运控(打印版)

1、 双闭环直流调速设计运动控制期中大作业转速电流双闭环直流调速系统设计 一、设计要求1.1已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统采用桥式可逆PWM变换电路供电已知基本数据如下：（1）电动机参数：=220V,=136A,=1460r/min,=0.2，允许过载 倍数=1.5；（2）电枢回路总电阻：=0.5；（3）电枢回路总电感：=10mH;（4）电动机轴上的总飞轮力矩：=22.5;1.2设计指标：电流超调量5%,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%。二、参数设计2.1 基本参数计算：-电枢回路电磁时间常数:s-电力拖动系统机电时间常数: s-电动机在额定磁通下的电动势系统：2.2 电

2、流环设计（1）确定时间常数 PWM变换装置的时间常数。三相桥式整流装置和PWM变换装置的数学模型相同，由于我们采用三相全桥整流电路，则整流部分的延迟时间可以忽略，而PWM装置的延迟时间与开关频率成反比。当MOS管的开关频率选取为2KHz时， 电流滤波时间常数。三相全桥电路每个波头的时间是3.3ms, 为了基本滤平波头，应有（12）=3.3ms, 因此取=2ms=0.002s。 电流环小时间常数之和。（2）选择电流调节器结构和参数设计要求电流超调量，且无稳态静差。因此采用典型I型系统设计电流调节器。电流控制对象是双惯性型的，所以ACR采用PI调节器。其传递函数如下：检查对电源电压的抗性性能：，参

3、看课本表3-2的典I系统运动抗扰性能，各项指标都可以接受。（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数 ：开环放大倍数，查表3-1，为满足的要求并有较好的静动态性能，取KT=0.5,则：电流反馈系数：则ACR的比例放大系数: （4）检验近似条件电流截止频率： 忽略电动机反电动势的影响的近似条件 满足近似条件 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件(4)调节器电阻电容计算电流调节器原理如图所示，按所用运放取，各电阻电容值计算如下： ，取 2.3 转速环设计 (1)确定时间常数 电流环等效时间按常数（在电流环中已去KT=0.5）: 转速滤波时间： 转速环小时间常数： (2) 确定转速调节器结

4、构及参数。转速环设计为典型系统由于要求转速无静差，因此ASR应选用PI调节器，传递函数如下： 按照跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR超前时间常数转速开环增益 ASR比例系数(3)校验近似条件转速环截止频率为 满足条件电流闭环传递函数简化条件 满足条件小时间常数近似处理条件 满足条件 (4)计算调节器电阻电容2.4 核对转速超调量由于突加给定是，ASR经历快速饱和和退保和情况，不符合线性条件，不可直接查表3-4得超调量。应按退保和超调计算：设计设时若取h=5，查表3-5有超调量要求为空载启动时的参数取，额定稳态速降 满足要求代入公式得 满足要求三、 硬件电路本系统采用MSP430F5

5、438作为主控制回路，其原理图如附录一所示。主电路由三相不可控整流、H 桥双极性直流斩波、泵升电压电路与直流电动机构成。 H桥双极性直流斩波电路驱动信号的产生由MSP430F5438控制输出。转速的检测采用数字测速器。它是用 MSP430读取与电动机联轴的光电编码器输出的脉冲数, 经MSP430计算后得出转速值。泵升电压的控制经与事先设定值比较后由MSP430出控制信号实时控制启动泵升电压电路, 进行能量泄放, 保护主电路。系统利用故障保护引脚P1.1产生的信号, 及时封锁2路 PWM 信号,以及通过 I/O口控制开关 K1的动作实现保护。该 MSP430控制系统有完善的保护体系。3.1控制器

6、选型方案一：选用STC89C52单片机，51单片机是一款最基本的8位机，它可以通过I/O口输出一定频率的PWM信号，但是由于本系统还需要A/D转换模块作为检测反馈通道，而51内部没有集成A/D模块，因此，如果采用此款51单片机，还需要外围搭建一个A/D转换装置。方案二：MSP430F5438是一款16位单片机，具有5种时钟源，最高振荡频率可达到40MHz，其内部支持一个快速的12位的A/D转换器，最主要的是可以输出带死区的PWM波形，这个有效的防止H桥上下直通的现象。3.2电子元器件的选型图3-1 桥式可逆PWM系统主电路图1) 直流母线上的电阻R1，其作用是限流，选用大功率电阻。2) 滤波电

7、容C1和C2选用大容量，高耐压值的电容，以获得恒定的直流电压。假设电压由提高到，则电容储能由假设电压由增加到，储能的增量应该等于运动系统在制动时释放的全部动能，于是所以过高的泵升电压将超过电力电子器件的耐压值，因此该滤波电容的耐压值选用200V。3)制动单元的电阻R2应该选用无感电阻，防止制动时电流会有一个方向感抗作用。4）H桥可逆PWM模块选用型号为IRF540的MOS管，参数漏源电压为150V，连续电流28A，总功耗150W,它内部集成了一个反并联续流二极管，其开关频率可达到几百KHz，相比IGBT价格更加便宜。5)MOS管驱动电路，采用IR2110IR2110是一种高压高速功率MOSFE

8、T驱动器，有独立的高端和低端输出驱动通道，其内部功能原理框图如图1所示。它包括输入/输出逻辑电路、电平移位电路、输出驱动电路欠压保护和自举电路等部分。各引出端功能分别是：1端(LO)是低通道输出；2端(COM)是公共端；);3端(VCC)是低端固定电源电压；5端(US)是高端浮置电源偏移电压；6端(UB)是高端浮置电源电压；7端(HO)是高端输出；9端(VDD)是逻辑电路电源电压；10端(HIN)是高通道逻辑输入；11端(SD)是输入有效与否的选择端，可用来过流过压保护；12端(LIN)是低通道输入；13端(VSS)是逻辑电路的地端。图3-2 IR2110的内部原理图四、数字PI调节器的设计4

9、.1 数字PI调节器的控制算法当输入是误差函数e（t）、输出函数u（t）时，PI调节器的传递函数为： （4-1）PI调节器时域表达式为： （4-2）其中：为比例函数，为积分系数。将上式离散化成差分方程，其第K拍输出为： （4-3）其中：为采样周期。第拍输出为： （4-4） 则，增量式PI调节器算法为： （4-5）PI调节器的输出可由下式求得： （4-6）为PI调节器的第次输出值，为第次输出值；为第次采样时，给定量和反馈量之间的差值；为第次采样时，给定量和反馈量之间的差值。4.2 数字PI调节器的控制程序采用MSP430F5438对控制器进行设计，必须对控制系统的动态参数进行校正。按工程设计方法

10、，电流内环按典型I型系统设计，转速外环按典型II型系统设计。结合调节器设计、H桥双极性直流斩波控制算法、模数转换和故障保护，本调速系统由3部分软件组成：即主程序、初始化程序和中断服务子程序。主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化和其他外设通信等功能。其流程如图4-1所示。初始化后，实现键盘处理、刷新处理与上位机和其他程序完成硬件工作方式设定、系统运行参数和变量的初始化等。其流程如图4-2所示，中断服务子程序主要完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等。中断服务子程序有相应的中断源提出申请，其中，转速调节器的中断服务子程序流程如图4-3所示，电流调节中断服务子

11、程序流程如图4-4所示。故障保护中断服务子程序流程如图4-5所示。名定义如下：电压给定为,电压反馈为，输出电压为,前一拍的误差量为，当前拍的误差量为，前一拍的控制器输出控制量为，当前拍的控制器输出控制量为；则中断子程序流程如图4-1所示。 4-1 主程序框图 4-2 初始化子程序框图 图4-3 转速调节程序框图图4-4电流调节程序框图图 4-4故障保护程序框图 2）控制程序/*file mc_control.c /控制类型：PI控制方式，即比例和积分。Type of control:PI means proportionnal,integral./*Speed control variable

12、s*/ /速度控制变量signed int speed_error=0; /!32000)speed_integral=32000; if(speed_integral0) if(increment=192) Duty=increment; else Duty=192; else if (increment-192) Duty=-192; else Duty=increment; returnDuty; /返回占空比 （3）模拟系统的PI调节器中，比例部分起快速调节作用，积分部分起消除稳态偏差；数字PI调节器也具备同样的功能。四、总结心得 通过这次设计，我们将所学的内容与实际相联系，对转速电流

13、双闭环直流调速系统有了很直观的认识。将理论知识与实践对应起来，思路和认识清晰了许多。以往在设计或校正系统时只是理论设计，缺乏直观的理解。比如PID调节器可以对消系统零点，改善系统稳定性；校正惯性环节，提高动态性能等，以往停留在理论甚至公式层面的理解，而通过这次调速系统设计，充分理解了PI调节器的工作原理和它在实际中与系统的联系。对PID调节器一下子感觉熟悉了许多。而在设计工程中，发现许多实际工程细节是我们平时所缺乏的，通过不断的学习，我们将许多所学的专业知识在这次设计中联系并整合在一起，在各个专业课之间建立了联系，提高了自己利用专业知识解决实际问题的兴趣，提高了专业素养和装也能力。在设计和学习中感谢老