运动控制系统双闭环直流调速系统.doc

运动控制课程设计任务书运动控制课程设计任务书 题目题目：双闭环直流调速系统设计 使用班级：电气使用班级：电气 081、082 设计内容设计内容 已知电机参数为： PN=500kW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，Ce=1.82V.min/r,电枢回路总电 阻 R=0.14，允许过载倍数 =1.5，触发整流环节 Ks=75，Tl=0.031s，Tm=0.112s，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、ACR、ASR 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。 设计步骤设计步骤 一、总体方案设计一、总体方案设计 二、参数初步计算。二、参数初步计算。 三、控制系统的建模和三、控制系统的建模和 MALAB 仿真仿真 四、根据仿真结果调整参数四、根据仿真结果调整参数 五、主电路及控制电路设计五、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（六、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（ A3 幅面）幅面） 。 课程设计说明书要求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。 摘要 II 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 II 摘要摘要 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。 关键词关键词： 双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，MALAB 仿真 ABSTRACT III Abstract Double-loop (speed loop, current loop) DC drive system is a widely used currently, the economy, for the power transmission system. It has a fast dynamic response, the advantages of anti-interference ability. DC double closed loop speed control system set up two regulators, the speed regulator (ASR) and the current regulator (ACR), adjust the speed and current, respectively. Level can be achieved quickly without frequent starting, braking and reverse; production process automation systems to meet a variety of special operating requirements, automatic control system has always been the main actuator, in rolling and auxiliary machinery, mine hoist, excavation machine, offshore rigs, large cranes, metal cutting machine tools, paper machines, textile machinery and other fields has been widely used. DC motor commutator is a major weak link, which allows the DC motor unit capacity, overload, the maximum voltage, maximum speed limit and other important indicators, but also to the manufacture and maintenance of DC motor add a lot of trouble. However, in view of the DC drive control systems theory and practice are more mature, DC motors are still widely used. Thus, a long, dragging in the application and improvement of the DC control system at the same time, people have been constantly in the development of performance and price catch AC DC system drag control system in recent years, computer-controlled electronic frequency converter and power after the highly developed this desire finally fulfilled. In many need speed or fast forward and reverse field of electric drive system has been widely used. Switching power electronic devices and with the continuous improvement of performance, the DC pulse-width modulation (PWM) technology has been rapid development. Keywords: DOUBLE-LOOP,DOUBLE-LOOP, THYRISTORS,THYRISTORS, THETHE SPEEDSPEED REGULATOR,REGULATOR, THETHE CURRENTCURRENT REGULATORREGULATOR，MALTBMALTB 目录 IV 目录目录 运动控制课程设计任务书运动控制课程设计任务书 I I 摘要.II ABSTRACTIII 第一章第一章 总体方案原理与设计总体方案原理与设计 1 1 1.1 双闭环直流调速系统原理：.1 1.2 双闭环直流调速系统的总体方案设计.2 第二章第二章 初步参数的计算初步参数的计算 4 4 2.1 转速调节器（ASR）的设计4 2.2 电流调节器（ACR）的设计7 第三章第三章 控制系统的控制系统的 MALABMALAB 仿真与结论仿真与结论 1111 3.1 双闭环调速系统仿真.11 3.2 电流环与转速环仿真模型图.12 第四章第四章 主电路及控制电路设计主电路及控制电路设计 1313 4.1 主电路模块：.13 4.2 控制电路设计.14 第五章第五章 总结总结 1717 5-1 设计结论.17 5-2 体会与致谢.17 参考文献参考文献 1818 附录附录 1919 第一章 总体方案原理与设计 1 第一章第一章 总体方案原理与设计总体方案原理与设计 1.1 双闭环直流调速系统原理：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。 第一章 总体方案原理与设计 2 图1-1 双闭环调速系统电路原理 图 + + - + - M T G + - + - R P2 n U *n R 0 R 0 U c U i T A L Id R i C i U d + - R 0 R 0 R n C n AS R AC R LM GT V R P1 U n U *i LM M U P E 1.2 双闭环直流调速系统的总体方案设计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 设计要求设计要求 已知电机参数为： PN=500kW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，Ce=1.82V.min/r,电 第一章 总体方案原理与设计 3 枢回路总电阻 R=0.14，允许过载倍数 =1.5，触发整流环节 Ks=75，Tl=0.031s，Tm=0.112s，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。 第二章 初步参数的计算 4 第二章第二章 初步参数的计算初步参数的计算 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（0 t1）第 II 阶段恒 流升速阶段（t1 t2）第 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（is +1）/is Ki-电流调节器的比例系数； i-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： Tl /TI =0.0167s/0.0057s=2.93,参照教材中表 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 2.12.1 转速调节器（转速调节器（ASRASR）的设计）的设计 确定时间常数 1）电流环等效时间常数 1 =2T i=2*0.0037=0.0074 K 2)转速滤波时间常数 Ton=0.01s 3)转速环小时间常数近似处理 第二章 初步参数的计算 5 20.0174 onion TTTs （2）选择转速调节器结构 1.3.5 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 （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 5 0.01740.087 nn hTs 转速开环增益 2 222 (1)6 396.4 22250.0174 N n h Ks h T 于是，ASR 的比例系数 (1)6 0.05 1.820 0.1125 29.11 22 5 0.0069 0.14 0.0214 em n n hC T K h RT （4）检验近似条件 转速环截止频率为 1 1 /34.5 N cnnn K Ks 电流环传递函数简化条件 满足近似要求 1 11135.1 63.8 330.0037 i K T s 2）转速小时间常数近似处理条件 满足近似要求 1 11135.1 38.8 330.01 ON K T s 第二章 初步参数的计算 6 （5）计算调节器电阻和电容 转速调节器原理图如图 2-1，R0=40k，则 Rn=KnR0=29.6*40=1186K Cn=0.0525/Rn=0.0887/186000=74.2nF Con=4Ton/R0=4*0.01/40000=10nF （6）校核转速超调量 当 h=5 时， max 37.8% kb C C 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=8.31%10% ,能满足. 电流调节器（电流调节器（ACRACR）的设计）的设计 （1）确定时间常数 1）整流装置之后时间常数 Ts。按电力拖动自动控制系统运动控制系统 表 22，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s. 2)电流滤波时间常数 Toi。三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms，为了基本滤 平波头，应有（12）Toi=3.33ms，因此取 Toi=2ms=0.002s。 3）电流环小时间常数之和 Ti=Ts+Toi=0.0037s。 （2）选择电流调节器结构 根据设计要求 i%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： 1 ( ) i ACRi i s WsK s 检查对电源电压的抗扰性能： Tl/Ti=0.031/0.0037=8.31 满足近似条件 1 11 196.1 33 0.0017 s s T ci 2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件 1 11 3350.91 0.112 0.031 ci ml s T T ci 3）校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件 1 1111 180.78 330.0017 0.002 soi s TT 4）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=40K，各电阻和电 容值计算如下： 0 6 0 0.156 406.24 /(0.031/6240) 104.97 4/0.2 nn nonn onon RK RKK CRuF CTRuF 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 i%4.3%5% （参考电力拖动自动控制系统运动控制系统表 第二章 初步参数的计算 8 3 1.3.5 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（ns +1）/ns Kn-转速调节器的比例系数； n-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) ( ) nn ASR n Ks Ws s 转速环等效时间常数 1 22 0.00370.0074 i I Tss K 2.6、确定转速环时间常数 （1）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 n T 1 0.00740.020.0274 non I TTsss K 2.7、计算转速调节器的参数 取 h=5，则 ASR 超前时间常数为 5 0.02740.137 nn hTss 转速开环增益为 22 2222 16 159.8 22 50.0274 N n h Kss h T 转速反馈系数为 * 0.03min/ im N U Vr n 第二章 初步参数的计算 9 所以开环增益为 (1) 8.7 2 em N n hC T K h RT 2.8、检验近似条件 转速环截止频率为 1 1 21.9 N cnNn K Ks 电流环传递函数简化条件 满足化简条件 1 1 63.7 3 I cn i K s T 转速环小时间常数近似条件处理条件 1 1 27.4 3 I cn on K s T 2.9、计算转速调节器电阻和电容，转速调节器如图 2-3 所示。 取，则 0 40Rk 取 350 0 8.7 40348 nn RK Rkk k 取 0.4 6 0.137 0.39 10 350 n n n s CF Rk F 取 2 6 3 0 44 0.02 2 102 40 10 on on T CFF R F 第二章 初步参数的计算 10 第三章 控制系统的 MALAB 仿真与结论 11 第三章第三章 控制系统的控制系统的 MALAB 仿真与结论仿真与结论 3.1 双闭环调速系统仿真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。 第三章 控制系统的 MALAB 仿真与结论 12 3.2 电流环与转速环仿真模型图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，ASR 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。ACR 的作用是电流跟随，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 13 第四章第四章 主电路及控制电路设计主电路及控制电路设计 4.1 主电路模块：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：转速检测电路设计： 转速的检测可把接到一个测速发电机上即可检测转速，如图 8 所示： n U TGU2 Un RP4 . 图4-2 转速检测电路 图4-3 电流检测电路 限幅电路限幅电路: : 第四章 主电路及控制电路设计 14 图 4-4 继电器驱动电路：继电器驱动电路：接受输入信号并放大，驱动电机运转。 图 4-5 4.2 控制电路设计控制电路设计 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 M TG n ACRASR n I GT TA - - + - * n U n U n U * i U i U i U ct U V d I 1 2 2 3 4 第四章 主电路及控制电路设计 15 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 3.7 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 的输出 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 输入的给定电压 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 输输 LEDLED 静态显示接口电路静态显示接口电路： 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。 第四章 主电路及控制电路设计 16 图 4-9 三相过零检测电路：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