直流电机双闭环、运动控制系统课程设计

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1、 1 第第1章章 绪论绪论 1.1 运动控制系统研究背景 电机自动控制系统广泛应用于机械模具，矿产冶金，石油化工，轻工纺织，军工等与军民企业 密切相关的行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其 运行性能，对国民经济，以及电能的合理运用都具有十分重要的现实意义。 自从电动机发明到上个世纪 90 年代， 直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电 动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动 机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的 挑战，但至今直流电动机仍然是大多数

2、变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的 线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控 制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在 DJDK-1 型电力电子技术及电机 控制试验装置上的调试,并应用 MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目 的。 1.2 课题目前的研究应用现状 近几十年来，电力拖动系统得到了快速的发展。随着新型电力电子器件的发明，为了进一步提 高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面

3、展开： 1.2.1 常规调速系统介绍 电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高 压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块（IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控 制系统的体积更小，可靠性更高。 传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复 杂， 对散热要求也较高。 电力电子器件的发展， 使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管 （GTR） 得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良， 以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用

4、呈现越来越普 遍的趋势。 1.2.2 应用现代控制理论 在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。但近年来，现 代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两方面 原因：第一是高性能处理器的应用，使得复杂的运算得以实时完成。第二是在辨识，参数估值以及 控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。 1.2.3 采用总线技术 现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制 系统有可能采用相同的硬件结构。 1.2.4 内含嵌入式操作系统的控制器 当今是网络时代，信

5、息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。这种控制系统采用嵌入式控制 器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能，这 样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件 Linux 操作系统的数字式伺服系统。 1.3 本设计思路 根据本课题的实际情况，宜从以下三个方面入手分析： 1直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型 2双闭环直流调速的工程设计 2 3应用 MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正 本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速， 是目前直流调速系统采用的主要调速方案

6、。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能 满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭 环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要 控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系， 而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制 系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。 关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原 理对系统的工程设计方法进行了分析。 设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的 观点正确选择合理的阶次 4。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定 性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系 统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中 的一个等效环节，再设计转速调节器。 1.41.4 本设计本设计的组成部分的组成