3转速电流双闭环直流调速系统[1]_转速电流双闭环直流

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运动控制期中设计

---转速电流双闭环直流调速系统

转速电流双闭环直流调速系统

已知参数有：

V，额定电流Inom3.7A，电动机额定功率Pnom0.2kW，额定电压Unom48额定转速nnom200r/min，电枢电阻Ra6.5，电枢回路总电阻R8,允许过载倍数2，电势系数Ce0.12Vmin/r，电磁时间常数Tl0.015s，机电时间常数Tm0.2s，电流反馈滤波时间常数Toi0.001s，转速滤波时间常数

**Ton0.005s。调节器输入输出电压UnmUimUcm10V,调节器输入电阻R040k。计算得电力晶体管D202的开关频率f1kHz,PWM环节的放大倍数KS4.8。

首先计算电流反馈系数和转速反馈系数: 由U*VInom可知：im10101.35，2Inom*由Unmnnom可知：100.05 nnom

（一）电流环参数的设计：

1、确定时间常数: 因为f1kHz，所以取： Ts0.001s 电流滤波时间常数：Toi0.001s

电流环小时间常数：TiTsToi0.002s 

2、选择电流调节器结构: 根据设计要求：电流超调量i5%，且

Tl0.0157.510 Ti0.002电流环设计为典I系统，选择PI调节器，其传递函数为WACRsKi3、选择电流调节器参数: ACR超前时间常数： iTl0.015s，is1 is

电流开环增益：要求电流超调量i5%，所以应取TiK

KIi0.5，所以

0.50.5250 Ti0.002ACR的比例系数为：KiKI

4、校验近似条件:

iR0.01582504.63 Ks1.354.8电流环截止频率:ciKI250s1（1）晶闸管装置传递函数近似条件：ci1 3Ts11333.3s1ci，满足近似条件。3Ts30.001（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：ci31 TmTl311354.7s1ci，满足近似条件。TmTl0.20.01511

3TsToi（3）小时间常数近似处理条件：ci1111333.3s1ci。满足近似条件。

3TsToi30.0010.0015、调节器的电阻电容：因为R040K，则

RiKiR04.6340K185.2K，近似取 Ri185K

CiiRi0.015610F0.081F，取0.08F 318510Coi4Toi40.001106F0.1F。取0.1F 3R04010

（二）转速环参数设计：

1、确定时间常数: 电流环等效时间常数2Ti0.004s

转速滤波时间常数Ton0.005s

转速环小时间常数Tn2TiTon0.009s 

2、选择转速调节器结构: 由于设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节;故ASR选择PI调节器，传递函数为

WASR(s)Kn3、选择转速调节其参数: 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:

nhTn50.0090.045s

转速环开环增益:KNns1 nsh162 1481.5s2222hTn2250.009所以，ASR的比例系数为:Kn

4、校验近似条件：

h1CeT2hRTnm61.350.120.25.4

100.0580.009转速环截止频率：cnKNn1481.50.04566.7s1（1）电流环传递函数简化条件：cn1 5Ti

11100s1cn，满足简化条件。5Ti50.00211

32TiTon（2）小时间常数近似处理条件：cn

111174.5s1cn，满足条件。

32TiTon320.0020.005

5、计算调节器的电阻和电容：R040K

RnKnR05.44021K6，可近似取220K

CnnRn0.045106F0.20F，取0.20F 322010

Con4Ton40.005610F0.5F，取0.5F 3R040106、校验转速超调量：

CmaxnnomTn%)2(z)

n%(CbTmn当h=5时，CmaxIR3.78 246.7r%81.2%，而nnomdnomminCe0.12Cb246.70.00918.0%20%，满足要求 2000.2所以n%81.2%22

（三）硬件实现原理图

（四）原理图的实现与选取

(1)转速调节器ASR与电流调节器ACR模块

ASR与ACR二者之间为串联连接，转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，用电流调节器的输出控制整流装置的触发器。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节。两个调节器的输出均带限幅，转速调节器输出限幅电压为Unm，决定电流调节器给定电压的最大值；

*Uim电流环输出限幅电压为，限制晶闸管装置输出电压最大值。为了满足转速调

*节无静差，只进行转速放大，虽然响应速度快，但超调大，而且存在静差，所以采用PI无静差调速，并采用典Ⅱ系统设计。为了满足电流设计要求，尽量减小超调，电流环校正成典Ⅰ系统。

ASR实现硬件原理图如下：

ACR实现硬件原理图如下：

ASR和ACR参数选取：

由上文所得的参数得

R040K即图中的R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9都为R0/2=20K R5RnKnR0220K

C1CnnRn0.2uF 4Ton0.5uF R0C2C3ConR10RiKiR0185K

C5CiiRi0.08uF

C6C7Coi4Toi0.1uF R0

(2)调制波发生器模块

本次设计我选择的是集成函数发生器8038如下图，脚3输出三角波，通过改变电位器RV4滑动头的位置来调整R18和R19的数值，进而改变三角波的幅值。经过调试使其输出波幅值为10V，频率为1KHz.(3)锯齿波脉宽调制器模块

脉宽调制器本身是由一个运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开环状态，稍微有点输入信号就可以使其输入电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反向输入端上一个信号是锯齿波调制信号，由调制波发生器模块提供，另一个输入信号时控制电压Uc，其极性与大小随时可变，两者相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压。

(4)双极式H型可逆PWM变换器模块

双极式H型可逆PWM变换器其图如下所示，包括4个电力晶体管，其中Q1、Q4为一组，Q2、Q3为一组，要使电机工作，就必须使其中一组电力晶体管导通，另一组关断，当Q1、Q4导通时U1=U4=U，当，Q2、Q3导通时U2=U3=-U,在一个周期内，由于电枢电感释放储能的作用下，如Q1、Q4从导通到关断后Q2、Q3再导通，但此时电流还会续流，此刻Q2、Q3会承受反压。电压U会在 一个周期内正负相间，这就是PWM变换器的特征。

图中给定电动机电压为48V

(5)测速电机模块

转速检测电路如下图，转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压U*得到转速偏差电压Un输送n相比较后，给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。

(6)电流检测模块

如下图，图中电机旁边的小圆点代表霍尔电流检测电路，其原理图如下，原理图中I为流过电机的电流，通过互感作用，使右侧也有相应的直流电，输出端电流流经电阻RL在其两端产生电压id，然后将其反馈给电流反馈端。

霍尔电流检测电路原理图

（五）心得体会

经过了一个月的时间，这次双闭环直流调速系统设计总算是做完了。本次设计总的来感觉做的不是很完美，要求的是用Protel软件来绘制原理图，但由于我所借用的机子装不上Protel，最终我选用了Proteus来绘制原理图。对这次设计总的原理我是明白了，但在一些细节问题上我还是有点模糊。

本次设计基本用到了我们所学的所有的专业课及专业基础课，如模拟电路、数字电路、自控原理、电力电子技术、运动控制等课程的内容。通过本次设计让

我感觉到所学的东西的却很有用。从新温习了以前所学的东西，加深了我对所学知识的理解和记忆，感觉自己离优秀还有很大的差距，应该更加努力地学习。

本次设计是一次挑战，从起初的不懂到到最终的有所领悟，期间经历了无助、着急一直到成功的那一丝喜悦，虽然这个设计做的让我感觉不是很满意，但通过这次设计我的收获还是很大的，感觉学到了很多的东西。