单闭环电压负反馈调速系统设计课程设计[合集五篇]

第一篇：单闭环电压负反馈调速系统设计课程设计

2级电气工程及其自动化专业 电力拖动控制系统课程设计 单闭环电压负反馈调速系统设计 姓 名：

院 别：

工学院 专 业：

电气工程及其自动化 学 号：

指导教师：

2014年12月 工学院课程设计评审表 学生姓名 专业 电气工程及其自动化 年级 11级 学号 设计题目 单 闭 环 电 压 负 反 馈 调 速 系 统 评价内容 评价指标 评分 权值 评定 成绩 设计目的及设计方案 有扎实的基础理论知识和专业知识；

能正确设计实验方案；

独立进行实验工作；

能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。选题合理、目的明确。设计方案正确，具有可行性、创新性。课程设计结果 论文能够根据设计任务书，确定主电路的选型、驱动电路的选型；

对双闭环系统调节器（包括电流调节器和转速调节器）进行动态设计；

对系统中主电路的元部件进行参数计算；

电路中有必要的电气保护。设计过程中要有创新意识；

绘制V-M双闭环不可逆调速系统的电气原理总图、整体调速系统的系统结构框图；

并有整体调速系统设计方案的Simulink仿真图及分析。

课程设计态度 按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；

工作努力，遵守纪律；

工作作风严谨务实。态度认真、学习刻苦。课程设计说明书 实验正确，分析处理科学；

文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；

设计报说明书的规范化、参考文献充分（不少于3篇）。答辩 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；

综述简练完整，有见解；

立论正确，论述充分，结论严谨合理；

合计 100 指导教师评语 《电力拖动控制系统课程设计》课程设计任务书 设计题目：

单闭环电压负反馈调速系统 指导老师 参加学生 第五组 设 计 目 的（1）掌握单闭环电压负反馈调速系统的设计方法；

（2）了解电压负反馈单闭环调速系统工作原理及其组成；

（3）加深了解电压负反馈在调速系统中的应用；

（4）了解MATLAB在电气工程与自动化专业中的应用；

（5）学习分析、设计、仿真电路的一般步骤；

（6）通过此设计培养实际动手能力和解决问题的能力；

设 计 依 据 直流电动机：额定电压220V，额定电流136A，额定转速1460r/min，电枢电阻Ra=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；

电枢回路总电阻R=0.5Ω，电枢回路总电感L=15mH，电动机轴上的总飞轮转矩GD2=22.5N•m2，晶闸管装置参数如下：放大系数Ks=40，转速反馈系数α=0.007Vmin/r，Ton=0.01s。

三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s；

放大系数Ks=40；

电磁时间常数TL=0.03s；

机电时间常数Tm=0.29s；

电动机额定磁通下的电动势系数Ce=0.104；

电压反馈系数α=0.007。

稳态转速无静差，调速范围D=10，电流超调量小于5%，空载启动到额定转速的转速超调量小于10%（按退饱和超调计算）。

设 计 要 求（1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。

（2）调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。

（3）动态设计计算与实现：根据技术要求，对系统进行动态校正，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。调速系统控制电路元部件的确定及其参数计算。

（4）完成直流电机调速控制系统设计。

（5）绘制单闭环电压负反馈调速系统的电气原理总图。

（6）学习并掌握MATLAB/Silmulink直流调速系统仿真方法，给出直流调速系统的转速和电流仿真波形。并对波形进行简单的分析（7）整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

评 分 标 准（1）选题合理、目的明确（10 分）（2）设计方案正确，具有可行性、创新性（10 分）（3）设计结果--绘制单闭环电压负反馈调速系统的电气原 理图，设计调速系统，进行必要的系统仿真。（50分）（4）态度认真、学习刻苦、遵守纪律（5分）（5）设计说明书的规范化、参考文献充分（不少于3篇）（5 分）（6）答辩（20分）单闭环电压负反馈调速系统设计说明书 前言 电力拖动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。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，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

本设计报告主要讲述单闭环电压负反馈调速系统相关内容。电压负反馈调速是比转速负反馈调速更简单和容易实现的一种调速方式。在电动机转速不很低时,电枢电阻压降比电枢端电压要小得多,因而可以认为直流电动机的反电动势与端电压近似相等或者说电机转速近似与端电压成正比。电压负反馈控制系统与转速负反馈控制系统相比，调速指标低，可采用电流补偿（IR）的办法解决，这样可使系统简单，指标也可达到满意的程度。

首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，最后给出参考资料和设计体会。

由于设计者知识掌握的深度和广度有限，本设计尚有不完善的地方，敬请老师、同学批评指正！目录 第1章 设计任务书..............................................................1 第2章 单闭环电压负反馈调速系统的总体设计......................................2 第3章 主电路设计..............................................................4 第4章 MATLAB/SIMULINK仿真...................................................7 第5章 总结....................................................................8 第6章 实习心得体会............................................................8 参考文献 附录1 MATLAB/SIMULINK仿真图及结果 附录2 单闭环电压反馈调速系统电气原理总图 第1章 设计任务书 一、技术数据 直流电动机：额定电压220V，额定电流136A，额定转速1460r/min，电枢电阻Ra=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；

电枢回路总电阻R=0.5Ω，电枢回路总电感L=15mH，电动机轴上的总飞轮转矩GD2=22.5N•m2，晶闸管装置参数如下：放大系数Ks=40，转速反馈系数α=0.007Vmin/r，Ton=0.01s。

三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s；

放大系数Ks=40；

电磁时间常数TL=0.03s；

机电时间常数Tm=0.29s；

电动机额定磁通下的电动势系数Ce=0.104；

电压反馈系数α=0.007。

二、系统设计的静、动态指标 稳态转速无静差，调速范围D=10，电流超调量小于5%，空载启动到额定转速的转速超调量小于10%（按退饱和超调计算）。

三、设计内容 1、根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。

2、调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。

3、动态设计计算与实现：根据技术要求，对系统进行动态校正，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。调速系统控制电路元部件的确定及其参数计算。

4、完成直流电机调速控制系统设计。

5、绘制单闭环电压负反馈调速系统的电气原理总图。

6、学习并掌握MATLAB/Silmulink直流调速系统仿真方法，给出直流调速系统的转速和电流仿真波形。并对波形进行简单的分析 7、整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

四、课程设计报告的要求 1、不准相互抄袭或代做，一经查出，按不及格处理 2、报告字数：不少于3000字（含图、公式、计算式等）3、形式要求：要求文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画图，但是必须清晰、正确并且要有图标 4、必须画出系统总图，电路图应清洁、正确、规范。未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标注。

第2章 单闭环电压负反馈的总体设计 电压负反馈调速是比转速负反馈调速更简单和容易实现的一种调速方式。要构成电压负反馈调速系统，就必须设置电压调节器，同时取电压反馈量参与控制。这样系统就可维持被检测的电压不变。在电动机转速不很低时，电枢电阻压降比电枢端电压要小得多，因而可以认为直流电动机的反电动势与端电压近似相等或者说电机转速近似与端电压成正比。在这种情况下就可以通过检测电压、反馈电压来进行调速。电压负反馈调速系统实际上只是一个自动调压系统只有被反馈环所包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小了而对反馈环外的电枢电阻速降无能为力。

与转速负反馈调速系统相比，电压负反馈控制系统只是将转速负反馈中的测速发电机换成具有分压作用的电位器。电压检测点接在电枢两端，以 电 压检测点为界，将V-M回路总电阻等效为两部分。检测点右侧为电动 机 电 枢 电 阻 左 侧 电 阻 有 平 波 电 抗 器 电 阻、变 压 器 等 效 电 阻 晶 闸 管 电路由于变压器漏抗引起的等效电阻等（统称为晶闸管整流装置的内阻）电压负反馈调速系统原理如图1所示：

图 1 单闭环电压负反馈调速系统原理图 由他励直流电动机转速方程 n=E/KeΦ=(U-IR)/KeΦ=n0-△n可知，如果忽略电枢电压，则直流电动机的转速n近似正比于电枢开端电压U。所以采用电枢电压负反馈代替转速负反馈，可以维持其端电压基本不变。

由图1可以看出反馈反馈检测元件是起分压作用的电位器Rp2。他反馈信号Uu=rUd,r为电压反馈系数，为了分析方便，把电枢总阻分成两部分，即R=Rrec+Ra,Rec为晶闸管整流装置的内阻（含平波电抗器电阻），Ra为电枢电阻。由此可得 Udo-IdRrec=Ud Ud-IdRa=E 图中做为反馈检测元件的只是一个起分压作用的电位器或是其他电压检测装置。从电压检测装置中引出的电压负反馈信号Uu=γUd，γ为电压反馈系数Uu与给定电压Un*比较后得到偏差电压ΔUΔU经过放大器产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc用以控制电动机的转速。这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。图中UPE是由电力电子器件组成的变换器其输入接三相或单项交流电源输出为可控的直流电压Ud。

根据自动控制原理反馈控制的闭环系统是按照被调亮的偏差进行控制的系统只要被调量出现偏差它就会自动产生纠正偏差的作用。由于在电机转速不很低时可以看做电机转速和端电压成正比所以可以通过直接调节电机端电压来实现调节转速。当电机端电压变化时系统会自动纠正此偏差从而达到调速的目的。

电压负反馈调速系统只用一个电位器取代了转速负反馈调速系统的检测元件—测速发电机，使系统变得简单、经济。但其损失的是调速指标，即电枢电阻压降引起的转速降不能弥补。因此，我们可以采用补偿的办法弥补电枢电阻上的压降。将电枢电流取出来参与控制，此信号与给定信号极性相同，所以称为电流正反馈，其实是一种电流补偿而不是真正意义上的正反馈。

图2.带电流补偿的电压负反馈调速系统 第3章 主电路设计 直流电机具有良好的启制性能，使用于在宽调速范围内平滑调速，在扎钢机、旷井卷扬机、挖掘机、大型起重机、金属切削机床、造纸机等电力拖动领域中得到广泛应用。而在直流电动机的调速方面、调节电枢电压调速是调速系统的主要调速方式，相较于转速负反馈系统而言，转速负反馈必须有测速发电机，这不仅成本高而且给系统安装与维护带来了困难，所以，再次我们选择电压负反馈直流电机进行调速，并对系统进行设计说明。

一、主电路电气原理图及其说明（1）主电源采用380V电源供电，经电力电子变换后作为电动机供电输入。

（2）AVR采用PI调节器，电压反馈靠电位器分压实现，电流补偿检测靠霍尔电流传感器实现。

（3）采用晶闸管三相桥式全控电路作为整流电路。

（4）整流电路设置有过流保护。

（5）系统结构图 图 3.电压负反馈调速系统动态结构图 图 4.电压负反馈调速系统稳态结构图 当负载增大，稳态转速降落增加时，电流补偿信号（即电流反馈信号）增大，使整流电压增大，从而补偿转速降落。同时随着负载增大，电枢电压降低，通过电压负反馈的作用，整流输出电压增大，也使转速降落减小，由此可得到带电流补偿的电压负反馈调速系统稳态结构图，如图5所示。

图 5.带电流补偿的电压负反馈调速系统稳态结构图 二、主要器件选择 根据二极管的最大整流平均 和最高反向工作电压 分别应满足：

选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：

型号 正向平均整流电流（A)反向重复峰值电压URM（V)瞬间平均正向压降（V)额定正向平均电流（A)MR2504G 25 400 1.18 78.5 在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC（3~5）T/2，且有：

（V)，即C15000uF 因此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为22000uF。

最大工作电流 Imax≈2Us/R=440/0.5=880(A)集电极－发射极反向击穿电压 ≥(2～3)Us=440～660v AVR调节器设计 图 6.含滤波电容的AVR电路原理图（三相桥式电路平均失控时间为）按典II系统进行设计，并取h=5,则：

故调节器传递函数为: 三、调速系统静特性 电压负反馈调速系统转速静特性方程为：

()带电流补偿的电压负反馈静特性为：

()第4章 MATLAB/SIMULINK仿真 一、MATLAB/SIMULINK仿真结构框图 图 7 MATLAB/SIMULINK仿真结构框图 二、仿真结果图 图 8 MATLAB/SIMULINK仿真结果曲线图 仿真结果分析:  由仿真结果可知，采用PI调节器实现了稳态时转速无静差，但快速性较差，在起动过程中且存在超调，这种超调是经历了饱和非线性区域之后的超调，可以称作“退饱和超调” 第5章 总结 电压负反馈单闭环调速系统相对于转速负反馈单闭环调速系统来说，其稳态性能要差一些，但是，要实现转速负反馈必须要有转速检测装置，例如测速发电机以及电磁脉冲测速器等等，其安装和维护都比较麻烦，常常是系统装置中可靠性的薄弱环节。因此，对于调速指标要求不高的系统来说，电压负反馈是一个不错的选择。总之，在实际生产中，电压负反馈比转速负反馈更容易实现，对经济条件要求不高，更适用于低精度要求的生产系统中。

第6章 实习心得体会 历经一周的课程设计结束了，这一周虽然过得很快，但收获却颇多。我们设计的课题是单闭环电压负反馈调速系统，通过这次单闭环电压负反馈调速系统的设计与仿真，我学到了Simulink仿真的一些方法，更加深入的了解了MATLAB这款非常优秀的数学软件。由于以前并没有使用过Simulink仿真，所以在实验的时候也出现了很多问题，主要体现在元件不熟悉，参数设置等方面。虽然这次的实验基本完成，但其中也存在着许多不足之处，在以后的学习中，我将更加深入的学习这款软件，以期在毕业的时候能够更好的掌握Simulink仿真技术，在工程应用上取得更好的成绩。

另外，通过本次实习，使我对电力拖动系统的知识有了更多的了解吧。在设计过程中，尽管有许多模糊的知识点需要重新去学习，可在不知不觉中，许多原来不懂的知识现在竟然都能理解了，特别是对直流调速系统方面有了更加深入的了解。通过此次设计实习，我不但对单闭环电压负反馈调速系统有了更加深入的认识，而且还学到了与此次设计内容相关的去多知识，知道了什么是电压负反馈，懂得了转速反馈调速的原理，更加深入地了解了电机控制、运动控制、PI调节器等的设计。

参考文献 [1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统第三版.机械工业出版社.2003.7 [2]王兆安 刘进军.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2009.[3] 毕效辉.自动控制理论.中国轻工业出版社.2009.8 [4]洪乃刚．电力电子电机、控制系统仿真技术．北京：机械工业出版社第1版．2013  [5] 王忠礼、段慧达、高玉峰.MATLB应用技术—在电气工程与自动化中的应用.清华大学出版社 2007.1 附录1 MATLAB/SIMULINK仿真图及结果 附录2 单闭环电压反馈调速系统电气原理总图

第二篇：带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计课程设计

课程设计任务书

题

目

带电流截至负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统

设

计

时

间

18周周四~20周周三

设

计

目的：

应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础

设

计

要

求：

1.应详细叙述控制系统各部件的方案选择

2.应详细叙述控制系统的设计过程及参数选择的理由.3.设计报告应包括控制系统原理图一份(用A3图纸),并附系统工作原理说明.4.仿真结果曲线图要有性能分析.5.设计报告应有自己的设计感想.6.设计报告除应交文字版外,还应递交电子版.7.设计报告必须在1月10日前交.总体方案实现：

可控电源选择脉宽调速系统，即采用直流PWM调速系统

主电路选用V-M系统，采用三相桥式全控整流电路，并增加抑制电流脉动的措施，为此设置平波电抗器。触发电路采用三相集成触发器。

确定整流装置的放大倍数

设计电流调节器和转速调节器，确定其参数，调节器结构

用protel99se绘制主电路原理图

系统的matlab仿真运行，确定系统的仿真模型，转速，电流仿真波形

指导教师评语：

一、设计目的应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。

二、设计参数

1、直流电动机（4）：

输出功率为:10Kw，电枢额定电压220V

电枢额定电流

55A，额定励磁电流1A

额定励磁电压220V，功率因数0.85

电枢电阻0.1欧姆，电枢回路电感100mH

电机机电时间常数1S，电枢允许过载系数1.5

额定转速1430rpm2、环境条件：

电网额定电压:380/220V，电网电压波动:10%

环境温度:-40~+40摄氏度，环境湿度:10~90%

3、控制系统性能指标：

电流超调量小于等于5%

空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%

调速范围D＝20，静差率小于等于0.03.三、系统方案选择

1.可控电源选择

直流电动机具有良好的起制动性能在广泛范围内可实现平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。从生产机械要求控制的物理量来看，各种系统往往都通过控制转速来实现的。因而直流调速系统是最基本的拖动控制系统。直流变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：

①转电流机组

适用于调速要求不高、要求可逆运行的系统但其设备多、体积大、费用高、效率低。

②静止可控整流器

可通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位从而实现平滑调速且控制作用快速性能好提高系统动态性能。

③PWM(脉宽调制变换器)或称直流斩波器

利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压，与V—M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：

主电路线路简单，需要的功率器件少，开关频率高；电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。因此，本设计应选择脉宽调速，即采用直流PWM调速。

2.转速负反馈的闭环直流调速系统的原理

该系统由转速给定环节为Un*,放大倍数为KP的放大器、移相触发器CF、晶闸管整流器和直流电动机M、测速发电机TG等组成。带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为:K=KPKSKa/Ce,KP为放大器放大倍数;KS为晶闸管整流器放大倍数;Ce为电动机电动势常数;

为转速反馈系数;R

为电枢回路总电阻。从稳态特性方程2.10

式可以看到,如果适当增大放大器放大倍数KP电机的转速降△n

将减小,电动机有更好的保持速度稳定的性能。

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

P

I

调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。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。

电流截止负反馈

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大问题,系统

中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理,要维持哪一

个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。那么引入电流

负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。但是这种作

用只应在起动和堵转时存在,在正常运行时又得取消,让电流自由地随着负载增减,这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈,简称截流反馈。

为了实现截流反馈,须在系统中引入电流截止负反馈环节。如图1所示,电流反馈信号取自串人电动机电枢回路的小阻值电阻RS,IdRS正比于电流。设Idcr为临界的截止电流,当电流大于Idcr时将电流负反馈信号加到放大器的输入端,当电流小于Idcr时将电流反馈切断。为了实现这一作用,须引入比较电压Ucom。图1a中利用独立的直流电源作比较电压,其大小可用电位器调节,相当于调节截止电流。在IdRS与Ucom之间串接一个二极管VD,当IdRS>Ucom时,二极管导通,电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去;当IdRS≤Ucom时,二极管截止,Ui即消失。显然,在这一线路中,截止电流Idcr=Ucom/RS。

图2-1b中利用稳压管

VST的击穿电压Ubr作为比较电压,线路要简单得多,但不能平滑调节截止电流值。

图1

电流截止负反馈环节

图2

电流截止负反馈环节的输入输出特性

图3

带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性

电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2所示,它表明:当输入信号(IdRs-Ucom)为正值时,输出和输入相等;当(IdRs-Ucom)为负值时,输出为零。这是一个非线性环节(两段线性环节),将它画在方框中,再和系统的其它部分联接起来,即得带电流截截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图4,图中Ui表示电流负反馈信号电压,Un表示转速负反馈信号电压。

图4

带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图

2双闭环直流调速系统

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道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5-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。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图5-b所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程

理想快速启动过程

图5

调速系统启动过程的电流和转速波形

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变[1]，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

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，如图2-2所示，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。

三

主电路设计

主电路和控制系统确定

主电路选用V-M系统，采用三相桥式全控整流电路，并增加抑制电流脉动的措施，为此设置平波电抗器，总电感量的计算公式为

L=0.693U2/Idmin,一般取Idmin为电动机额定电压的5%-10%。触发电路采用三相集成触发器。

图

晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）

图

双闭环直流调速系统电路原理图

确定整流装置的放大倍数

1)

为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降为：

2）闭环系统应有的开环放大系数：

电动机的电动势系数：

则开环系统额定速降为：

则闭环系统的开环放大系数应为：

3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数

在转速反馈系数α包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器RP2的分压系数α2，即α=α2Cetg

根据测速发电机的额定数据有：

试取α2=0.15，如测速发电机与主电动机直接连接，则在电动机最高转速970r/min时，转速反馈电压为

稳态时很小，只要略大于即可，现有直流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压的需要。因此，取=0.15是正确的。

于是，转速负反馈系数的计算结果为：

电位器RP2的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢电压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则

此时RP2所消耗的功率为：

为了不致使电位器温度很高，实选电位器的瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可将RP2选为10w，2kΩ的可调电位器。

4）计算运算放大器的放大系数和参数

根据调速指标要求，前已求出闭环系数应为K165.6，则运算放大器的放大系数Kp应为，取Kp为65

运算放大器的参数计算如下：

根据所用运算放大器的型号，取，则

晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压，电压放大系数。

1、电流调节器的设计

1）

确定时间常数

A、整流装置滞后时间常数，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。

B、机电时间常数，电磁时间常数。

C、电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有，因此取=2ms=0.002s。

D、电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s。

2）

选择电流调节器结构

根据设计要求电流超调量，并保证稳态电流无差，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，因此可以用PI型电流调节器，其传递函数为

检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

3）

计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数:。

电流环开环增益：要求时，应取，因此。

于是，ACR的比例系数为

电流反馈系数

4)

校验近似条件

电流环截止频率：。

A、晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件。

B、忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

满足近似条件。

C、电流环小时间常数近似处理条件

满足近似条件。

5）

计算调节器电阻和电容

按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取20。

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标，满足设计要求。

2、转速调节器的设计

1）

确定时间常数

［1］

电流环等效时间常数1/,由上已取，则

［2］

转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s。

［3］

转速环小时间常数，按小时间常数近似处理，取。

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

3）

计算转速调节器参数

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的比例系数为

4）

检验近似条件

转速环截止频率为

A、电流环传递函数简化条件为，满足近似条件。

B、转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。

5）

计算调节器电阻和电容

取，则

6）

校核转速超调量

当h=5时，不能满足设计要求。实际上，由于表中是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

由已知有，Ce=0.15Vmin/r，当h=5时，查表可得

代入式

可得

能满足设计要求。

六、系统的MATLAB仿真

1、系统仿真模型

2、转速仿真波形

3、电流仿真波形

七、心得体会

本文主要对转速闭环直流电机的调速系统进行分析并在MATLAB/SIMULINK

建立起仿真图并进行仿真。介绍了转速负反馈的闭环直流调速系统的原理,完成了转速闭环调速系统的优点并建立其原理框图和仿真图。将建立的仿真图在MATLAB软件里面仿真得出直流电动机各物理量的波形。对波形进行分析得出转速负反馈闭环调速系统的优点和不足。本论文具有很强的理论与实际意义。

通过本次设计，加强了我对单片机应用知识的掌握，同时了解了目前工业生产中数字化系统的重要性，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

八、参考文献

[1]陈伯石，电力拖动自动控制系统[M]，机械工业出版社，北京，2003

[2]顾绳谷，电机及拖动基础上册[M]，机械工业出版社，北京，2000

[3]陈治明，电力电子器件[M]，机械工业出版社，北京，1992

[4]王兆安，电力电子变流技术[M]，机械工业出版社，北京，2003

[5]张明勋.电力电子设备和应用手册[M]，机械工业出版社，北京，1992

[6]顾绳谷.电机及拖动基础下册[M]，机械工业出版社，北京，2000

第三篇：双闭环不可逆直流调速系统实验报告

双闭环不可逆直流调速系统实验

一、实验目的(1)了解闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。

(2)掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。

(3)研究调节器参数对系统动态性能的影响。

二、实验所需挂件及附件

序号

型

号

备

注

DJK01

电源控制屏

该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。

DJK02

晶闸管主电路

DJK02-1三相晶闸管触发电路

该挂件包含“触发电路”、“正反桥功放”等几个模块。

DJK04

电机调速控制实验

I

该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器II”、“转速变换”、“电流反馈与过流保护”等几个模块。

DJK08可调电阻、电容箱

DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表

DJ13-1

直流发电机

DJ15

直流并励电动机

D42　三相可调电阻

慢扫描示波器

自备

万用表

自备

三、实验线路及原理

许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下：

启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug

=Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。

系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“速度调节器”、“电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制αmax的目的。

在本实验中DJK04上的“调节器I”作为“速度调节器”使用，“调节器II”作为“电流调节器”使用；若使用DD03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘测速系统和D55-4智能电机特性测试及控制系统两者来完成电机加载请详见附录相关内容。

四、实验内容

(1)各控制单元调试。

(2)测定电流反馈系数β、转速反馈系数α。

(3)测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(Id)。

(4)闭环控制特性n=f(Ug)的测定。

(5)观察、记录系统动态波形。

图5-10

双闭环直流调速系统原理框图

五、实验方法

(1)双闭环调速系统调试原则

①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。

②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。

③先内环，后外环，即先调试电流内环，然后调试转速外环。

④先调整稳态精度，后调整动态指标。

(2)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试

①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。

③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动

“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。

④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。

⑤将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔”

VT1的输出波形，使α=150°(注意此处的α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30°)。

⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。

⑦用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。

⑧将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。

(3)控制单元调试

①移相控制电压Uct调节范围的确定

直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值时，此时Ud接近为输出最高电压值Ud＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud＇，调节Ug使得“三相全控整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug＇的电压值记录下来，Uctmax=

Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug＇于下表中：

Ud＇

280

Udmax=0.9

Ud＇

251.8

Uctmax=Ug＇

5.01

将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。

②调节器的调零

将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“调节器I”成为P

(比例)调节器。用万用表的毫伏档测量调节器I的“7”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之电压尽可能接近于零。

将DJK04中“调节器II”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“调节器II”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“调节器II”成为P（比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器II的“11”端，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。

③调节器正、负限幅值的调整

把“调节器I”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI

(比例积分)调节器，将“调节器I”所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于零。

把“调节器II”的“9”、“10”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将“调节器II”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器II的“4”端。当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器I的输出正限幅为Uctmax。

④电流反馈系数的整定

直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β=

Ufi/Id=

4.615V/A。

⑤转速反馈系数的整定

直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。

按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n

=150Orpm时，调节“转速变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α=Ufn/n

=0.004V/(rpm)。

(4)开环外特性的测定

①DJK02-1控制电压Uct由DJK04上的给定输出Ug直接接入，“三相全控整流”电路接电动机，Ld用DJK02上的200mH，直流发电机接负载电阻R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

②按下启动按钮，先接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电机启动升速，转速到达1200rpm。

③增大负载(即减小负载电阻R阻值)，使得电动机电流Id=Ied，可测出该系统的开环外特性n

=f（Id），记录于下表中：

n（rpm）

1200

1198

1189

1187

1169

1158

1148

Id（A）

0.345

0.402

0.414

0.481

0.490

0.722

0.766

将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。

(5)系统静特性测试

①按图5-10接线，DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。将“调节器I”、“调节器II”都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将“调节器I”，“调节器II”均恢复成PI（比例积分）调节器，构成实验系统。

②机械特性n

=f(Id)的测定

A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm，然后接入发电机负载电阻R，逐渐改变负载电阻，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n

=f(Id)，并记录于下表中：

n（rpm）

1199

1197

1195

1193

1192

1190

1188

Id（A）

0.302

0.510

0.639

0.810

0.900

1.020

1.200

B、降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：

n（rpm）

800.0

797.8

795.3

793.8

792.5

791.1

776.2

Id（A）

0.261

0.429

0.647

0.777

0.879

1.018

1.189

C、闭环控制系统n=f(Ug)的测定

调节Ug及R，使Id=Ied、n=

l200rpm，逐渐降低Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n

=

f(Ug)。

n（rpm）

1200

961.9

807.1

658.9

557.5

428.0

310.7

Ug（V）

4.46

3.56

2.99

2.42

2.04

1.57

1.16

(6)系统动态特性的观察

用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下(“调节器I”的增益和积分电容、“调节器II”的增益和积分电容、“转速变换”的滤波电容)，用示波器观察、记录下列动态波形:

①突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id(“电流反馈与过流保护”的“2”端)波形和转速n(“转速变换”的“3”端)波形。

1）

电动机启动时的电枢电流Id(“电流反馈与过流保护”的“2”端)波形

2）

转速n(“转速变换”的“3”端)波形。

②突加额定负载(20%IedÞ100%Ied)时电动机电枢电流波形和转速波形。

1）

突加额定负载(20%IedÞ100%Ied)时电动机电枢电流波形

2）

突加额定负载(20%IedÞ100%Ied)时电动机转速波形

③突降负载(100%IedÞ20%Ied)时电动机的电枢电流波形和转速波形。

1）

突降负载(100%IedÞ20%Ied)时电动机的电枢电流波形

2）

突降负载(100%IedÞ20%Ied)时电动机的转速波形

六、实验数据处理

(1)

根据实验数据，系统的开环外特性n

=f（Id）。

(2)

根据实验数据，画出两种转速时的闭环机械特性n

=f(Id)。

1）

转速n=1200rpm

2）

转速n=800rpm

(3)

根据实验数据，画出闭环控制特性曲线n

=f(Ug)。

七、注意事项

(1)在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再用数字存储示波器或记忆示波器记录动态波形。

文档内容仅供参考

第四篇：3转速电流双闭环直流调速系统

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。

第五篇：基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计与实现

FPGA课程设计

题目：基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计与实现 班级：微电子学1202班 姓名：杜英 学号：1206080201 日期：2016年3月24日

基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计与实现

1设计任务与要求

1.1设计任务

完成基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计与实现，实现对直流电机的闭环调速，速度值采用LCD或数码管显示。

1.2设计要求

1.2.1了解PWM控制方法及应用；掌握PWM直流电机调速控制原理；掌握直流电机调速及驱动控制原理；完成基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计。采用PWM（脉冲宽度调制）技术，速度值采用LCD或数码管显示。

1.2.2通过课程设计的实践，进一步了解和掌握硬件描述语言(VHDL或Verilog）和TOP-DOWN的设计流程，提高对实际项目的分析和设计能力，体会FPGA项目开发的过程，熟悉实验报告的编写规范。

2设计原理分析

2．1直流电机结构如下图1.1所示

图2.1 直流电机的构造

将直流电源通过电刷接通线组线圈，使线组线圈导体（电枢导体）有电流通过，在电磁的作用下，线组线圈将会产生磁场，同时产生的磁场与主磁极的磁场产生电磁力，这个电磁力作用于转子，使转子以一定的速度开始旋转，电机就开始工作。

在电机的外部电路加入开关型的霍尔元件，同时在电子转子的转盘上加入一个使霍尔元件产生输出的带有磁场的磁钢片。当直流电机旋转时转盘与磁钢片一起旋转，当磁钢片转到霍尔元件上方时，可以使霍尔元件的输出端高电平变为低电平。当磁钢片离开霍尔元件上方后，霍尔元件输出端又恢复高电平。如此，点击每旋转一周，会使霍尔元件的输出端产生一个低脉冲，可以通过检测单位时间内霍尔元件输出端低脉冲的个数推算出直流电机的转速。

本次设计中，调节PWM占空比进而控制直流电机转速，在本次设计中，为了保护霍尔元件，故设定程序每6秒刷新一次数据，所以在数码管显示的数据乘以10就是在该占空比时的直流电机每分钟转速。在这次的实验中数码管采用的8位共阴极数码管，通过锁存器输入数据使得数码管的8个段码数字显示，再通过选择输出数据对所需数码管进行选择。

2．2电路原理图

图2.2 电路原理图 3 设计方案

上述原理图中包含PWM模块、测速模块、计数模块、电机模块、滤波模块。电机的外部电路加入开关型的霍尔元件，同时在电子转子的转盘上加入一个使霍尔元件产生输出的带有磁场的磁钢片。当直流电机旋转时转盘与磁钢片一起旋转，当磁钢片转到霍尔元件上方时，可以使霍尔元件的输出端高电平变为低电平。当磁钢片离开霍尔元件上方后，霍尔元件输出端又恢复高电平。如此，点击每旋转一周，会使霍尔元件的输出端产生一个低脉冲，可以通过检测单位时间内霍尔元件输出端低脉冲的个数推算出直流电机的转速。本次设计为六秒记一次数，乘十就是每分钟转速值。再通过驱动模块显示数码管数据。

4设计步骤

（1）首先确定整体设计方案，确定设计需要使用的软件；（2）设计电路模块，编写各模块程序代码并进行仿真编译；（3）完成整体电路图设计后，使用QuartusⅡ软件对整体电路进行仿真调试；

（4）连接硬件，使用示波器观察产生的波形，对不足之处进行改进调试。

5调试结果说明

连接好试验箱，把硬件与实验箱接通，将程序下载到实验箱中。进行实验，示波器观察PWM脉冲波形（占空比），看实验结果与预期效果是否相同，若相同，则实验无误。其波形如下： 占空比为50%时

占空比为90%时

将程序下载到实验箱中后，其实际操作过程如下： K12为使能键，使K12=‘1’；输入时钟信号为1MHZ；（1）K4=1时，示波器和LED的显示如下：

示波器显示的是霍尔元件单位时间内计数的个数为31.011 显示器是每六秒电机转的圈数为186转

结论：31.011*6=186.066于186近似，所以结论符合要求。（2）K4=1,k3=1时，示波器和LED的显示如下：

结论：68.6338*6=411.8028于412近似，所以结论符合要求。（3）K4=1,k3=1,K2=1时，示波器和LED的显示如下：

结论：85.516*6=513.096于513近似，所以结论符合要求。（4）K4=1,k3=1,K2=1,K1=1时，示波器和LED的显示如下：

结论：90.0339*6=540.2034于541近似，所以结论符合要求。通过以上的比较，发现示波器中的结果与数码管上数据大概一致，即实验结果基本达到要求。

6心得体会

本次课程设计，用FPGA控制直流电机，完成直流电机PWM调速系统设计，实现对直流电机的闭环调速，速度值采用LCD或数码管显示。是一次很好的学习和实践的机会。通过课程设计，我明白了电机工作的原理，以及用FPGA控制电机的原理。最重要的是，对如何设计一个系统有了更进一步的了解，积累了很多经验。

从下载测试的结果来看，设计的要求基本上都实现了。但是仍存在不少问题。每个模块生成基本电路后，把各个模块的进行连接，仿真结果是正确的。但是当连接到试验箱后，电机正常转动，LED却无法显示。检查电路和程序还有电路图，并发现什么问题。无意中发现LED偶尔会出现数字，但也只是闪一下。最后才发现是因为电机转动太快了，LED无法及时显示或者是一直在闪，人眼无法识别。在程序中加入了滤波模块，才解决了问题。

在设计的过程中，开始照着EDA课本上的原理设计，后来才发现所设计的电路有很多地方都满足不了设计要求，使设计一度遭遇了很大困难。通过与同学讨论请教，逐步改进了设计，终于使设计的电路和设计要求相吻合。在这中间，通过不断提出问题，解决问题，我对这次设计的原理有了更深的了解，也给我分析问题，解决问题提供了很多好的方法，好的思路。同时，我也发现了自己存在的很多不足。发现自己在设计一个系统的时候不能够统筹兼顾，不能够从总体上把握设计的思路，也不能看清问题的核心与关键所在。这些都需要在下面不断学习实践，理论毕竟只是理论，要多参加实践，这样才能提高自己的能力，积累经验。

附录一

PWM模块程序 Library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity PWM is port（clock:in std_logic;

duty_cycle:in std_logic_vector(3 downto 0);

pwm_en:in std_logic;

pwm_out:out std_logic);end entity;architecture art of PWM is

signal pwm_out_io:std_logic;

signal count:std_logic_vector(3 downto 0);begin

pwm_out<=pwm_out_io;

process(clock)

begin

if rising_edge(clock)then

if pwm_en='1' then

count<=count+1;

end if;

end if;

end process;

process(clock)

begin

if rising_edge(clock)then

if pwm_en='1' and count

pwm_out_io<='1';

else

pwm_out_io<='0';

end if;

end if;

end process;end;

测速模块程序 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cesu is port(clk : in

std_logic;

--时钟输入1Mhz

ena : out

std_logic;

--允许计数

clr : out

std_logic;

--计数器清零信号产生

load : out

std_logic);--锁存、显示输出允许高有效 end cesu;architecture behav of cesu is

signal clkk :std_logic;

--1HZ时钟信号

signal count :integer range 0 to 7;--6秒计数

signal clr1 :std_logic;

--清零信号

signal ena1 :std_logic;

--允许计数信号

signal load1 :std_logic;

--允许计数信号

--signal cq1,cq2,cq3,cq4 : INTEGER RANGE 0 TO 15;--计数数据 begin

process(clk)

variable c:std_logic;

variable cnt:integer range 0 to 500000;

begin

if clk'event and clk='1' then

cnt:=cnt+1;

if cnt=500000 then

cnt:=0;c:=not c;

end if;

end if;

clkk<=c;

end process;

process(clkk)

--6秒计数

begin

if clkk'event and clkk='1' then

count<=count+1;

if count<6 then

ena1<='1';load1<='0';clr1<='0';

elsif count=6

then

ena1<='0';load1<='1';clr1<='0';

elsif

count=7 then

ena1<='0';load1<='1';clr1<='1';

end if;

end if;

ena<=ena1;

load<=load1;

clr<=clr1;

end process;end behav;

计数模块程序 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;

entity cnt10 is

port(clk:in std_logic;

--计数时钟信号

clr:in std_logic;

--清零信号

ena:in std_logic;

--计数使能信号

cq :out integer range 0 to 15;--4位计数结果输出

carry_out:out std_logic);

--计数进位

end cnt10;architecture behav of cnt10 is signal cq1:integer range 0 to 15;begin process(clk,ena)begin

if

clr= '1' then cq1<= 0;

----计数器异步清零

elsif clk'event and clk= '1' then

if ena= '1' then

if cq1=10 then cq1<=1;

else cq1<=cq1+1;

end if;

----等于9，则计数器清零

end if;

end if;end process;process(cq1)

begin

if cq1=10 then carry_out<= '1';

----进位输出

else carry_out<= '0';

end if;end process;

cq<=cq1;end behav;

驱动模块程序 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity qudong_8 is port(clk:in std_logic;

--动态显示刷新速度时钟

QQ1,QQ2,QQ3:in std_logic_vector(3 downto 0);--32位BCD码输入，最0~3低位，28~31最高位

qudong1:out std_logic_vector(7 downto 0);--驱动信号输出，0~7分别为abcdefgp contrl:buffer std_logic_vector(2 downto 0));--数码管位选输出，000最低位数码管有效，111最高位数码管有效 end qudong_8;architecture behavior of qudong_8 is signal disp:std_logic_vector(3 downto 0);signal temp:std_logic_vector(2 downto 0);begin process(clk)begin

if clk'event and clk='1' then

temp<=temp+1;

end if;

contrl<=temp;end process;

process(contrl)

--位选信号产生进程

begin

case contrl is

--when“000”=>disp<=QQ7;

--when“001”=>disp<=QQ6;

--when“010”=>disp<=QQ5;

--when“011”=>disp<=QQ4;

when“100”=>disp<=QQ3;

when“101”=>disp<=QQ2;

when“110”=>disp<=QQ1;

--when“111”=>disp<=“0000”;

when others=>disp<=“0000”;

end case;end process;process(disp)

--译码进程

begin

case disp is

when“0000”=>qudong1<=“00111111”;

when“0001”=>qudong1<=“00000110”;

when“0010”=>qudong1<=“01011011”;

when“0011”=>qudong1<=“01001111”;

when“0100”=>qudong1<=“01100110”;

when“0101”=>qudong1<=“01101101”;

when“0110”=>qudong1<=“01111101”;

when“0111”=>qudong1<=“00000111”;

when“1000”=>qudong1<=“01111111”;

when“1001”=>qudong1<=“01101111”;

when others=>qudong1<=“00000110”;

end case;end process;end behavior;

消抖模块程序 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;

entity xiaodou is port(clk,input: in std_logic;output: out std_logic);end xiaodou;

architecture behav of xiaodou is signal cp:std_logic;signal count:integer range 0 to 3;begin process(clk)begin if(clk'event and clk='1')then--检测上升沿 if(input='1')then--如果有输入信号

if(count=3)then count<=count;--当计数达到3时，保持计数值不变 else count<=count+1;--当其小于3时，进行加1处理 end if;if(count=2)then cp<='1';--如果计数达到2，cp置1 else cp<='0';--其余情况全部为0 end if;else count<=0;--如果计数出现非法状况，进行清零复位 end if;end if;output<=cp;--信号输出 end process;end behav;