运动控制系统双闭环直流调速系统

运动控制课程设计任务书题目：双闭环直流调速系统设计使用班级：电气081、082设计内容已知电机参数为：PN=500k,UN=750VIN=760AQ,允许过载倍数入=，触发整流环节Ks=75,Tl=,Tm=调节器输入输出最大电压为10V,设计双闭环调速系统，达到最理想的调速性能。主要设计内容包括：1、ACRASF调节器类型选择与参数计算。2、系统建模与仿真。3、调节器电路设计。4、主电路设计。5、反馈电路设计。6、触发电路设计。7、故障处理电路设计。设计步骤一、总体方案设计二、参数初步计算。三、控制系统的建模和MALAB仿真四、根据仿真结果调整参数五、主电路及控制电路设计六、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。课程设计说明书要求1 课程设计说明书应书写认真字迹工稚，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。2 论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。3 课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应有系统方枢图和电路原理图。4 课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识摘要双闭环(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。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),分别调节转速和电流。可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，历来是自动控制系统的主要执行元件，在轧钢及其辅助机械、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、大型起重机、金属切削机床、造纸机、纺织机械等领域中得到了广泛的应用。换向器是直流电机的主要薄弱环节,它使直流电机的单机容量、过载能力、最高电压、最高转速等重要指标都受到限制,也给直流电机的制造和维护添了不少麻烦。然而，鉴于直流拖动控制系统的理论和实践都比较成熟，直流电机仍在广泛的使用。因此，长期以来，在应用和完善直流拖动控制系统的同时，人们一直不断在研制性能与价格都赶得上直流系统的交流拖动控制系统，近年来，在微机控制和电力电子变频装置高度发展之后，这个愿望终于有了实现的可能。在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。并且随着电力电子器件开关性能的不断提高,直流脉宽调制(PWM)技术得到了飞速的发展。关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，MALA仿真AbstractDouble-loop(speedloop,currentloop)DCdrivesystemisawidelyusedcurrently,theeconomy,forthepowertransmissionsystem.Ithasafastdynamicresponse,theadvantagesofanti-interferenceability.DCdoubleclosedloopspeedcontrolsystemsetuptworegulators,thespeedregulator(ASR)andthecurrentregulator(ACR),adjustthespeedandcurrent,respectively.Levelcanbeachievedquicklywithoutfrequentstarting,brakingandreverse;productionprocessautomationsystemstomeetavarietyofspecialoperatingrequirements,automaticcontrolsystemhasalwaysbeenthemainactuator,inrollingandauxiliarymachinery,minehoist,excavationmachine,offshorerigs,largecranes,metalcuttingmachinetools,papermachines,textilemachineryandotherfieldshasbeenwidelyused.DCmotorcommutatorisamajorweaklink,whichallowstheDCmotorunitcapacity,overload,themaximumvoltage,maximumspeedlimitandotherimportantindicators,butalsotothemanufactureandmaintenanceofDCmotoraddalotoftrouble.However,inviewoftheDCdrivecontrolsystemstheoryandpracticearemoremature,DCmotorsarestillwidelyused.Thus,along,draggingintheapplicationandimprovementoftheDCcontrolsystematthesametime,peoplehavebeenconstantlyinthedevelopmentofperformanceandpricecatchACDCsystemdragcontrolsysteminrecentyears,computer-controlledelectronicfrequencyconverterandpowerafterthehighlydevelopedthisdesirefinallyfulfilled.Inmanyneedspeedorfastforwardandreversefieldofelectricdrivesystemhasbeenwidelyused.Switchingpowerelectronicdevicesandwiththecontinuousimprovementofperformance,theDCpulse-widthmodulation(PWM)technologyhasbeenrapiddevelopment.Keywords:DOUBLE-LOOP,THYRISTORS,THESPEEDREGULATOR,THECURRENTREGULAT，ORMALTB目录第一章总体方案原理与设计双闭环直流调速系统原理: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1-1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2-1b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。+图1-1双闭环调速系统电路原理双闭环直流调速系统的总体方案设计在电动机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电动机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。转速、电流双闭环直流调速系统组成为了实现转速和电流两种负反馈的双闭环控制，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9。转速和电流两个调节器一般都采用调节器，以便获得良好的静、动态性能。该方案的原理框图如图1-2图1-2直流调速系统方案设计原理框图设计要求已知电机参数为：PN=500k,UN=750VIN=760AQ,允许过载倍数入二，触发整流环节Ks=75,Tl=,Tm=调节器输入输出最大电压为10V,设计双闭环调速系统，达到最理想的调速性能。图中WASR（s）和WACR（s）分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果2-1択雨环直谎调速系瞬超弼时那专善和屯適战丘采用PI调节器，则有双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于右图。在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。第I阶段电流上升的阶段（0t1）第II阶段恒流升速阶段（t1t2）第川阶段转速调节阶段（t2以后）。电流调节器结构的选择根据设计要求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，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为Wacr（s=Ki（TiS+1）/TiSKi电流调节器的比例系数；Ti-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗干扰性能：Ti/Tei=,参照教材中表2-3的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。图2-7电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图转速调节器（ASR的设计确定时间常数1）电流环等效时间常数2）转速滤波时间常数Ton=3）转速环小时间常数近似处理（2）选择转速调节器结构135转速调节器结构的选择转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图2-8转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图（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（4）检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函数简化条件1135.130.003763.8s满足近似要求2)转速小时间常数近似处理条件满足近似要求(5) 计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图2-1，R0=40kQ，则Rn=KnR0=*40=1186&Cn=Rn=186000=Con=4Ton/R0=4*40000=10nF(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。则超调量=%10%能满足.电流调节器(ACR的设计(1) 确定时间常数整流装置之后时间常数Tso按电力拖动自动控制系统一运动控制系统表22,三相桥式电路的平均失控时间Ts=.1) 电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有(12)Toi=，因此取Toi=2ms=。2) 电流环小时间常数之和T2i=Ts+Toi=。(2) 选择电流调节器结构根据设计要求ci%5%并保证稳态电流无静差，可按照典型I系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，所以采用PI调节器。其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能：Tl/T艺i=10(3) 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：i=T,=电流环开环增益：要求ci%5%寸，按表31应取KIT工i=,因此于是，ACR的比例系数为(4) 校验近似条件电流环截止频率：校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件3Ts30.00173Ts30.0017196.1sci满足近似条件2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件ci满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件180.78s满足近似条件11113TsTi3；0.00170.0023) 计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图2-2所示，按所用运算放大器取R0=40，各电阻和电容值计算如下：图2-7含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器按照课本参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为(Ti%5%(参考电力拖动自动控制系统一运动控制系统表31.3.5转速调节器结构的选择转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图2-8转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：WASR(s)=Kn(tnS+1)/TnSKn转速调节器的比例系数；Tn-转速调节器的超前时间常数。选择转速调节器选用PI调节器，其传递函数为1转速环等效时间常数2Ti20.0037s0.0074ski、确定转速环时间常数(1)转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取、计算转速调节器的参数取h=5，则ASR超前时间常数为转速开环增益为转速反馈系数为所以开环增益为、检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函数简化条件63.7scn满足化简条件转速环小时间常数近似条件处理条件、计算转速调节器电阻和电容，转速调节器如图2-3所示取Ro40k，则RnKnR)8.740kRnKnR)8.740k348k取350CnO.137s0.39106F取FRn350kon4TonR040.02厂3厂4010321062F第三章控制系统的MALAB仿真与结论双闭环调速系统仿真在仿真过程中，Matlab设置很多不同的算法，而不同的算法，对仿真出来波形影响很大。仿真结果如图3-1图3-2转速开环调速系统仿真结果图3-2上部为转速曲线，下部为电流曲线。因为开环系统中没有反馈信号，而电机在带载的一瞬间要有一个做功的过程，也就是建立系统带载状态下的稳定状态的过程，这部分功需要增大电机的电流来补偿，同时也会牺牲一部分动能，也就是电机的转速，所以产生了静态速降。电流环与转速环仿真模型图（如图3-3，3-4）图3-3电流环仿真模型图图3-4转速环仿真模型图双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真图3-3和3-4。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASF的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACM作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。第四章主电路及控制电路设计主电路模块：主电路模块的主要功能是通过PWM变换器得到可调的直流电压，为直流电动机供电；检测模块包括转速、电流和温度的检测，转速和电流检测为系统提供转速和电流负反馈的信号；温度检测的目的是为了保护PWM变换器和电机；键盘、显示与报警模块负责转速的给定和实时显示，以及故障的声光报警；通信模块负责DSP与PC之间的数据通信，实现系统的计算机监控；DSP系统是整个系统的核心，它负责整个系统的管理和控制。图4-1双闭环直流调速系统电路图转速检测电路设计：转速的检测可把Un接到一个测速发电机上即可检测转速，如图8所示:图4-2转速检测电路图4-3电流检测电路限幅电路:继电器驱动电路：图4-4接受输入信号并放大，驱动电机运转。图4-5控制电路设计根据双闭环调速系统原理框图，可将系统分解为三个部分，如下图所示:一、计算机控制单元；二、检测单元和接口电路；三、主电路单元和触发电路。图4-6双闭环调速系统原理分解框图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PI调节器。图4-6标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他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。图为双闭环调速系统的稳态结构图。图4-7双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR勺输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR俞入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。图4-7双闭环调速系统动态结构图图4-8双闭环调速系统稳态结构图输LED静态显示接口电路：按键控制与LED显示单元完成系统参数（占空比和转速）的实时显示，以及通过键盘输入系统的给定（占空比）。本系统中通过74ls138芯片来扩展键盘和显示接口。图4-9三相过零检测电路：为了达到与电源电压同步的目的，除了可以使用锁相同步电路外，还可以实时检测电源电压的过零点和频率，根据过零点和频率就可以跟踪输入的电源电压的相位，实现同步输入。图4-10第五章总结5-1设计结论利用双闭环直流调速系统调节器的工程设计方法确定2个调节器的参数,再结合双闭环调速系统的基本工作原理确定2个调节器的限幅值，调用Matlab/Simulink中的基本模块,按工程实际改变相应模块的参数,设定合适的仿真算法、仿真时间、步长、相对误差等,很容易建立起双闭环直流调速系统的仿真模型.通过对直流电机双闭环调速系统动态模型的分析,在Matlab/Simulink工具箱中搭建了直流电机上闭环调速的动态模型.用该模型对一实例进行了仿真,通过仿真可知，此带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR勺作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR勺作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。5-2体会与致谢经过了此次课程设计，我深深地体会到作为一个即将踏入社会的毕业生来说，严谨的作风与实事求是的精神是我们以后工作生活中的一个重要的法宝。但是由于时间太仓促所以课程设计不是太完美，但是这次课程设计都有所收获，通过这次课程设计我认识到运动控制不仅仅是只学书本知识及就能学到其精髓的，只有理论联系实际不断的在生活中实践才能明白运动控制的本质原理。最后感谢张友斌老师的指点与点拨，张老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京：机械工业出版社.2005王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.2 王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.3 导向科技.ProtelDXP电子电路设计培训教程M.北京：人民邮电大学出版社，2003.周渊深交直流调速系统与Matlab仿真M.北京：中国电力出版社，2004.6 .北京：电子工业出版社，周明德.微机计算机系统原理及应用.北京：清华大学出版社，.