体资源分配说明。部分6计算机系统与被控对象I/O通道设计，分析主要器件的选择依据部分7软件流程设计部分8调试流程设计部分9元器件清单部分10控制算法子程序清单1 引言绪论直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、
16、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等。特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧
17、变流器代替上述发电机电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(1000)高10倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。