毕业设计---双闭环直流调速系统控制器的设计.doc

I 目目 录录 摘 要 III Abstract III 第一章 绪论 1 1 1 研究背景和意义 1 1 2 国内外研究现状和应用前景 2 1 3 本研究课题的主要研究内容 2 1 4 本章小结 2 第二章 控制原理与方案确定 3 2 1 直流调速系统的基本概念 3 2 1 1 直流调速系统的主要方案 3 2 1 2 直流调速系统用的可控直流电源 4 2 2 转速 电流双闭环调速系统介绍 9 2 2 1 转速 电流双闭环直流调速系统的组成 9 2 2 2 系统电路结构 10 2 2 3 系统稳态结构 10 2 2 4 系统动态结构 11 2 2 5 起动过程分析 11 2 2 6 动态抗扰性能分析 13 2 3 双闭环调速系统的工作原理 13 2 3 1 以电流调节器 ACR 为核心的电流环工作原理 13 2 3 2 以转速调节器 ASR 为核心的转速环工作原理 13 2 4 控制方案的确定 14 2 4 1 连续控制与数字控制的特点 14 2 4 2 数字控制的双闭环直流调速系统 15 2 5 本章小结 15 第三章 基于 SIMULINK 的系统仿真 16 3 1 系统设计 16 3 2 系统仿真 17 3 3 仿真结果分析 18 II 3 4 本章小结 18 第四章 硬件设计说明 19 4 1 控制系统的组成 19 4 1 1 主回路 19 4 1 2 检测回路 19 4 1 3 故障综合 22 4 1 4 数字控制器 22 4 2 控制器芯片的选择和应用 22 4 2 1 DSP 芯片的选择 22 4 2 2 TMS320CF240 芯片概述 23 4 2 3 DSP 编程语言简介 25 4 3 本章小结 25 第五章 控制算法及软件设计 26 5 1 数字 PID 控制算法 26 5 1 1 PID 算法的数字化 26 5 1 2 增量式控制算法的优点和不足 28 5 2 双闭环控制的控制算法 28 5 3 系统软件的设计 29 5 4 本章小结 30 第六章 结束语 31 参考文献 32 致 谢 33 附录 A 34 附录 B 36 III 双闭环直流调速系统控制器的设计 摘 要 本文对微机控制的直流调速系统进行了较深入的研究 从直流调速系统的原理出发 建立了双闭环直流调速系统的数学模型 用 MATLAB进行系统仿真 实现了控制器参 数整定 在此基础上以数字信号处理器 DSP 为控制器 通过对系统硬件和软件的设计 实现了直流电动机双闭环调速系统的设计 结果表明 此调速系统具有较强的鲁棒性 关键词 微机控制 双闭环 直流调速 数字信号处理 器 The Design of the Double Closed Loops DC Timing System Controller Abstract In this paper DC timing system controlled by microcomputer had been researched deeply Beginning with the theory of the DC timing system the math model of the double closed loops DC timing system had been build up the controller parameter had been adjusted after the system had been simulated with MATLAB Based on the result of the simulation digital signal processor DSP is taken as the controller the design of the double closed loops timing system of the DC motor has been realized through the design of the system s hardware and software The result shows that this timing system has strong robust Keywords microcomputer control double closed loops DC timing DSP 1 第一章 绪论 1 1 研究背景和意义 1 计算机技术的发展正在影响着人类生活的各个方面 计算机的应用随着软件和硬件 技术日益发展 出现了前所未有的繁荣 特别是一些具有新技术的计算机芯片的出现 给计算机技术在工业控制方面的应用提供了新的开发环境 例如 C8051单片机就比以 前的8051单片机增加了许多功能 特别是使用了流水线指令执行结构 速度很快 数 字信号处理器DSP的出现和新功能的不断开发 在工业控制领域的应用有后来居上的势 头 DSP与其它单片机相比较 具有明显的优点 它在芯片结构上采用了哈佛结构 指 令系统使用流水线指令执行结构 增加的事件管理器功能和 PWM输出 给控制的实现 提供了有力的支持 因此 在这样的技术环境下 有越来越多的研究者用 DSP作为控 制手段 实现对工业控制对象的控制 用计算机控制电力拖动控制系统是计算机应用的一个重要内容 直流调速系统在工 农业生产中有着广泛的应用 随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展 两者的有机 结合使电力拖动控制产生了新的变化 计算机技术 电力电子技术和直流拖动技术的组 合是技术领域的交叉 具有广泛的应用前景 直流调速控制系统的控制方法经历了机械 式的 双机组式的 分立元件电路式的 集成电路式的 单片机式的发展过程 随着数 字信号处理器DSP的出现 给直流调速控制提供了新的手段和方法 将计算机技术的最 新发展成果运用在直流调速系统中 在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法 为 计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作 用计算机技术实现直流调速控制系统 计算机的选型很多 经过选择 选取 DSP 芯片作为控制器 直流调速系统的内容十分丰富 有开环控制系统 有闭环控制系统 有单闭环控制系统 有双闭环控制系统和多闭环控制系统 有可逆调速系统 有不可逆 调速系统等 目前 对于控制对象的研究和讨论很多 有比较成熟的理论 但实现控制的方法和 手段随着技术的发展 特别是计算机技术的发展 不断地进行技术升级 这个过程经历 了从分立元件控制 集成电路控制和单片计算机控制等过程 每一次的技术升级都 使 控制系统的性能有较大地提高和改进 随着新的控制芯片的出现 给技术升级提供了新 的可能 经过文献检索 目前己经有不少科技工作者开展了将 DSP芯片用于电机控制方 面的研究 但现在应用的例子较少 大部分还处于可行性研究阶段 本研究的理论基础有电机控制 电力电子技术 自动控制原理 计算机控制技术等 2 理论 研究设想是 通过研究提出合理的硬件方案和算法 主要进行的是理想情况下的 可行性研究 具有工程应用的可能和超前性 由于不具备实现条件 在系统参数选择和 调试方法上 运用MATLAB软件进行了仿真 1 2 国内外研究现状和应用前景 2 我国直流调速传动装置经历了三个发展阶段 第一阶段 66年 76年可控硅直流调速 传动装置应用技术的创始阶段 第二阶段 78年 92年 不少设计 研究 制造单位吸 取了前一阶段的经验教训 学习和借鉴国外厂家先进设计经验 表现在三个方面 1 系统设计学习德国西门子公司双环理论及开发 MODULPACC系列先进设计方法 2 元 件筛选及选用上注意了半导体元件质量 特别是印板工艺进行了改革一大板结构 控制 系统的可靠性大大提高 3 整机制造技术工艺上的改进 第三阶段 92 03年 世界各 国的外商向开放的中国市场推销技术先进 性能良好的全数字直流调速传动装置 比较 典型的是西门子公司6R24 27系列的直流调速传动装置及 ABB公司推出的DCV700系列 和英国欧陆公司SSD 590系列 目前 国内外一些公司的 6RM系列 AVTRON公司的ADD 32系列 ABB公司的 DCS系列 GE公司的DC系列 CT公司的MENTOR 西门子公司6R24 27系列 英国欧 陆公司SSD 590系列数字直流调速装置 广泛应用于制糖机 橡塑机械 冶金系统的轧 制 拉钢 辊道 轻工 化工 纺织系统的单传动装置 1 3 本研究课题的主要研究内容 本研究课题主要研究基于TMS320CF240DSP控制器的转速 电流双闭环控制系统 对系统进行MATLAB仿真 进行参数整定 在仿真的基础上 对系统的软 硬件进行了 设计 1 4 本章小结 本章对计算机控制的对象进行了综述 全面对直流调速系统的组成和控制要求做了 总结 为将要进行的计算机控制系统的研究和设计提供基本的准备 打下了基 础 在 下面的研究中就以双闭环直流调速系统主电路为控制对象展开的 3 第二章 控制原理与方案确定 2 1 直流调速系统的基本概念 3 4 在工程实践中 有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节 并且要 求有良好的静 动态性能 由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性 尽管它不 如交流电动机那样结构简单 价格便宜 制造方便 维护容易 但是长期以来 直流调 速系统一直占据垄断地位 当然 近年来 随着计算机技术 电力电子技术和控制技 术的发展 交流调速系统发展很快 大有取代直流调速系统的趋势 由于微机控制的 直流调速系统的出现 目前 直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式 在我国许 多工业部门 如轧钢 矿山采掘 海洋钻探 金属加工 纺织 造纸以及高层建筑等需 要高性能可控电力拖动的场合 仍然广泛采用直流调速系统 而且 直流调速系统在理 论上和实践上都比较成热 从控制技术的角度来看 它又是交流调速系统的基础 因此 直流调速系统的应用研究具有实际意义 2 1 1 直流调速系统的主要方案 直流电机的电磁转矩的大小常用下式表示 2 ate ICT 1 式中 电动机的电磁转矩 单位为 N m e T 励磁磁通 单位为Wb 电枢电流 单位为A a I 由电机结构决定的转矩常数 t C 以上分析表明 直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的 可以 a I 非常方便地分别调节 这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性 从而有优良的 转速调节性能 由直流电动机的转速特性知道 直流电动机的转速和其他参量的关系可用下式表示 2 e a C RIU n 2 式中 n 电动机转速 单位为r min U 电枢供电电压 单位为v 4 由电机结构决定的电势常数 9 55 e C t C e C 在式 2 2 中 为常数 的大小取决于负载转矩 因此可知 直流电动机的调速方 e C a I 法有三种 1 调节电枢供电电压U 改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压 从电动机额定转速向下变速 属恒转矩调速方法 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说 这种方法最好 变化遇到的时间常数较小 能快速响应 但是需要大容量可调直流电源 a I 2 改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速 但只能减弱磁通 从电动机额定转速向上调速 属恒功率调速方法 变化时遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多 响应速 f I a I 度较慢 但所需电源容量小 3 改变电枢回路电阻R 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法 设备简单 操作方便 但是只能有级 调速 调速平滑性差 机械特性较软 空载时几乎没什么调速作用 在调速电阻上消耗 大量电能 改变电阻调速缺点很多 目前很少采用 仅在有些起重机 卷扬机及电车等调速性 能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用 弱磁调速范围不大 往往是和调压 调速配合使用 在额定转速以上作小范围的升速 因此 自动控制的直流调速系统往往 以调压调速为主 必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用 2 1 2 直流调速系统用的可控直流电源 改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法 调节电枢供电电压或者改变励 磁磁通 都需要有专门的可控直流电源 常用的可控直流电源有以下三种 1 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 以获得可调的直流电压 2 静止可控整流器 用静止的可控整流器 如汞弧整流器和晶闸管整流装置 产生 可调的直流电压 3 直流斩波器或脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不控整流电源供电 利用直流 斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压 下面分别对各种可控直流电源以及由它供电的直流调速系统作概括性介绍 1 旋转变流机组 以旋转变流机组作为可调电源的直流电动机调速系统的原理图如图 2 1所示 5 图2 1 旋转变流机组供电的直流调速系统 由交流电动机 称原动机 通常采用三相交流异步电动机 拖动直流发电机G实现变 流 由G给需要调速的直流电动机M供电 调节发电机的励磁电流的大小 就能够方i 便地改变其输出电压U 从而调节电动机的转速 n 这种调速系统叫做发电机 电动机 系统 简称G M系统 国际上通称Ward Leonard系统 为了供给直流发电机 G和电动机 M的励磁 还需专门设置一台并励的直流励磁发电机 GE 可装在变流机组同轴上由原 动机拖动 也可另外单用一台交流电动机拖动 对系统的调速性能要求不高时 可直接由励磁电源供电 要求较高的闭环直流调i 速系统一般都通过放大装置 G M系统的放大装置多采用交磁放大机或磁放大器 进行控 制 如果改变的方向 则U的极性和n的转向都跟着改变 因此G M系统的可逆运行i 是很容易的 图2 2给出了采用旋转变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性 它们 基本上都是相互平行的直线 由图 2 2可见 G M系统可以在允许转矩范围内实现四象 限运行 图2 2 G M系统的机械特性 G M系统具有很好的调速性能 在 20世纪50年代曾广泛地使用 至今在尚未进行设 备更新的地方仍然使用这种系统 但是这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机 组 至少包含两台与调速直流电动机容量相当的旋转电机 原动机和直流发电机 和一 台容量小一些的励磁发电机 因而设备多 体积大 效率低 安装需打地基 运行有噪 第I象限 第IV象限 OTeTL TL n0 n1 n2 第II象限 第III象限 n 6 音 维护不方便 为了克服这些缺点 在 20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替 旋转变流机组 直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代 2 静止可控整流器 在20世纪50年代 开始采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变 流机组 形成所谓的离子拖动系统 离子拖动系统克服了旋转变流机组的许多缺点 而 且缩短了响应时间 但是由于汞弧整流器造价较高 体积仍然很大 维护麻烦 尤其是 水银如果泄漏 将会污染环境 严重危害身体健康 因此 应用时间不长 到了 20世 纪60年代又让位给更经济可靠的晶闸管整流器 1957年 晶闸管问世 它是一种大功率半导体可控整流元件 俗称可控硅整流元件 简称 可控硅 20世纪60年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置 晶闸管问世以来 变流技术出现了根本性的变革 目前 采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统 即 晶闸管 电动机调速系统 简称V M系统 又称静止的Ward Leonard系统 己经成为直 流调速系统的主要形式 图 2 3所示为V M系统的原理框图 图2 3 V M系统的原理框图 图2 3中VT是晶闸管可控整流器 它可以是任意一种整流电路 通过调节触发装置 GT的控制电压来移动触发脉冲的相位 从而改变整流输出电压平均值 实现电动机 d U 的平滑调速 和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比 晶闸管整流装置不仅在经济性 和可靠性上都有很大提高 而且在技术性能上也显示出很大的优越性 晶闸管可控整流 器的控制功率小 有利于微电子技术引入到强电领域 在控制作用的快速性上也大大提 高 有利于改善系统的动态性能 但是 晶闸管整流器也有它的缺点 主要表现在以下 方面 1 晶闸管一般是单向导电元件 晶闸管整流器的电流是不允许反向的 这给电动 机实现可逆运行造成困难 必须实现四象限可逆运行时 只好采用开关切换或正 反两 组全控型整流电路 构成 V M可逆调速系统 后者所用变流设备要增多一倍 2 晶闸管元件对于过电压 过电流以及过高的和十分敏感 其中任一dtdudtdi 7 指标超过允许值都可能在很短时间内使元件损坏 因此必须有可靠的保护装置和符合要 求的散热条件 而且在选择元件时还应保留有足够的余量 以保证晶闸管装置的可靠运 行 3 晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发 因此晶闸管可控整流器对交流电源来 说相当于一个感性负载 吸取滞后的无功电流 因此功率因数低 特别是在深调速状 态 即系统在较低速运行时 晶闸管的导通角很小 使得系统的功率因数很低 并产生 较大的高次谐波电流 引起电网电压波形畸变 殃及附近的用电设备 如果采用晶闸管 整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大 将造成所谓的 电力公害 为此 应采取相应的无功补偿 滤波和高次谐波的抑制措施 4 晶闸管整流装置的输出电压是脉动的 而且脉波数总是有限的 如果主电路电 感不是非常大 则输出电流总存在连续和断续两种情况 因而机械特性也有连续和断续 两段 连续段特性比较硬 基本上还是直线 断续段特性则很软 而且呈现出显著的非 线性 3 直流斩波器或脉宽调制变换器 直流斩波器又称直流调压器 是利用开关器件来实现通断控制 将直流电源电压断 续加到负载上 通过通 断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值 将固定电压的 直流电源变成平均值可调的直流电源 亦称直流 直流变换器 它具有效率高 体积 小 重量轻 成本低等优点 现广泛应用于地铁 电力机车 城市无轨电车以及电瓶搬 运车等电力牵引设备的变速拖动中 图2 4为直流斩波器的原理电路和输出电压波形 图中 VT代表开关器件 当开关 VT接通时 电源电压加到电动机上 当VT断开时 直流电源与电动机断开 电动机 s U 电枢端电压为零 如此反复 得电枢端电压波形如图 2 4 b 所示 a 原理图 b 电压波形图 图2 4 直流斩波器电路和输出电压波形 M VD VT Us t O U Us Ud T ton 控制电路 M 8 这样 电动机电枢端电压的平均值为 2 3 ss on d UU T t U 式中 T 开关器件的通断周期 开关器件的导通时间 on t 占空比 开关频率 ft T t on on f 由式 2 3 可知 直流斩波器的输出电压平均值可以通过改变占空比即通过改变 d U 开关器件导通和 或 关断时间来调节 常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三 种 1 脉冲宽度调制 pulse width modulation 简称PWM 开关器件的通断周期T保持 不变 只改变器件每次导通的时间 也就是脉冲周期不变 只改变脉冲的宽度 即 on t 定频调宽 称为脉冲调宽 2 脉冲频率调制 pulse frequency modulation 简称PFM 开关器件每次导通的时 间不变 只改变通断周期T或开关频率 也就是只改变开关的关断时间 即定宽调 on tf 频 称为调频 3 两点式控制 开关器件的通断周期 T和导通时间均可变 即调宽调频 亦可 on t 称为混合调制 当负载电流或电压低于某一最小值时 使开关器件导通 当电流或电压 高于某一最大值时 使开关器件关断 导通和关断的时间以及通断周期都是不确定的 构成直流斩波器的开关器件过去用得较多的是普通晶闸管和逆导晶闸管 它们本身 没有自关断能力 必须有附加的强迫关断电路 增加了装置的体积和复杂性 增加了损 耗 而且由它们组成的斩波器开关频率低 输出电流脉动较大 调速范围有限 自 20 世纪70年代以来 电力电子器件迅速发展 研制并生产出多种既能控制其导通又能控制 其关断的全控型器件 如门极可关断晶闸管 GTO 电力晶体管 GTR 电力场效应管 P MOSFET 绝缘栅极双极型晶体管 IGBT 等 这些全控型器件性能优良 由它们构 成的脉宽调制直流调速系统 简称PWM调速系统 近年来在中小功率直流传动中得到了 迅猛的发展 与V M调速系统相比 PWM调速系统有以下优点 1 采用全控型器件的PWM调速系统 其脉宽调制电路的开关频率高 一般在几 kHz 因此系统的频带宽 响应速度快 动态抗扰能力强 2 由于开关频率高 仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流 电流 电枢电流容易连续 系统的低速性能好 稳速精度高 调速范围宽 同时电动机 9 的损耗和发热都较小 3 PWM系统中 主回路的电力电子器件工作在开关状态 损耗小 装置效率高 而且对交流电网的影响小 没有晶闸管整流器对电网的 污染 功率因数高 效率 高 4 主电路所需的功率元件少 线路简单 控制方便 目前 受到器件容量的限制 PWM直流调速系统只用于中 小功率的系统 2 2 转速 电流双闭环调速系统介绍 3 4 直流电动机调速系统具有开环调速系统 单闭环调速系统 双闭环调速系统和多闭 环调速系统 双闭环调速系统具有控制容易 能在宽范围内平滑调速和快速响应等特点 在直流调速系统中得到广泛应用 许多生产机械 由于加工和运行的要求 使电动机经常处于起动 制动 反转的过 渡过程中 因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率 为缩 短这一部分时间 仅采用 PI 调节器的转速负反馈单闭环调速系统 其性能还不很令人 满意 采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提 下实现转速无静差 但是 如果对系统的动态性能要求较高 例如 要求快速起制动 突加负载动态速降小等等 单闭环系统就难以满足需要 是因为在单闭环系统中不能随 心所欲地控制电流和转矩的动态过程 我们希望能实现控制 1 起动过程 只有电流负反馈 没有转速负反馈 2 稳态时 只有转速负反馈 没有电流负反馈 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 转速 电流双闭环控制的直流调 速系统是应用最广性能很好的直流调速系统 本节将着重阐明其原理及设计线路 2 2 1 转速 电流双闭环直流调速系统的组成 双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节 可获得良好的静 动态性能 两个调节器均采用 PI 调节器 由于调整系统的主要参量为转速 故将转速 环作为主环放在外面 电流环作为副环放在里面 这样可以抑制电网电压扰动对转速的 影响 系统结构如图 2 5 所示 图 2 5 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 10 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 这就形成了速 电流双闭环调速系统 图2 5 转速 电流双闭环直流调速系统结构 ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG 测速发电机 TA 电流互感器 UPE 电力电子变换器 2 2 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 PI 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图 2 6 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为正电压的情况标出的 C U 并考虑到运算放大器的倒相作用 图2 6 双闭环直流调速系统电路原理图 图 2 6 中表出 两个调节器的输出都是带限幅作用的 1 转速调节器 ASR 的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值 im U 2 电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压 cm U dm U TG n ASR ACR U n Un Ui U i Uc TA V M Ud Id UPE L M T G 内环 外 环 G 11 2 2 3 系统稳态结构 为了分析双闭环调速系统的静特性 必须先绘出它的稳态结构图 如图 2 7 它可 以很方便地根据上图的原理图画出来 只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就 可以了 图2 7 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差 这时 转速负 dm I 反馈起主要调节作用 当负载电流达到后 转速调节器饱和 电流调节器起主要调 dm I 节作用 系统表现为电流无静差 得到过电流的自动保护 这就是采用了两个PI 调节 器分别形成内 外两个闭环的效果 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 2 2 4 系统动态结构 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上 考虑双闭环控制的结构 即可绘出 双闭环直流调速系统的动态结构图 如图 2 8 所示 图2 8 双闭环直流调速系统的动态结构图 图 2 8 中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数 一般来 sWASR sWACR 说 双闭环调速系统具有比较满意的动态性能 对于调速系统 最重要的动态性能是抗 扰性能 主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能 双闭环系统中 由于增设了电流 内环 电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节 不必等它影响到转速以后才能 U n Uc IdL n Ud0 Un Ui WASR s WACR s Ks Tss 1 1 R Tl s 1 R Tms U i Id 1 Ce E Ks 1 Ce U nUc Id EnUd0 Un ASR U i R ACR Ui UPE 12 反馈回来 抗扰性能大有改善 2 2 5 起动过程分析 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程 因此在分析双闭环 调速系统的动态性能时 有必要首先探讨它的起动过程 双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时 转速和电流的动态过程 n U 示于图 2 9 由于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 图2 9 转速和电流的启动动态过程曲线 第 阶段 突加给定电压后 上升 当小于负载电流时 电机还不能转动 当 n U d I d I dL I 后 电机开始起动 由于机电惯性作用 转速不会很快增长 因而转速调节器 d I dL I ASR 的输入偏差电压的数值仍较大 其输出电压保持限幅值 强迫电流迅速上 im U d I 升 直到 电流调节器很快就压制了的增长 标志着这一阶段的结 d I dm I i U im U d I 束 第 阶段 在这个阶段中 ASR 始终是饱和的 转速环相当于开环 系统成为在恒值电 压 给定下的电流调节系统 基本上保持电流恒定 因而系统的加速度恒定 转速呈 im U d I 线性增长 与此同时 电机的反电动势 E 也按线性增长 对电流调节系统来说 E 是 一个线性渐增的扰动量 为了克服它的扰动 和也必须基本上按线性增长 才 0d U C U 能保持恒定 d I 当 ACR 采用 PI 调节器时 要使其输出量按线性增长 其输入偏差电压必须维持一 13 定的恒值 也就是说 应略低于 d I dm I 第 阶段 当转速上升到给定值时 转速调节器 ASR 的输入偏差减少到零 但其输出却由于 积分作用还维持在限幅值 所以电机仍在加速 使转速超调 转速超调后 ASR im U 输入偏差电压变负 使它开始退出饱和状态 和很快下降 但是 只要仍大于 i U d I d I 负载电流 转速就继续上升 直到 时 转矩 则 0 转速 n 才 dL I d I dL I Le TT dtdn 到达峰值 t t3 时 此后 电动机开始在负载的阻力下减速 与此相应 在一小段时间 内 t3 t4 直到稳定 d I dL I 2 2 6 动态抗扰性能分析 一般来说 双闭环调速系统具有比较满意的动态性能 对于调速系统 最重要的动 态性能是抗扰性能 主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能 1 抗负载扰动 由动态结构图中可以看出 负载扰动作用在电流环之后 因此只能靠转速调节器 ASR 来产生抗负载扰动的作用 在设计 ASR 时 应要求有较好的抗扰性能指标 2 抗电网电压扰动 双闭环系统中 由于增设了电流内环 电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的 调节 不必等它影响到转速以后才能反馈回来 抗扰性能大有改善 2 3 双闭环调速系统的工作原理 3 4 2 3 1 以电流调节器 ACR 为核心的电流环工作原理 电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回路 其主要作用是通过 电流检测元件的反馈作用稳定电流 由于 ACR为PI调节器 稳态时 其输入偏差电压 即 其中 为电流反馈系数 0 diiii IUUUU d I i U 当一定时 由于电流负反馈的调节作用 使整流装置的输出电流保持在 i U 数值上 当 时 自动调节过程为 i U d I i U d I i U di IU a U d U d I 最终保持电流稳定 当电流下降时 也有类似的调节过程 2 3 2 以转速调节器 ASR 为核心的转速环工作原理 转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路 其主要作用是通过 转速检测元件的反馈作用保持转速稳定 最终消除转速偏差 14 由于ASR采用PI调节器 所以在系统达到稳态时应满足 即n 0 nUU nn n U 当一定时 转速n将稳定在数值上 当n 时 其自动调节过程为 n U n U n U FZ n 0 n n U nUn i U i U a U d U 最终保持转速稳定 当转速上升时 也有类似的调节过程 2 4 控制方案的确定 随着微处理器的出现及运算速度的提高 运动控制也由原来的以模拟量反馈 模拟 控制器为核心的连续控制系统过渡到以数字量处理为主 以高速信号处理器为控制核心 的数字控制系统 特别是当前网络技术 主要是现场总线技术 在工业领域的普及和发展 就更加确定了数字控制的主导地位 2 4 1 连续控制与数字控制的特点 连续控制系统是以反馈控制理论为基础 由模拟电子电路构成控制器 因而存在如 下主要弱点 1 由运算放大器构成的PID调节器 其参数一经设定 不易经常调整 对工况的变 化和对象的变化自适应能力差 2 模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法 难以实现对交流电机这样复 杂对象的控制 3 受成本的限制 对反馈量的模拟电路检测精度不高 因而控制精度也不易提高 4 用模拟器件构成的控制电路集成度不高 硬件复杂 可靠性低 可重复性差 因而 连续控制已经不能适应运动控制系统的发展需要 以微处理器为核心的数字控制系统 不仅克服了上述连续控制的弱点 而且可以实 现原连续控制不可想象的高复杂程度 高精度的控制 为运动控制注入了新的活力 并 将其推向更高的发展阶段 归纳数字控制的主要特点如下 1 控制系统集成度高 硬件电路简单而且统一 可靠性高 可重复性好 对于不 同的控制对象和控制要求 只需改变控制算法软件即可 可以实现同一控制器既可控制 直流电机又可控制交流电机 2 数字控制器的输入输出通道可以实现控制量的模拟输出 反馈量的数字输入 具有数据采集速度快 值域范围宽 分辨率高 精度高等特点 为实现高性能的运动控 制系统打下了基础 15 3 采用高速数字信号处理器为控制器 可以实现复杂的高性能的各种控制策略和 方法 如矢量控制 多变量模糊控制等 由于软件的灵活性 可以尽可能充分地实现人 工智能 更好地适应控制系统的复杂多变 4 借助一些人机界面设备 如与处理器相连的液晶显示屏 控制面板 触摸屏等 实现对系统运行状态的监控 预警 故障诊断等功能 借助处理器的通讯能力实现与 上位机的通讯 借助现场总线技术实现底层控制设备的联网 因而更方便地实现高复杂 度的多机协同工作 2 4 2 数字控制的双闭环直流调速系统 在2 2和2 3中己经了解了双闭环直流调速系统的工作原理 现在采用微机实现对该 系统的数字控制 其原理框图如图 2 10所示 图2 10 数字控制的双闭环直流调速系统 在数字装置中 由计算机软硬件实现其功能 即为计算机控制系统 系统的特点 1 双闭环系统结构 采用微机控制 2 全数字电路 实现脉冲触发 转速给定和检测 3 采用数字PI算法 由软件实现转速 电流调节 2 5 本章小结 本章对计算机控制的对象进行了综述 全面对直流调速系统的组成和控制要求做了 总结 为将要进行的计算机控制系统的研究和设计提供基本的准备 打下了基础 在下 面的研究中就以双闭环直流调速系统主电路为控制对象展开的 16 第三章 基于 SIMULINK 的系统仿真 为了在研究和设计中去获得合适的参数 不断的改进设计 在软件设计之前 首 先用目前流行的MATLAB软件对控制系统进行了仿真 仿真是在理想的情况下进行的 获得结果对研究分析系统可以得到相当好的帮助 在仿真模型的建立过程中 控制部分中的 SIMULINK模块参数的设置比较困难 也 很关键 为了获得比较好的仿真效果 为现实系统的实现提供设计依据 需要在仿真过 程中不断调整参数 直到获得满意的效果 系统的仿真分为三个步骤 分别是 建模 设置参数 仿真及仿真结果分析 在建模的时候 首先要分析系统原理结构的每个细节 从 SIMULINK模块箱中找到 合适的模块 然后进行参数设置 参数设置是一个难点 可以将实际系统中的主电路参 数作为初始值 根据需要 不断调整控制部分的参数 3 1 系统设计 直流电机 220V 136A 1460r min 0 132V min r 允许过载倍数 1 5 晶 e C 闸管装置放大系数 40 电枢回路总电阻 R 0 5 时间常数 0 03s S K l T 0 18s 电流反馈系数 取电流调节器的输出限幅值为 10V 则电流反馈系数 m T 0 05V A 10V 1 5 转速反馈系数 同理取转速调节器的输出限幅值为 10V 则 N I 转速反馈系数 0 007 V min r 10V N n 首先按照调节器的工程设计方法选择调节器的结构和参数 将电流环校正为典型 型系统 取 0 5 考虑电流反馈中的电流纹波 取电 I iT K 流滤波时间常数为2ms 电流调节器选用PI调节器 将转速环校正为典型 型系统 取h 5 考虑到转速反馈中的电压纹波 取转速滤 波时间常数为3ms 转速调节器选用PI调节器 根据桥式整流电路 电动机的参数 晶闸管的放大倍数等来设计调节器 根据工 程设计方法 理论分析得出 模型参数设计如下 电流调节器的传递函数为 s s sWACR 03 0 013 1 03039 0 转速调节器的传递函数为 s s sWASR 087 0 7 110179 1 17 变换器模型为 10017 0 40 1 ssT K s s 电机模型参数为 132 0 1 18 0 5 0 103 0 21 1 1 ssCsT R sT R eml 给定转速为714r min 阶跃给定值5V ACR ASR的参数分别设计为 ACR 1 013 1 013 0 03 ASR 11 7 11 7 0 087 cp K ci K sp K si K 限幅器的上下限设置为 10 0 3 2 系统仿真 5 利用SINMULINK的元件库功能 在matlab中进行双闭环直流调速系统建模 如图 3 1所示 图中ASR是速度调节器模块 ACR是电流调节器模块 还用到了放大器 Gain 示波器Scope等 图3 1 双闭环直流调速系统建模 仿真的结果可以通过示波器模块输出 当给定信号的参数发生变化时 示波器的输 出将发生变化 本仿真是模拟 给定阶跃变化时转速和电流的启动动态过程 输出是速 度和电流 图 3 2 给出了突加给定 电动机启动时的电枢电流波形和转速 n 波形 g U d I 的示波器仿真输出 从图3 2中可以看到速度与电流之间的关系基本上符合理想的波形 图中横坐标表示 18 时间 纵坐标表示幅值 图3 2 电机启动时的转速曲线和电流曲线 3 3 仿真结果分析 从仿真结果可以看到 启动过程的第一阶段是电流上升阶段 突加给定电压 ASR的输入很大 其输出很快达到限幅值 电流上升也很快 接近其峰值 第二阶段 ASR饱和 转速环相当于开环状态 系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统 电流基本上保持不变 拖动系统恒加速 转速线性增长 第三阶段 当转速达到给定值 后 由于积分的作用 其输出还是很大 所以出现超调 转速超调之后 ASR输入端 出现负偏差电压 使它推出了饱和状态 进入线性调节阶段 使速度保持恒定 仿真结 果基本上反映了这一点 3 4 本章小结 在进行系统仿真时 需要根据具体的系统硬件要求进行相关参数的设定 比如 电 流环和转速环的时间常数和比例系数的确定 都需要反复修改 才能使系统的动态性能 满足要求 为了获得良好效果 用 MATLAB软件进行系统仿真 给系统参数的设定提 供支持 转速 电流 19 第四章 硬件设计说明 4 1 控制系统的组成 6 7 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图 4 1所示 系统由以下部分组成 主电路 检测电路 故障综合 数字控制器 硬件电路图见附录图 B 图4 1 微机数字控制双闭环直流 PWM调速系统硬件结构图 4 1 1 主回路 三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源 再经过直流 PWM变换 器得到可调的直流电压 给直流电动机供电 4 1 2 检测回路 检测回路包括电压 电流 温度和转速检测 其中电压 电流和温度检测由 A D 转换通道变为数字量送入微机 转速检测用数字测速 a 转速检测 对于要求精度高 调速范围大的系统 往往需要采用旋转编码器测速 即数字测速 如图4 2所示 光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件 旋转编码器与电机相连 当 电动机转动时 带动码盘转动 便发出转速或转角信号 20 图4 2 光电码盘转换电路 采用旋转编码器的数字测速方法有三种 M法 T法和M T法 1 M法测速 在一定时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数 把除以就可得到旋转编 1 M 1 M C T 码器输出脉冲的频率 所以又称频率法 电动机每转一圈共产生 Z个脉冲 C TMf 11 Z 倍频系数 编码器光栅数 把除以Z就得到电动机的转速 在习惯上 时间以 1 f C T 秒为单位 而转速是以每分钟的转数为单位的 则电动机的转速为 4 1 C ZT M n 1 60 在上式中 Z和均为常值 因此转速n正比于脉冲个数 高速时大 量化误差 C T 1 M 1 M 较小 随着转速的降低误差增大 转速过低时将小于1 测速装置便不能正常工作 1 M 所以M法测速只适用于高速段 2 T法测速 在编码器两个相邻输出脉冲的间隔时间内 用一个计数器对已知频率为的高频 0 f 时钟脉冲进行计数 并由此来计算转速 称作 T法测速 在这里 测速时间缘于编码器 输出脉冲的周期 所以又称周期法 在 T法测速中 准确的测速时间是用所得的高频 t T 时钟脉冲个数计算出来的 即 则电动机转速为 2 M 02 fMTt 4 2 2 0 6060 ZM f ZT n t 高速时小 量化误差大 随着转速的降低误差减小 所以 T法测速适用于低速段 2 M 与M法恰好相反 3 M T法测速 M法测速在高速段分辨率强 T法测速在低速段分辨率强 因此 可以将两种测速 方法相结合 取长补短 既检测时间内旋转编码器输出的脉冲个数 又检测同一 C T 1 M 时间间隔的高频时钟脉冲个数 用来计算转速 称作M T法测速 设高频时钟脉冲 2 M 21 的频率为 则准确的测速时间 而电动机转速为 0 f 02 fMTt 4 3 2 011 6060 ZM fM ZT M n t 采用M T法测速时 应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码器输出脉冲计数器同时 开启与关闭 以减小误差 只有等到编码器输出脉冲前沿到达时 两个计数器才同时允 许开始或停止计数 由于M T法的计数值和都随着转速的变化而变化 高速时 相当于 M法测速 1 M 2 M 最低速时 1 自动进入T法测速 因此M T法测速能适用的转速范围明显大于前两 1 M 种 是目前广泛应用的一种测速方法 所以 测速采用M T法 b 电流和电压检测 电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外 还是各种保护和故障诊断信息的 来源 电流 电压信号也存在幅值和极性的问题 需经过一定的处理后 经 A D转换送 入微机 其处理方法与转速相同 电流检测原理如图4 3所示 霍尔电流传感器具有测量精度高 线性度好 响应快 隔离彻底的特点 近来在工业控制中得到广泛应用 图4 3 霍尔效应电流变换器 电压检测原理图如图4 4所示 图4 4 信号隔离与转换 A1 A2 R1 Ro Ui R2 R3 R4 R5 R6 Uia 15V 5V UA UB A D R1 Ro R2 R3 R4 UB R5 R6 Uia Ui 22 4 1 3 故障综合 利用微机拥有强大的逻辑判断功能 对电压 电流 温度等信号进行分析比较 若 发生故障立即进行故障诊断 以便及时处理 避免故障进一步扩大 这也是采用微机控 制的优势所在 4 1 4 数字控制器 数字控制器是系统的核心 可选用单片微机或数字信号处理器 DSP 在本设计 中 采用TMS320X240系列专为电机控制设计的微处理器 本身都带有 A D转换器 通 用I O和通信接口 还带有一般微机并不具备的故障保护 数字测速和 PWM生成功能 可大大简化数字控制系统的硬件电路 4 2 控制器芯片的选择和应用 8 9 10 11 12 长期以来对直流调速系统的研究和设计一直是电力拖动控制领域最活跃的部分 各 个阶段都不断出现新技术新方法 经历了机械式调速 电子式调速 集成电路应用调速 计算机控制等阶段和过程 随着新技术的发展 特别是芯片技术的发展 再一次提供了 机遇 本研究就是试图将 DSP技术与电力拖动控制技术相结合 进行一些创新性的工作 4 2 1 DSP 芯片的选择 在这次设计中 我们采用的是 TMS320F240系列 TI公司最新推出的TMS320C2XX 系列具有良好的性能价格比 TMS320F240内置8K 16K字快闪存储器 增加了两路 10 位A D 每路采样频率可达166kHz 提供9路独立的PWM输出 内置SCI和SPI接口 内 置CAN总线接口 这些大大增强了 TMS320X240的处理能力 在电机控制领域显示了强 大的生命力 它是一个典型的 TMS320F240的用户系统 它实现如下功能 3相PWM输 出 3相电流测量 按键控制 液晶显示 RS232通信 A D D A接口 62K字节零等待 SRAMaTMS320系列同一产品系列中的器件具有相同的 CPU结构 但芯片内存储器和外 设的配置不同 派生的器件集成了新的片内存储器和外设 以满足世界范围内电子市场 的不同需求 通过将存储器和外设集成到控制器的内部 TMS320器件减少了系统成本 节省了电路板空间 提高了系统的可靠性 一般的DSP芯片可分为定点和浮点两类 而从用途上又可分为通用型和专用型两种 TMS320系列的体系结构专为实时信号处理而设计 该系列的 DSP控制器将实时处理能 力和控制器外设功能集于一身 为控制系统应用提供了一个理想的解决方案 下列的特 性使得TMS320系列成为很多信号处理及控制应用的理想选择 灵活的指令集 内部操 23 作灵活性 高速的运算能力 改进的并行结构 目前德州公司的D