电机调速自动控制系统报告

一、电机参数及其指标................................................................................................ 2

1、 电机选择 ...................................................................................................... 2 2、指标 ................................................................................................................. 2 二、参数计算................................................................................................................ 2

1、电流调节器计算 ............................................................................................. 2

（1）确定时间常数 ..................................................................................... 2 （2）选择电流调节器结构 ......................................................................... 3 （3）计算电流调节器参数 ......................................................................... 3 （4）校验近似条件 ..................................................................................... 3 （5）ACR传递函数 ...................................................................................... 4 2、转速调节器计算 ............................................................................................. 4

（1）确定时间常数 ..................................................................................... 4 （2）选择转速调节器结构 ......................................................................... 4 （3）计算转速调节器参数 ......................................................................... 4 （4）检验近似条件 ..................................................................................... 5 （5）校核转速超调量 ................................................................................. 5 （6）ASR传递函数 ...................................................................................... 5

三、硬件设计................................................................................................................ 6 四、仿真分析.............................................................................................................. 10

1、 ACR的模型图及仿真图 .............................................................................. 10 2、 ACR的模型图及仿真图 ............................................................................ 12 五、软件设计.............................................................................................................. 14 六、个人小结.............................................................................................................. 16

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一、电机参数及其指标

1、 电机选择

直流脉宽调制电源供电

电动机：𝑈𝑁=220𝑉，𝐼𝑁=60𝐴，𝑛𝑁=1000𝑟/𝑚𝑖𝑛，𝐶𝑒=0.208𝑉∙𝑚𝑖𝑛/𝑟，

λ=1.5

电枢回路总电阻：R=0.2Ω;

电力电子放大系数：𝐾𝑠=22,𝑓≥1𝑘𝐻𝑧 时间常数：𝑇𝑙=0.012𝑠,𝑇𝑚=0.12𝑠 电流反馈：β=0.111V⁄A; 𝑇𝑜𝑖=0.0025s; 转速反馈：α=0.01V·min/r; 𝑇𝑜𝑛=0.0141𝑠;

2、指标

系统的静、动态指标为：无静差；电流超调量：𝜎𝑖%≤5%；转速超调量𝜎𝑛%≤5%

二、参数计算

1、电流调节器计算

（1）确定时间常数

1） 整流装置滞后时间常数𝑇𝑠=𝑓=1000=0.001𝑠

𝑠

11

2） 电流滤波时间常数𝑇𝑜𝑖=0.0025𝑠

3） 电流环小时间常数之和 𝑇∑𝑖=𝑇𝑠+𝑇𝑜𝑖=0.001+0.025=0.0035𝑠

2

（2）选择电流调节器结构

根据设计要求𝜎𝑖%≤5%，并保证稳态电流误差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传函为：

𝑊𝐴𝐶𝑅(𝑠)=

𝐾𝑖(𝜏𝑖𝑠+1)

𝜏𝑖𝑠𝑇

0.012

∑𝑖

检查对电源的电压的抗扰性能：𝑇𝑙≈0.0035≈3.43，指标可以接受。

（3）计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：𝜏𝑖=𝑇𝑙=0.012𝑠

电流环开环增益：要求𝜎𝑖%≤5%时，取𝐾𝐼𝑇∑𝑖=0.5，因此𝐾𝐼=𝑇142.3𝑠−1

于是，ACR的比例系数为：𝐾𝑖=（4）校验近似条件

电流环截止频率： 𝜔𝑐𝑖=𝐾𝐼=142.3𝑠−1

1） 校验整流装置传递函数的近似条件

13𝑇𝑠

𝐾𝐼𝜏𝑖𝑅𝐾𝑠𝛽

0.5

∑𝑖

=0.0035≈

0.5

=

142.3×0.012×0.2

22×0.111

≈0.14

=3×0.001=333.3𝑠−1>𝜔𝑐𝑖 满足近似条件

1

2） 校验忽略反电动势变化对电流环影响的条件

1

√3𝑇

1

𝑚𝑇𝑙

=3√0.12×0.012≈8.78<𝜔𝑐𝑖 满足近似条件

11

3） 校验电流环小时间常数近似近似处理条件

1

=3√0.001×0.0025=210.67>𝜔𝑐𝑖 满足近似条件 √3𝑇𝑇

𝑠𝑜𝑖

111

按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为𝜎𝑖%=4.3%<5% 满足设计要求

3

（5）ACR传递函数

通过上述计算，得：

𝑊𝐴𝐶𝑅(𝑠)=

0.14(0.012𝑠+1)

0.012𝑠2、转速调节器计算

（1）确定时间常数

1） 电流环等效时间常数 1

𝐾𝐼

=2𝑇∑𝑖=2×0.0035𝑠=0.007𝑠

2） 转速滤波时间常数𝑇𝑜𝑛=0.0141𝑠

3） 转速环小时间常数𝑇∑1

𝑛=𝐾𝐼

+𝑇𝑜𝑛=0.007+0.0141=0.0211𝑠（2）选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为

𝑊𝐾𝐴𝑆𝑅(𝑠)=𝑛(𝜏𝑛𝑠+1)

𝜏𝑛𝑠 （3）计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为

𝜏𝑛=ℎ𝑇∑𝑛=5×0.0211=0.1055s

转速环开环增益

𝐾ℎ+16

𝑁=

2ℎ2𝑇∑𝑛2=

2×52×0.02112=269.5𝑠−2 可求得ASR的比例系数为

𝐾(ℎ+1)𝛽𝐶𝑒𝑇𝑚6×0.111×0.208×0.12

𝑛=2ℎ𝛼𝑅𝑇∑𝑛=2×5×0.01×0.2×0.0211=39.392

4

（4）检验近似条件

转速环截止频率为

𝜔𝐾𝑐𝑛=𝑁

𝜔1

=𝐾𝑁𝜏𝑛=269.5×0.1055=28.4𝑠−1

1) 电流环传递函数简化条件

1𝐾𝐼3√

𝑇∑𝑖=13√142.3

0.0035=67.2𝑠−1>𝜔𝑐𝑛 满足简化条件 2) 转速环小时间常数近似处理条件

13√𝐾𝐼𝑇𝑜𝑛=13√142.30.0141=33.5𝑠−1>𝜔𝑐𝑛 满足简化条件 （5）校核转速超调量

按退饱和的情况计算超调量：

由于h=5时，∆𝐶𝑚𝑎𝑥⁄𝐶𝑏=81.2%，理想空载启动时z=0，可得：

𝜎∆𝐶𝑛=(𝑚𝑎𝑥∆𝑛𝑏∆𝐶𝑚𝑎𝑥𝐶()∆𝑛𝑁𝑇∑𝑛

𝑏)𝑛∗=2(𝐶𝑏)𝜆−𝑧𝑛∗𝑇𝑚

60×0.2

=2×81.2%×1.5×0.2080.0211

1000×0.12=2.47%<15%满足条件。 （6）ASR传递函数

通过上述计算，得：

𝑊𝑠)=39.392(0.1055𝑠+1)

𝐴𝑆𝑅(0.1055𝑠

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三、硬件设计

（1）系统总结构图

微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE用的是直流PWM功率变换器，结构图如下：

K2K1R0C1R1Rb+MC2R2VTb~-电压检测单片微机泵升显示键盘上位机其他外设I/O 处理器通信接口故障保护故障综合电流检测温度检测电流检测A/D+U数字测速PWM 生 成驱动电路转速检测FBS脉冲整形

1) 主回路

三相交流电源经不可控整流变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。 2) 检测回路

检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机，转速检测用数字测速。 3) 故障综合

对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，以便及时处理，避免故障进一步扩大。

4) 数字控制器

数字控制器是系统的核心，选用专为Intel 8X196MC系列单片微机。这种微机芯片本身都带有A/D转换器、通用I/O和通用接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可简化数字控制系统的硬件电路。

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（2）电路原理图设计

1) 整流电路设计

常用的桥式电路：

整流二极管所承受的正反向电压最大值为三相交流电网线电压的峰值，即为2U1。实际应用当中需要考虑到电网电压的波动及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全裕量，一般取为此峰值电压的2～3倍，所以整流二极管的正反向额定电压为：

𝑈𝐷𝑛=(2~3)𝑈1=(2~3)×√2×380≈1074.8~1612..2𝑉

通过二极管的峰值电流及电机最大负载时的峰值电流，为电机额定电流的5-6倍，取Im=300A，则 𝐼𝑑=

二极管的电流有效值为𝐼𝑉𝐷

=3𝐼𝑑=100𝐴，其最大峰值为

1√1𝐼√3𝑚

=173.2𝐴

𝐼𝑉𝐷𝑚=√2𝐼𝑉𝐷=141.4𝐴

考虑一定的安全裕量可以求得整流二极管的额定正向平均电流为： 𝐼𝐷𝑛=(1.5~2)𝐼𝑉𝐷𝑚=(1.5~2)×141.4=212.1~282.8𝐴

可选用型号为6MBI300U4-120的IGBT，其参数为：𝐼𝑐=300𝐴，电压为1200V。

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（3）A\\D转换模块

模数转换的电路原理图如下：

（4）显示电路设计

显示电路原理图如下：

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（5）键盘电路原理图

（6）电流检测电路设计

N型霍尔元件的UHIB/(ned) ,P型霍尔元件的UHIB/(ped)

两式中，n为电子密度；p为空穴密度；e为电子电量；d为元件厚度，单位为m。令 RH11或，则UHRHIB/d，RH称为霍尔系数，其值反映霍尔效nePeRH，则UHKHIB ,KH称为霍尔元件灵敏度，它表示在单位d应的强弱。设KH电流单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。

（7）转速检测电路设计

本次设计采用75CYB0型永磁直流测速发电机进行转速检测。当测速发电机工作时，在某一瞬间其输出电压Usc跟角速度成正比，而极性有旋转方向确定。

（8）电压检测电路设计

采用隔离电路可将单片微机与被控对象隔离开，以防止来自现场的干扰或强电侵入。数字信号比模拟信号的隔离易于实现，所以输出通道中大部分采用数字隔离。

普通光电耦合器以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。光电耦合器绝缘电阻可达1010以上，并能承受1500V以上的高电压。被隔离的两端可以不共地自成系统，避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。另外，以发光二极管作为发光源，其动态电阻很小，可以抑制系统内外的噪声干扰。

光电耦合器的发光二极管正常发光电流为毫安级，为满足电流要求，长采用限流电阻的开关输入控制。输出也分为集电极输出和发射极输出等形式。

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四、仿真分析

1、 ACR的模型图及仿真图

1) 模型图：

2) step给定值为10，取KT=0.5的关系式，得到下图:

根据波形图可得：

调节时间为：𝑇𝑠=0.035𝑠 超调量: σ%=4.9% 上升时间： 𝑇𝑑=0.014𝑠 峰值时间：𝑇𝑝=0.018𝑠 因此，满足设计指标。

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3) step给定值为10，取KT=1.0的关系式，得到下图:

可以看出：𝑇𝑠=0.035𝑠，σ%=27%，𝑇𝑑=0.007𝑠，𝑇𝑝=0.013𝑠

4) step给定值为10，取KT=0.25的关系式，得到下图:

通过波形可得：𝑇𝑠=0.04𝑠，无超调。

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2、 ACR的模型图及仿真图

1) 模型图：

2) 转速环空载高速启动波形图：

通过图形可以看出：

在1.7s左右的转速区域稳定，得到额定转速。

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3) 转速环负载启动波形图： 在time=3处给定干扰step=100

如图所示，当时间到1.7s左右时各项参数开始稳定，在3s出给定一个step=100的干扰信号，转速开始下降，电流有所上升，到3.25s时开始趋近稳定。

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五、软件设计

（1）主程序流程图 （2）数字PI子程序流程图

开始 启动 调用A/D 调用显示子程序 速度正常 调用按键子程序 调用PID子程序 PWM启动输出 PWM调速 停机

开始 参数初始化 采集参数值 Y 超出范报警 围 N 计算系统的偏差值 计算控制器的输出 驱动执行机构输出 参数更新 结束 14

（3）数字滤波子程序流程图 （4）键盘输入子程序

将已有输出视在为上次输出 进行一次新的采样得Xn 计算a*Xn暂存于Yn中 计算(1-a)Yn-1 累加到Yn中 返回

（5）8279初始化子程序框图 开始 清除命令 8279 读8279状态字 DU=1？ 方式命令 8279 时钟编程命令 允许8279中断 返回

开始 保护现场 FIFO中有数据吗？ 读FIFO命令 8279 读FIFO 计算键号 缓冲器 恢复现场 返回

6）显示更新子程序框图

开始 写显示RAM命令 8279 显示缓冲器地址R0，长度R7 显示数据的段码 8279显示RAM (R0)+1=R0 (R7)-1=0？ 返回 15

（

六、个人小结

经过这次实习，深入了解了对于电机调速系统设计的方法，回顾了课堂中所学的知识，也学到了一些新的知识和新的方法，对于以后的研究学习有了总体的了解。

在仿真过程中经过不断调整参数，也学到了很多调整参数的方法，对Matlab中Simulink的使用更加熟悉，为毕业设计打下了基础。

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