课程设计说明书直流电机位置随动系统设计

中北大学信息商务学院课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学 院： 中北大学信息商务学院 专 业： 自动化 题 目： 直流电机位置随动系统设计 （第六组） 指导教师： 职称: 副教授 2013 年 12 月 9 日 中北大学信息商务学院课程设计任务书 2013-2014 学年第 一 学期学 院： 中北大学信息商务学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 直流电机位置随动系统设计 （第六组） 起 迄 日 期： 12月 9 日 12月20日 课程设计地点： 德怀楼七层实验室 指 导 教 师： 下达任务书日期: 2013年 12月 9日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：设计一个位置随动系统，使用工程设计方法，使其达到相应的技术指标要求。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：一、设计参数第一组第二组第三组第四组第五组第六组静阻力矩MH(Nm)3550658095100转动惯量 JH(kgm2)6090100110120110最大跟踪速度 m(1/s)1.41.61.51.41.51.6最大跟踪加速度 m(1/s2)1.751.751.751.751.651.6静态位置误差 ec(deg)0.30.30.30.30.30.3静态速度误差 er(deg)0.50.50.50.50.50.5最大跟踪误差em (deg)0.81.01.01.11.21.2电流环超调 (%)555555速度环超调(%)101010101010位置环超调(%)303030303030位置环过渡过程时间 ts(s)0.60.60.60.80.81.0短期干扰力矩 MT(Nm)506570758085系统位置检测元件采用变压器式自整角机组合Kbs=50V/rad，相敏整流器采用二极管环形整流器，Kph由计算确定，Tph=0.002s，功率放大器采用桥式PWM变换器，Ks=20， Ts=0.0004s, 系统采用位置、速度、电流三环结构，电流反馈系数=2V/A ，Toi=0.001s速度反馈系数=0.064V.s/rad,Ton=0.001s。二、供选择的直流电动机参数Pnom(W)V nom(V)Inom(A)nnom(r/min)Jd(kgm2)Z2-214001105.5910000.023Z2-226001107.6910000.026Z2-3180011010.0210000.029Z2-32100011013.2310000.0323设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：三、设计要求 1、计算并选择电动机型号及调节器的结构参数； 2、画出系统的电气原理图（标明各环节参数，计算机制图，推荐使用Protell软件）； 3、画出系统的动态结构图（标明各环节参数）； 4、利用MATLAB软件对所设计的系统进行验证，给出仿真结果； 5、利用Bode图近似画法，绘制系统的对数频域渐近特性； 6、对比（4）、（5）的图形并说明其异同； 7、提交设计说明书。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 陈伯时.电力拖动自动控制系统.第三版.北京.机械工业出版社.2003:11144 2 陈伯时.电力拖动自动控制系统.第二版.北京.机械工业出版社.2000:151-1723 黄忠霖.控制系统MATLAB计算及防真.北京.国防工业出版社.2001:11-3274 胡寿松.自动控制原理.北京.科学出版社.2001:32-1325 徐以荣，冷增祥.电力电子技术.南京.东南大学出版社.1999:153-1656 赵昌颖，宋世光.电力拖动基础.哈尔滨.哈尔滨人民出版社.1996:86-987 李正熙，白晶主.电力拖动自动控制系统.北京.冶金工业出版社.1997:184-1968 陈伯时.自动控制系统.北京.机械工业出版社.1981:55-1859 王兆安，黄俊主.电力电子技术.第四版.北京.机械工业出版社.2000:64-86 5设计成果形式及要求：提交设计说明书，并给出计算过程以及各种电路图，仿真图结果。6工作计划及进度：2013 年 12 月 9 日 12 月 10 日 查阅与设计相关的资料 12 月 11 日 12 月 12 日 学习和理解找到的资料 12 月 13 日 12 月 15 日 根据设计要求开始设计 12 月 16 日 12 月 19 日 用计算机制图和仿真，完成设计 12 月 20 日 12 月 20 日 答辩或成绩考核基层教学组织审查意见： 签字： 年 月 日 位置随动系统的概述一位置随动系统的概念 位置随动控制系统又名伺服控制系统。其参考输入是变化规律未知的任意时间函数。随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如导弹发射架控制系统，雷达天线控制系统等。其特点是输入为未知。伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。二位置随动系统的基本组成1.电位器式位置随动系统的组成下面通过一个简单的例子说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图1-1所示。这是一个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：图1-1 电位器式位置随动系统原理图（1）位置传感器 由电位器和组成位置传感器。是给定位置传感器,其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号；是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号。两个电位器由同一个直流电源供电，使电位器输出电压和，直接将位置信号转换成电压量。误差电压反映了给定与反馈的转角误差，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。（2）电压比较放大器（A） 两个电位器输出的电压信号和在放大器A中进行比较与放大，发出控制信号。由于是可正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。输出的控制电压也是可逆的。(3)电力电子变换器（UPE） 它主要起功率放大的作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的。在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET或IGBT桥式PWM变换器。对于大功率位置随动系统，会用到可逆的脉宽调制式PWM变换器。(4)伺服电机（SM） 在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其它直流或交流伺服电机。大功率随动系统中也可采用永磁式直流伺服电机，由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。(5)减速器与负载 在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为的减速器。在现代机器人、汽车电子机械等大功率设备中，为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。2.位置随动系统的分类随着科学技术的发展出现了各类随动系统由于位置随动系统的特征体现在位置上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号综合比较方面，因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，一类是数字式随动系统。数字式随动系统又可分为数字相位随动系统和数字脉冲随动系统。由于本次设计研究的是模拟随动系统，数字随动系统就不做介绍。对于模拟随动系统可按闭环系统分为三类。多环位置随动系统这里只详细介绍经典的位置、转速、电流三环控制系统转速，这类系统适用广泛。多环系统还包括只有位置环、电流环，没有转速环；或是只有位置环、转速环，没有电流环，其实同三环系统大同小异，分析和设计方法相同。位置、转速、电流三环系统在电流环、转速环双闭环调速系统的基础上，外边再加一个位置控制环，便形成一个三环控制系统，如图1-2所示。三环的调节器分别称为位置调节器（APR）、转速调节器（ASR）、电流调节器（ACR）。其中位置环属外环，是最主要的环，转速环即是位置环的内环，又是电流环的外环，电流环是系统内环。在设计调节器时，转速调节器和电流调节器可按原双闭环系统的设计和整定方法来解决。其中位置调节器APR就是位置环校正装置，它的类型和参数决定了位置随动系统的系统误差和动态跟随性能，其输出限幅值决定了电机的最高转速。位置、转速、电流三个闭环都画成单位反馈，反馈系数都已计入各调节器的比例系数中去。和双闭环控制系统一样，多环控制系统调节器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环节的调节器。按此规律，对于如图1-2所示的三环位置随动系统，应首先设计电流调节器ACR，然后将电流环简化成转速环中的一个环节，和其它环节一起构成转速调节器ASR的控制对象，再设计ASR。最后，再把整个转速环简化为位置环中的一个环节，从而设计位置调节器APR。逐环设计可以使每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性。当电流环和转速环内的对象参数变化或扰动时，电流反馈和转速反馈都能够起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小。同时每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。但这样的逐环设计的多环控制系统也有明显的不足，即对外环的控制作用的响应不会很快。这是因为设计每个环节时，都要将内环等效成其中的一个环节，而这种等效环节传递函数之所以能够成立，是以外环的截止频率远远低于内环为前提的。在一般模拟控制的随动系统中，电流环的截位置、转速、电流三环位置随动系统的原理图BQ-光电位置传感器 DSP-数字转速信号形成环节止频率约，转速环的截止频率约在2030之间，最高不超过50，照此推算，位置环的截止频率只有左右。位置环的截止频率被限制的太低，会影响系统的快速性，因为这类三环控制的位置随动系统只适用于对快速跟随性能要求不高的场合，例如点位控制的机床随动系统。在近代数字控制的随动系统中，控制对象的快速响应性能已经大大提高，各控制环的采样周期也可以大大缩短，其转速环的截止频率达，因而位置环的截止频率也可以提高，在要求高动态性能的数控机床轨迹控制和机器人控制中都取得了很好的应用效果。在位置、转速 、电流三环系统中，位置调节器的输出是转速调节器的输入，速度调节器是电流调节器的输入，电流调节器的输出直接控制功率变换单元，也就是脉宽调制系统。这三个环的反馈信号都是负反馈，三个环都是反相放大器。三环相制约，使控制达到极其完美的地步。三三环随动系统的基本组成及其数学模型的建立 1.三环随动系统的基本组成：系统可分为以下八个部分：1位置环我们只分析它的数学模型，不会把它作具体介绍。可以近似为一阶惯性环节，传递函数为 2位置传感器 模拟随动系统的位置传感器如前所述，大体可以分为两种，电位器和基于电磁感应原理的位置传感器。基于电磁感应原理的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都比较高。本次设计采用的位置传感器是自整角机。自整角机是角位移传感器，在随动系统中总是成对应用的。与指令轴相联的自整角机称为发送机，与执行轴相联的称作接收机。按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。力矩式自整角机可以不经中间放大环节，直接传递转角信息，一般用于微功率同步旋转系统。对功率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采用控制式自整角机，将自整角接收机接成变压器状态，其输出电压通过中间放大环节带动负载，组成自整角机随动系统。下面简单分析本次设计使用的控制式自整角机的工作原理和使用。先看单相自整角机的结构和工作原理。它具有个单相励磁绕组和一个三相整步绕组，单相励磁绕组安置在转子上，通过两个滑环引入交流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式。这样可使输入阻抗不随转子位置而变化。整步绕组是三相绕组，一般为分布绕组，安置在定子上，它们被此在空间相隔，并接成Y形。BST为自整角发送机，BSR为自整角接收机。本次模型中采用的自整角机的放大系数。自整角机本身的检测误差。传递函数为式（4-2），是简单的线性函数在数学模型将不会出现，但在计算稳态误差时将会用到自整角机的参数。自整角机还包括相敏整流器URP，可以把它当作自整角机的一部分，相当于一个电压放大器，并反映的极性，放大系数2，当然它在数学模型中也不会出现。3电压比较放大器（A）这是位置随动系统所必须有的装置。它的作用是发出控制信号，由于可正可负。放大器必须具有鉴别电压极性的能力，输出的控制的电压也是可逆的。放大系数，函数关系。这个简单的函数关系也不会在数学模型中出现。4电力电子变换器（UPE） 起功率放大作用，而且是可逆的。PWM变换器有可逆和不可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等。在本次大功率随动系统中选取双极式控制的桥式可逆PWM变换器，因为是大功率系统变换器采用可关断晶闸管。采用PWM的调速系统发展越来越成熟，用途也很广，与单纯的晶闸管调速系统相比有很多优点1）主电路线路简单，需用的功率器件少；2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 桥式可逆PWM变换器的原理图本次设计采用的PWM变换器的开关频率=2500，即失控时间=0.4，失控时间已经非常小，大大提高了系统的快速性，所以时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节（其中=），传递函数为 5电流调节器（ACR）按工程设计法选择典型I型系统，PI调节器。传递函数为 6转速调节器（ASR）按工程设计法选择典型I型系统，选用PI调节器。传递函数为 7位置调节器（AWR）按工程设计法和位置系统的校正，典型II型系统，选用PID调节器。传递函数为 8伺服电机（SM）基于本次设计的大功率随动系统选择永磁式直流伺服电机，即直流他励电动机，型号为Z2-32，铭牌参数，。伺服电机可视为一个二阶系统，分为两个传递函数,，一部分为电机电枢近似成一阶惯性环节，传递函数为 一部分为传动装置近似为积分环节，传递函数为 9负载负载就不做具体介绍，它也是系统是整个系统的被控位置对象，我们主要研究它的数学模型。传递函数近似为积分环节 三环随动系统功率大，采用低转速的直流伺服电机，所以本设计取消减速器。 2.三环随动系统的数学模型三环随动系统结构图3.三环随动系统的稳态参数计算已知直流他励电动机，型号为Z2-32，铭牌参数，。电力电子变换器的增益，电压放大器的增益，相敏整流器的放大系数由计算决定。自整角机的放大系数。计算过程如下：电动机的额定效率为 电动机的电枢电阻为 电动机的电动势系数为 电动机的转矩系数为 位置随动系统的静态结构框图（未考虑校正装置）四按工程设计方法设计三环随动系统的电流和转速调节器5.电流调节器的设计1电流环结构图的简化 在图4-4中，在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此转速的变化往往比电流变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即 。这样在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，可以证明，忽略反电动势对电流作用的近似条件是 式中电流环开环频率特性的截止频率。 由于比小的多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 电流环简化的近似条件为 2电流调节器的结构选择 首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，可以看出，采用I型就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选择典型I型系统。 如图4-6所示,为电流环的动态结构框图。图4-6表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 电流环的动态结构框图则电流环的动态结构框图便成典型形式，其中 绘出了校正后的开环对数幅频特性。上述结果是在假定条件下得到的，现将用过的假定条件归纳如下，以便具体设计时校验。电力电子变换器纯滞后近似处理 忽略反电动势变化的动态影响 电流环的小惯性群的近似处理 如果实际系统要求的跟随性能指标不同，参数当然应作相应的改变。3电流调节器的参数计算可以看出，电流调节器的参数是和其中已选定，待定的只有比例系数可根据所要的动态性能指标选取。在三环随动系统中，已知有，,电流反馈系数。希望电流超调量，可以使动态响应更快。 所以电流调节器的参数为所以有 于是，ACR的比例系数为 4校验的近似条件已知电流环的截止频率电力电子变换器纯滞后近似条件为 忽略反电动势变化的动态影响的近似条件为 电流环的小惯性群的近似处理的条件为 所以计算出的电流调节器的传递函数为 =但有两个校验条件不满足，可知系统的参数需要整定。我们可以看出计算得到的电流调节器的比例系数与给定的一致但时间常数不一致。我们要通过仿真分析出两个电流环的不同。6.转速调节器的设计1电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，我们可以求出它的闭环传递函数 忽略高次项， 可降阶近似为 近似条件为 式中转速环的开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效的输入量为，因此电流环在转速环中应等效为 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节，这就表明，电流的闭环控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环控制的一个重要功能。 转速环的动态结构图2转速调节器的选择 在第三章已经提到，同直流双闭环系统的调节器选择不同，在电流和转速两个环之外还有位置环，所以转速环也应设计成典型I型系统，选择PI调节器。其传递函数为 3转速调节器参数的计算此时的转速环可以等效为所示的结构图。同样选择，可满足系统的快速响应，。所以有转速环的时间常数为 , 按设计要求，选用PI调节器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 转速开环增益为 所以转速环的比例系数为 131.7检验近似条件转速截止频率为电流环传递函数简化条件 转速环小时间常数近似处理条件 所以经工程计算法得到的转速调节器的模型为 =计算后得到的转速调节器与给定转速调节器相比比例系数一样，但是时间常数不一样，同时不满足电流环简化的近似条件，我们也会在仿真中两套参数下的系统做出比较。五三环位置随动系统的MATLAB仿真 给定参数的三环随动系统的结构图如图 5-9 电流环传递函数的伯德图与奈奎斯特图转速环传递函数的伯德图与奈奎斯特图三环随动系统的结构框图用MATLAB仿真结果如图5-10所示。如图5-10 所示三环随动系统的阶跃响应曲线。纵坐标表示位移，单位为米。横坐标表示时间，单位为秒。图5-10 三环随动系统的仿真图 由图5-10可知系统的跟随性能指标为：超调量13.95%，调节时间0.0335，峰值时间0.0423。如图5-12所示三环随动系统的阶跃响应曲线。纵坐标表示位移，单位为米。横坐标表示时间，单位为秒。 由图5-12可知系统的跟随性能指标： 超调量12.5%，调节时间0.042，峰值时间0.046。经计算的电流调节器和转速调节器组成的三环随动系统的结构图如图5-11所示。图5-11 经计算的电流调节器和转速调节器组成的三环随动系统的结构图用MATLAB仿真结果如图5-12所示。图5-12 经计算的电流调节器和转速调节器组成的三环随动系统的仿真图5.4 MATLAB仿真结果分析首先比较电流环的仿真图，图5-2的阶跃响应曲线的超调量要比图5-4的要大，而前者的调节时间要比后者小，峰值时间相差不大。可知给定的电流环的动态响应要比经计算得到的电流环的要慢，而且后者有系统误差，可见前者的稳定性和动态响都要好于后者。验证计算时不满足校验近似条件的正确性。再比较直流双闭环的仿真图，明显看出经计算得到的双闭环系统的振荡次数多，稳定性不好，而且调节时间也比给定的双闭环系统的要大，动态响应也相对慢。也可以验证经计算得到的直流双闭环调节器参数的不稳定，调节时间需要调整。最后比较整个三环随动系统，经PID校正后。两个系统都是稳定的，抗扰性能满足要求，但给定参数的三环随动系统跟随性能指标中的动态响应要更快些，峰值时间短一些说明灵敏度和稳定性也要好一点，两个系统的超调差别不大。说明给定参数的系统跟随性能更好，满足跟随性能指标的要求，经计算得到的调节器参数的三环系统需要参数调整，而且经计算得到的调节器参数的增益与给定的相等，只是时间常数不一样，而且经整定后的理想参数即为给定的调节器参数。 结 论通过本次设计，我们了解了三环位置随动系统的基本组成和系统的基本原理。加深了对直流双闭环系统的认识，同时对用工程法设计随动系统有了深入的了解。还有我们也能熟练的使用MATLAB软件，增强了实践动手能力。本文首先介绍了位置随动系统的概念、特点、分类和误差分析的方法，让我们对位置随动系统有个初步的了解， 然后对直流双闭环系和工程法设计调节器作了一定的了解，最后在进入本次设计的重要环节三环随动系统的数学模型的建立和MATLAB仿真。我们可以知道以下结论：系统主要要求有良好的跟随性能可按典型I型系统设计；如果主要有良好的抗扰性能，则选择典型II型系统。就三环位置随动系统而言，内环电流环要设计成典型I型系统，跟随性能好，转速环也要设计成典型I型系统，因为外面还有位置环。三环位置随动系统在稳态精度能满足系统的要求，同时在跟随性能指标满足要求的情况下，通过PID的串联校正，快速响应也大大改善。 在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在做单片机课程设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。 我觉得作为一名自动化专业的学生，自动控制系统的课程设计是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。我认为这个收获应该说是相当大的。觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。小组人员的配合相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。18