運動控制課程設計--雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　成績： </b></p><p><b>　　《運動控制系統(tǒng)》</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題目：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計</p><p>　　學 院： 計算機與電子信息學院 &l

2、t;/p><p>　　班 級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　起止日期：2011年12月2

3、5日～2012年12月31日</p><p>　　運動控制系統(tǒng)課程設計任務書</p><p>　　題目：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計</p><p><b>　　設計內容</b></p><p>　　已知電機參數(shù)為：PN=500kW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，Ce=1.82V.min/r,電樞回路

4、總電阻R=0.14Ω，允許過載倍數(shù)λ=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)Ks=75，Tl=0.031s，Tm=0.112s，調節(jié)器輸入輸出最大電壓為10V，設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，達到最理想的調速性能。</p><p>　　主要設計內容包括：1、ACR、ASR調節(jié)器類型選擇與參數(shù)計算。2、系統(tǒng)建模與仿真。3、調節(jié)器電路設計。4、主電路設計。5、反饋電路設計。6、觸發(fā)電路設計。7、故障處理電路設計。</p><p

5、><b>　　設計步驟</b></p><p><b>　　一、總體方案設計</b></p><p><b>　　二、參數(shù)初步計算。</b></p><p>　　三、控制系統(tǒng)的建模和MALAB仿真</p><p>　　四、根據(jù)仿真結果調整參數(shù)</p><

6、;p>　　五、主電路及控制電路設計</p><p>　　六、編寫課程設計說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖（ A3 幅面）。</p><p><b>　　課程設計說明書要求</b></p><p>　　1 ．課程設計說明書應書寫認真．字跡工稚，論文格式參考國家正式出版的書籍和論文編排。 2 ．論理正確、邏輯性強、文理通顧、層次分明、表達確切，并

7、提出自己的見解和觀點。</p><p>　　3 ．課程設計說明書應有目錄、摘要、序言、主干內容（按章節(jié)編寫）、主要結論和參考書，附錄應有系統(tǒng)方樞圖和電路原理圖。</p><p>　　4 ．課程設計說明書應包括按上述設計步驟進行設計的分析和思考內容和引用的相關知</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　

8、　本課程設計通過對雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的分析，先對其總體方案進行設計，設計出其原理圖。接著根據(jù)已知的電機參數(shù)，對電流調節(jié)器進行I型系統(tǒng)的調節(jié)，對轉速調節(jié)器進行II型系統(tǒng)的調節(jié)，一步一步對其進行具體的設計，并計算出其各個參數(shù)。再根據(jù)時間參數(shù)，調節(jié)器參數(shù)，調節(jié)器結構，在Matlab軟件中的Simulink模塊中建立仿真模型，對其進行模擬仿真，得出仿真波形。再根據(jù)仿真圖，調節(jié)出更適合工程的參數(shù)。</p><p>　　關鍵詞：

9、調節(jié)器 雙閉環(huán) 參數(shù)計算 仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The curriculum design of the double close-loop DC system analysis, the first of its overall scheme design, design the principle d

10、iagram. Then according to the known motor parameters, the current regulator for type I system regulation, the speed regulator of type II system regulation, step by step to carry on the concrete design, and calculate its

11、parameters. According to the time parameter, regulator, the regulator structure, in the Matlab software in Simulink module of building simulation model</p><p>　　Key Words：Regulator Double Closed-Loop Param

12、eter calculation Simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　運動控制系統(tǒng)課程設計任務書I</p><p><b>　　摘要II</b></p><p>　　ABSTRACTIII</p><p><b

13、>　　目 錄IV</b></p><p>　　第一章 總體方案設計1</p><p>　　第二章 參數(shù)計算3</p><p>　　2.1 電流環(huán)的參數(shù)設計4</p><p>　　2.2轉速環(huán)參數(shù)的設計5</p><p>　　第三章 轉速、電流反饋控制的仿真9</p>

14、<p>　　3.1電流環(huán)的仿真9</p><p>　　3.2轉速環(huán)的系統(tǒng)仿真10</p><p>　　第四章 電路的設計11</p><p>　　4.1主電路的設計11</p><p>　　4.2 單片微機控制的PWM可逆直流調速系統(tǒng)11</p><p><b>　　心得體會13<

15、;/b></p><p><b>　　參考文獻：14</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計</p><p>　　第一章 總體方案設計</p><p>　　為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，二者之間實行嵌套連接。把轉速調節(jié)器

16、的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器都采用PI調節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。</p><p>　　ASR—轉速調節(jié)器 ACR—電流調節(jié)器 TG—測速發(fā)電機</p><p&

17、gt;　　TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器</p><p>　　轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 轉速調節(jié)器的作用</p><p>　?。?）轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調節(jié)器，

18、則可實現(xiàn)無靜差。</p><p>　?。?）對負載變化起抗擾作用。</p><p>　　（3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。</p><p><b>　　電流調節(jié)器的作用</b></p><p>　?。?）作為內環(huán)的調節(jié)器，在外環(huán)轉速的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。&l

19、t;/p><p>　　（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。</p><p>　?。?）在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程</p><p>　?。?）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。</p><p>　　第

20、二章 參數(shù)計算</p><p><b>　　原始參數(shù)：</b></p><p>　　已知電機參數(shù)為：PN=500kW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14Ω，允許過載倍數(shù)λ=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)Ks=75，Tl=0.031s，Tm=0.112s，調節(jié)器輸入輸出最大電壓為10V，設計雙閉環(huán)調

21、速系統(tǒng)，達到最理想的調速性能。</p><p>　　在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結構，即可繪出雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如下圖所示</p><p>　　圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調節(jié)器，則有</p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止狀態(tài)起動時，轉速

22、和電流的動態(tài)過程示于右圖。在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。第I階段電流上升的階段（0 ~ t1）第 II 階段恒流升速階段（t1 ~ t2）第 Ⅲ 階段轉速調節(jié)階段（ t2 以后）。 </p><p>　　2.1 電流環(huán)的參數(shù)設計</p><p>　　在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動

23、態(tài)影響，即E≈0，這時，電流環(huán)如圖2-3（a）所示；再經過等效單位負反饋系統(tǒng)，如圖2-3（b）；最后經過小慣性環(huán)節(jié)近似處理，如圖2-3（c）。 </p><p>　　圖2-3 電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡</p><p><b>　　確定時間常數(shù)</b></p><p>　　電流反饋系數(shù)： </p><p>　　

24、整流裝置滯后時間常數(shù)：</p><p>　　對于三相橋式電路，其平均失控時間 </p><p><b>　　電流濾波時間常數(shù)：</b></p><p>　　三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本慮平波頭，應有（1—2）=3.33ms，因此取</p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)之和：</p>&l

25、t;p>　　按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p><b>　　電流調節(jié)器結構</b></p><p>　　電流超調量，且穩(wěn)態(tài)電流無靜差，電流調節(jié)器可按典型I型系統(tǒng)設計，并取參數(shù)</p><p><b>　　計算電流調節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　電流調節(jié)器超前時間參數(shù)： <

26、/p><p><b>　　電流環(huán)開環(huán)增益：</b></p><p>　　則ACR的比例系數(shù)為 </p><p><b>　　校驗近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件

27、</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b>　　滿足近似條件<

28、;/b></p><p>　　取參數(shù)時，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為</p><p><b>　　滿足設計要求</b></p><p>　　2.2轉速環(huán)參數(shù)的設計</p><p>　　先用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-3 中的電流環(huán)，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖就如圖2-4（a）圖；圖2-4（b）是經過等效成單位

29、負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理后的結構圖；最終經過校正后成為典型II型系統(tǒng)，就如圖2-4（c）。</p><p><b>　　確定時間常數(shù)</b></p><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)，由2.1中可得</p><p>　　轉速濾波時間常數(shù)取 </p><p>　　轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取</p&

30、gt;<p><b>　　選擇轉速調節(jié)器結構</b></p><p>　　空載啟動到額定轉速時的轉速超調量取，轉速調節(jié)器按典型II型系統(tǒng)調節(jié)設計，就能實現(xiàn)轉速無靜差，同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。</p><p><b>　　計算轉速調節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取

31、 ，則ASR的超前時間常數(shù)為</p><p><b>　　轉速反饋系數(shù)</b></p><p><b>　　轉速開環(huán)增益</b></p><p><b>　　ASR的比例系數(shù)為</b></p><p><b>　　校驗近似條件</b></p>

32、<p><b>　　轉速環(huán)截止頻率為</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件</p><p><b>　　滿足簡化條件</b></p><p>　　轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p>&l

33、t;p>　?。?）校核轉速超調量</p><p>　　該系統(tǒng)突加階躍給定是，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，所以應該按ASR退飽和的情況計算超調量。</p><p>　　理想空載啟動時，負載系數(shù)</p><p>　　調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降為</p><p><b>　　但時，</b></p>

34、;<p><b>　　則轉速超調量為</b></p><p><b>　　滿足設計要求</b></p><p>　　第三章 轉速、電流反饋控制的仿真</p><p><b>　　3.1電流環(huán)的仿真</b></p><p>　　電流環(huán)的仿真模型如圖3-1所示，在

35、仿真模型中增加了一個飽和非線性模塊（Saturation）；在按工程設計方法設計電流環(huán)時，暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，但在圖3-1的仿真模型中，已把反電動勢的影響考慮進去，它可以得到更真實的仿真結果。電流環(huán)仿真的PI參數(shù)根據(jù)第二章所算出來的結果設定的，其仿真結果如圖3-2，利用和觀察PI參數(shù)對跟隨性能指標的影響趨勢，就可以找到符合我們設計要求更適合的參數(shù)</p><p>　　3.2轉速環(huán)的系統(tǒng)仿真</p

36、><p>　　轉速環(huán)的仿真模型如圖3-3所示；為了在示波器模塊中反映出轉速電流的關系，仿真模型中選用了Mux模塊來把幾個輸入聚合成一個向量輸出給Scope。PI參數(shù)采用第二章所計算的結果，其仿真結果如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-3 轉速環(huán)的仿真模型</p><p>　　圖3-4 轉速環(huán)仿真結果</p><p><b&g

37、t;　　第四章 電路的設計</b></p><p><b>　　4.1主電路的設計</b></p><p>　　中小功率的可逆直流調速系統(tǒng)多采用橋式可逆PWM變換器，圖4-1為調速系統(tǒng)的主電路的原理圖，圖中的左半部分是由6個二極管組成的整流器，采用不可控整流，把電網提供的交流電整流成直流電；中間部分是大電容濾波；右半部分是橋式PWM變換器。</p&g

38、t;<p>　　圖4-1 橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的原理圖</p><p>　　4.2 單片微機控制的PWM可逆直流調速系統(tǒng)</p><p>　　微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)硬件結構如圖4-1所示，系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路和顯示電路組成。</p><p>　　三相交流電源經不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經過直流PW

39、M變換器的到可調的直流電壓，給直流電動機供電；檢測回路包括電壓、電流溫度和轉速檢測，其中電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機，轉速檢測用數(shù)字測速。微機控制還具備故障檢測功能，對電壓、電流、溫度等信號進行實時監(jiān)測和分析比較，若發(fā)生故障立即采取措施，避免故障進一步擴大，并同時報警，以便人工處理。數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，一般選用專為電機控制設計的單片微機，配以顯示、鍵盤等外圍電路，通過通信接口與上位機或其他外設交換數(shù)據(jù)。

40、這中微機芯片本身都帶有A/D轉換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速和PWM生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。</p><p>　　圖4-2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)硬件結構圖 </p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　本次的設計是關于運動控制系統(tǒng)的，它主要的目的是

41、設計一個符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。這次的課程設計的難度不小，它綜合性比較強，涉及的知識面廣。本次的課程設計使我收益良多，在對于雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)方面的知識有了更加深刻的體會和理解。通過此次設計，鍛煉了我的應用理論知識解決實際問題的能力，對我的綜合素質有了進一步的提高。在這次設計中，也體現(xiàn)了我對于很多知識方面的掌握不夠牢固也不夠全面，所以我通過不斷得查閱大量的書籍和相關的網站，不斷得搜尋所需要的資料，這些都不斷得提高了我解決問題的

42、能力。這次的課程設計對我以后的學習和工作都具有重大的意義，相信通過這次的設計體驗，我以后會做的更好。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 阮毅、陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)（第四版）.機械工業(yè)出版社</p><p>　　[2] 胡壽松.自動控制原理——簡明教程（第二版）.科學出版社<