直流电动机调速系统课程设计班级：电气0802姓名：刘志勇学号： 08140218目录第一章：设计内容 (2)1.1设计内容： (2)第二章：设计要求 (2)2.1设计要求 (2)2.2设计参数： (2)第三章：双闭环直流调速系统设计 (3)3.1转速、电流双闭环直流调速系统的成 (3)3.2系统电路结构 (4)3.3调节器的设计 (7)第四章单闭环直流调速系统设计 (14)4.1闭环系统调速的组成及其静特性 (14)4.2 稳态参数计算 (16)第五章相关原理图设计波形图 (19)5.1.主电路图 (19)5.2.控制电路图 (20)第六章设计总结及参考文献 (23)6.1设计总结 (23)6.2 参考资料 (23)1第一章：设计内容1.1设计内容：（1）根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统（2）根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，使用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统第二章：设计要求2.1设计要求2.1.1根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图2.1.2直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量γ及GM、计算调节器参数、绘系统动态结构图2.1.3设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图2.1.4测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、电压电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。

2.2设计参数：=1.8Ω2.2.1电枢电阻Ra电枢电感L=9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35msa22.2.2测速发电机参数：Un =80V，nN=3000r/min，P N =16W,IN=200mA，负载电阻R=400Ω2.2.3PWM主电路：驱动频率f≥10kHz,R=2.7+1.8=4.5Ω2.2.4设计指标转速电流双闭环直流调速系统：U*n =5V，Uim=5V，Idm=1.5IN，σi ≤5%，σn≤10%。

第三章：双闭环直流调速系统设计3.1转速、电流双闭环直流调速系统的成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（或称串级）联接如下图所示。

3图中，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电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

3.2系统电路结构为了获得良好的静、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U c为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

3.2.1稳态结构框图和静特性45双闭环直流调速系统的稳态结构图α—转速反馈系数; β —电流反馈系数分析静特性的关键是掌握这样的PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：①饱和——输出达到限幅值。

即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。

②不饱和——输出未达到限幅值。

即PI 的作用使输入偏差电压U ∆在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此*0nU n n α==，而得到下图静特性的CA 段。

（2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值*im U ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。

稳态时*imd dm U I I β==，从而得到下图静特性的AB 段。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。

然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷6大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI 调节器”时，静特性的两段实际上都N 略有很小的静差，见图的虚线。

3.2.3 稳态参数的计算双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 速反馈转系数电流反馈系数电动机的电动势常数r /min 0071.0min/30008.15.124⋅=⋅⨯-=-=V r V Ce nR I UNaN NrV r V n U min/.0017.0min/30005max *nm ===αAV AV I U /22.25.15.15dm *im =⨯==β73.3调节器的设计双闭环调速系统的动态结构图3.3.1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts 。

由附表6.1知，PWM 装置的延长时间 Ts=0. 1ms=0.0001s 。

（2）电流滤波时间常数Toi 。

单相全控桥PWM 波形的周期为ms s f T 1.01010113=⨯==（1~2）Toi=0.1ms ，因此取Toi=0.08ms=0.00008s 。

（3）电流环小时间常数之和i T ∑。

按小时间常数近似处理，取i T ∑= Ts+Toi=0.00018s 。

（4）电磁时间常数TLs R LTal0217.05.41076.93=⨯==- 2. 选择电流调节器的结构8根据设计要求5%i σ≤，并保证稳态电流无静差，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 型调节器，其传递函数为()(1)i i ACR s i K s W sττ+=式中 i K ------电流调节器的比例系数；i τ-------电流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：06.1200018.000217.0==∑T T il,参照附表6.2的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I 型系统设计。

3. 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：00217.0==Tliτ。

电流开环增益：要求5%i σ≤时，取0.5I i K T ∑=，因此118.277700018.05.0--==s s KI于是，ACR 的比例系数为55.244.44.25.400217.08.2777=⨯⨯⨯==βτK R K K si Ii4. 校验近似条件电流环截止频率： ==I ci K ω31251-s （1） PWM 装置传递函数的近似条件9=sT 313333.33 满足近似条件。

（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件=lm T T 13369.274 满足近似条件。

（1） PWM 装置传递函数的近似条件w T ci s s >=⨯=-13.33330001.03131满足近似条件。

（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件=lm T T 131300217.0103513--⨯⨯⨯s =344.241-s w ci < 满足近似条件。

（3） 电流环小时间常数近似处理条件ci oi s w s T T >=⨯⨯=⨯-18.312600008.00001.0131131 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R 0=40k Ω，各电阻和电容值为 Ω=⨯==k 8.1014055.2R K R 0i i , 取102ΩK F F RiiCi μτ0213.01013.21010200217.083=⨯=⨯==-，取0.022F μ ,008.0108104000008.044930F F R T C oi oi μ=⨯=⨯⨯==-取0.008F μ10按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为4.3%5%i σ=<，满足设计要求。

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

3.3.2转速调节器的设计 1. 确定时间1）电流环等效时间常数1/K I 。

由前述已知，0.5I i K T ∑=，则s s T K i I00036.000018.0221=⨯==∑ （2）转速滤波时间常数on T ，根据所用测速发电机纹波情况，取s T on 003.0=.（3）转速环小时间常数n T ∑。

按小时间常数近似处理，取如图 含滤波环节的PI 型电流调节器11s s s T K T on In 00136.0001.000036.01=+=+=∑ 2. 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数式为(1)()n n ASR n K s W s sττ+=3. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR 的超前时间常数为==∑n n hT τ0.0068则转速环开环增益89.648792122=+=∑nN T h h K 可得ASR 的比例系数为48.3200136.05.400333.052035.00071.044.4)15(2)1(=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+=+=∑n m e n RT h T C h K αβ式中 电动势常数。

r V n R I U C NaN N e min/.0071.0=-=。

。

4.检验近似条件 转速截止频率为 1118.441-===s K K n N Ncn τωω12（1）电流环传递函数简化条件为 cn i I w s sT K >==--∑1146.130900018.08.27773131 满足简化条件。

（2）转速环小时间常数近似处理条件为cn on I w T K >==56.555001.08.27773131 满足近似条件。

5．计算调节器电阻和电容取040R k =Ω，则,2.12994048.320Ω=⨯==K R K R n n 取ΩK 1300 PF F F R C nnn 523110231.51013000068.093=⨯=⨯==-τ, 取PF 5231 F R T C onon μ1.040==, 取F μ1.0如图 含滤波环节的PI 型转速调节器136.校核转速超调量当h=5时，查附表6.3典型∏型系统阶跃输入跟随性能指标得，37.6%n σ=，不能满足设计要求。

实际上，由于附表6.3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。

计算超调量。

设理想空载起动时，负载系数0=Z ，已知A I N 5.1=，min /3000r n N =，5.1=λ，Ω=5.4R ， r V C e m in/0071.0⋅=，s T m 035.0=，s T n 00136.0=∑。