运动控制系统课程设计报告

《运动控制系统》课程设计报告时

间 _学

院

_专业班级 _姓

名

学

号

指导教师

成

绩

北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计摘 要本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M

双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR

和ASR

结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004

触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink

对系统进行各种参数给定下的仿真。关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真-

1

-AbstractThis

course

is

designed

from

DC

motor,

establish

the

principles

of

V-M

double

closed

loop

DCspeedcontrolsystemdesign,thedoubleclosedloopdcspeedcontrolsystemandthestructure,includingACRASRthemainloopthyristorthree-phasebridgetypeallcontrolthepowersupplyandtriggertherectifiercircuitKJ004triggercircuit,thesystemwithoutthestaticpoor;AccordwithcurrentovershootssigmaI5%orless;No-loadstarttotheratedspeedovershootsigman10%orless.Anddetailedanalysisofthesystemprincipleandthestaticanddynamicperformance,

and

the

system

of

simulink

to

various

parameters

set

simulation.Key

Words：double

closed

loop；DC

speed

control

system；without

the

static

poor；simulatio北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计目-

1

-录摘 要.........................................................................................................................1Abstract...........................................................................................................................

1引 言.........................................................................................................................11

实验内容.....................................................................................................................

22

实验设备.....................................................................................................................

23

实验设计原理.............................................................................................................

23.1

V-M

系统原理....................................................................................................23.2

三相桥式整流电路............................................................................................23.3

保护电路部分...................................................................................................

33.4

直流电源电路...................................................................................................

43.5

VT

触发电路......................................................................................................

53.6

ASR

控制电路....................................................................................................53.7

ACR

控制电路...................................................................................................

73.7

电流检测电路...................................................................................................

83.7

转速检测电路...................................................................................................

94

系统工作原理.............................................................................................................

95

调节器参数的计算过程............................................................................................

105.1

参数以及设计要求..........................................................................................105.2

相关参数计算.................................................................................................

115.3

电流环设计.....................................................................................................

115.4

转速环设计.....................................................................................................

146

Matlab

仿真................................................................................................................18北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计6.1

启动过程仿真.................................................................................................

187

心得体会……………..19参

考

文

献.................................................................................................................

21附

录.............................................................................................................................221

主电路原理图...........................................................................................................

222

仿真模型图...............................................................................................................

223

启动波形图...............................................................................................................

23-

2

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计引 言《运动控制系统》课程设计需综合运用所学知识针对一个较为具体的控制对象或过程进行系统设计、硬件选型。通过课程设计，可以对理论知识融会贯通，培养同学们的系统设计能力，使同学们达到以下能力训练：调查研究、分析问题的能力；使用设计手册、技术规范的能力；查阅文献的能力；制定设计方案的能力；计算机应用的能力；设计计算和绘图的能力；语言文字表达的能力。本次设计的内容的具体内容是主电路及其保护电路设计，转速、电流调节器及其限幅电路的设计。-1

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计双闭环V-M

调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计实验内容主回路及其保护系统的设计；转速、电流调节器及其限幅电路的设计；实验设备1、装有matlab的PC机一台实验设计原理3.1

V-M

系统原理V-M

系统的系统原理图如下。图中

VT是进闸管整流电路，为直流电机提供可控直流电源，GT

是晶闸管整流电路的控制器，称为调节触发装置（简称触发器）。通过调节触发装置

GT

的控制电压

Uc

来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。晶闸管-电动机调速系统（V-M

系统）主电路原理图如图3-1。图3-1晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图3.2

三相桥式整流电路三相整流电路是电机的可控供电电源。三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周-2

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计期内有六次脉动，它为线电压的包络线。晶闸管在一个周期内导通

120°，关断240°，管子换流只在本组内进行，每隔

120°换流一次。出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为

120°，接在同一相的不同管子脉冲相位差为

180°。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为

60°，即每隔

60°换流一次。晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。图3-2

晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图3.3

保护电路部分选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用

RC

吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制

LC

回路的震动。晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电

压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压

一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如图

3-3

阻容吸收回路来抑制过电压。图

3-3

阻容保护电路由于本系统是不可逆控制系统，电机不能反转。可以设想，如果系统突然断电，-3

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计电机的电流突然下降。感应电动势为：U

ධdidt晶闸管开关的时间是毫秒级的，所以

dt

非常小，U

非常大。也就是说，给电机供电的电源突然断开后，电机将产生很大的反电动势。这个电动势对晶闸管是次冲击，在反复的冲击下，晶闸管会被击穿而不受控制，造成整个电路瘫痪。因此为了防止这个电压突然加在晶闸管上，所以在电机两端可以并联一个

RC

电路，R

用来消耗电路中的电能，防止

RLC

振荡，C

用来缓冲电机两端的电压，防止电压突变。图

3-4

电机两端RC

保护电路除此之外，主电路中还应该设计保险，当系统出现异常之后，能立即断电保护主电路。3.4

直流电源电路由于运放和触发电路中的器件均需要使用直流电源，所以电路中包含直流电源部分。直流电源需要先经过整流，滤波，稳压最后得到+15V和-15V

的电源。整流桥使用的是桥式整流电路，滤波电路使用的是大容量电解电容。稳压使用的是

78

系列的线性稳压芯片

7815和

7915芯片。-4

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计图

3-5

整流稳压电路3.5

VT

触发电路晶闸管是半控器件，导通需要触发脉冲。触发脉冲可以使用模拟电路搭建，但是稳定性不可靠，因此实际电路中多使用集成电路。由于

VM

系统正在被

PWM

系统替代，网上的这方面的资料匮乏，所以这里使用一个虚拟的触发脉冲产生器件。实际中，产生的脉冲不是单窄脉冲还是双脉冲或者单宽脉冲。这样可以保证导通的晶闸管均有脉冲。图

3-6

VT

脉冲触发电路-5

-3.6

ASR

控制电路转速调节器

ASR

调节转速，用电流调节器

ACR

调节电流。ASR

与

ACR

之间北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计实现串级连接，即以

ASR

的输出电压

Ui

作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR

的输出电压

Uc

作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构上看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态性能，转速和电流两个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的

PI

调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。ASR

是转速调节器，一般为了有较高的精度，使用

PI调节器。PI

调节器的传递函数为：ASRW

s(s)

Kn(ns

1)nASR

的加入使外环转速环成为

II

型系统环节，所以可对负载变化产生的扰动起主要抗扰作用，且由于

ASR

作为

ACR

的输入，使得转速

n

很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。通常，调节器输出的限幅方法有三种，一种是采用二极管钳位的外限幅电路，一种是采用二极管钳位的负反馈内限幅电路，第三种是采用晶体三极管负反馈内限幅电路。在这里，我们采用第一种限幅方式，即二极管钳位的外限幅电路。图

3-7

二极管钳位限幅电路图

3-8

稳压管钳位的外限幅电路-6

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计由于

PI

调节器的传感器的传递函数可以知道，PI

调节器在模拟电路中表现为比例放大电路和积分电路。图

3-9

ASR

控制电路图中

R3

为滑动变阻器，是转速的设定端。这个信号经过放大后，与实际的转速信号进行比较，所得差分信号，然后对差分信号进行比例积分运算。得到信号必须要进行限幅，这里使用的是二极管钳位限幅。3.8

ACR

控制电路ACR

为电流调节器，为了获得良好的静、动态性能，电流调节器一般均采用

PI调节器。由图可知，ACR

的传递函数为：ACR-7

-iWs(s)

Ki(i

s

1)ACR

的加入使作为内环的电流环成为

I

型系统环节，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输量）变化，实现了时间最优控制。同

ASR

调节器一样，PI

调节器包含一个比例环节和一个积分环节。用模拟电路实现的方式如下：北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计图

3-10

ACR

控制电路上面电路中，U*i

为电流的设定值。该信号经过放大之后与实际电流值进行比较。所得的信号进行比例积分计算，其输出信号为

Uc即整流电路的控制信号。同样为了限制输出上限和下限，使用了二极管钳位电路。3.9

电流检测电路电枢电流检测的方法有多种，这里使用点数串联电阻的方法。图

3-11

电流检测电流检测电路上图是一个差分信号放大电路，放大的信号经过一个电压跟随器输出。输出的信号作为电流环的反馈信号。上图的计算公式为：R25U

ධ

U ×

R24

—

Ui d1 d2×

R27R29-8

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计3.10

转速检测电路控制电路最终的控制的目标就是电机的转速。因此，任何电机调速系统中，必定存在转速检测电路。检测电机的转速有多种方式，数字电路中有码盘电路，或者编码器，在模拟电路中一般使用测速电机。测速电机的返回的电压信号会随着电机转速的增加而增加。图

3-12

转速检测电路-9

-4

系统工作原理内环是电流控制环，一般将其设计为PI

调节器，整个回路是I

型系统。内环的输入是外环转速环的输出。突然上电的时候，系统突然给定电压U×

后，由于实际转速为零，n所以外环的输出信号会很快增加到输出允许的最大的值。此时，ASR

很快进入并保持饱和状态，ACR

一般不饱和。启动之后的第二阶段，ASR

始终是饱和的，转速环相当于开环。此时点数电流达到了启动允许的最大值，电机的速度呈线性增加。这也是启动过程的主要部分。当转速上升到允许的最大值时，转速调节器ASR

的输入偏差为零，但是其输出却in由于积分作用还维持在限幅值U×

，所以电机仍然在加速超调。转速超调后，ASR

输入的偏差电压变负值，使ASR

退出饱和状态，U×和Id很快下降。但是只要Id仍然大于负载i电流Idl，转速就继续增加，直到Id

ධ

IdL时，转矩Te

ධ

TL。此后，电机的转速开始在负载的阻力下开始下降。最后几经振荡之后到达稳态。北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计当电机的转速受到干扰之后，外环的传送器检测到转速信号与设定值进行比较，经过ASR

得到偏差信号，传送到ACR

环节调节后得到Uct，于是调节整流电路的导通角，调整电枢电流，最后使电机速度达到设定值。调节器参数的计算过程参数以及设计要求设计书要求该系统采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机

U

N

=220V，

I

N

=136A，

nN

=1460r/min，电枢电阻

Ra

=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置Ts

=0.00167s，放大系数

Ks

=40；平波电抗器：电阻RP

0.1

、电感LP

4mH

；电枢回路总电阻R=0.5Ω；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5N•m2；电流调节器最大给定值U

=10.2V，转速调节器最大给定值

U

=10.5V；im nm电流滤波时间常数

Toi

=0.002s，转速滤波时间常数

Ton

=0.01s。设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量i

5%

；空载启动到额定转速的转速超调量n

10%

。设计书要求设计直流电机设计转速、电流双闭环调速系统。如图所示：-10

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计图

5-1

双闭环系统框图5.2

相关参数计算eNn 1460电动势系数：C

UN

IN

Ra

220

136

0.2

=0.132V

/

(r

.min1)me

转矩系数：C

30

C

30

0.132

1.26N

m

/

A0.5L 15103电磁时间常数：Tl

R

0.03se

mGD2

R22.5

0.5机电时间常数：Tm

375C

C

0.18s375

0.1321.26*晶闸管整流器滞后时间常数：Ts

0.00167sACR

限幅输入：Uim

10.2V*ASR

限幅输入：Unm

10.5V电枢回路最大电流：

Idm

IN

1.5IN

204

A*204U 10.2电流反馈系数：

im

Idm

0.05V/

A*U 10.5nN 1460转速反馈系数：

im

0.00719Vmin/

r电流环的设计5.3

电流环设计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，即E≈0。图

5-2

电流环系统框图-11

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成*iU(s)

/

，则电流环便等效成单位负反馈系统最后，由于Ts

和

T0i

一般都比Tl

小得多，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

T∑i

=

Ts

+

Toi

。图

5-3

电流环系统框图从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由上图可以看出，采用

I

型系统就够了。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的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型

I

型系统。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i

Tl

，则电流环的动i-12

-i

sIRKK

态结构图便成为下图所示的典型形式，其中K

电流滤波时间常数：Toi

0.002s调节器参数：i

Tl

0.03sTi

Ts

Toi

0.00167

0.002

0.00367s电流环开环增益：要求i

5%

时，应取KIT

i

0.5

，因此：北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计IKT 0.00367

i

0.5

0.5

136.24s

1i2K

TTl

R 0.03

0.5K

1.022s

12

0.05

40

0.00367s

iACR

的传递函数为：ACRW(s)

Ki

(i

s

1)

1.022

(0.03s

1)

34.07(0.03s

1)

1

34.07i

s 0.03s s s4、校验近似条件：ci

I电流环截止频率：

K

136.24s1（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件1 1cis

199.6s1

3T 3

0.00167满足近似条件（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：1 1cim

lT

T3

3

40.82

s1

0.18

0.03满足近似条件（3）电流环小时间常数近似处理条件1 1 1-13

-cim

oi

1

182.39s1

3 T

T 3 0.00167

0.002满足近似条件实际电路的搭建如下图：北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计图

5-4

电流环模拟电路U

*

—为电流给定电压；–Id

—为电流负反馈电压；Uc

—电力电子变换器的控制电压。iiiRR电流调节器电路参数的计算公式：

K

0

，i i i oi 0

oi4

RC，T

1

R

C取R0

=100

K

，电流环校正为典型I

型系统时：Ri

R0

Ki

100

1.022

102.2K

100K

iiR 100C

i

0.03

0.3F1icli1

i

s2

s

1s(Ti

s

1) KI KIKI T

15.4

转速环设计电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。KIId

(s) s(Tis

1)W(s)

U

*

(s)

/

1cli1s

1KI忽略高次项，上式可降阶近似为

：W

(s)

cn-14

-3 TKIi近似条件可由式（2-52）求出

：

1式中cn

—

转速环开环频率特性的截止频率。北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计i接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为

U*

(s)，因此电流环在转速环中应等效为11i

s

1KIId(s)

Wcli(s)

U

*

(s) 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。2、转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图中的电流环后，图

5-5

双闭环调速系统的动态结构图整个转速控制系统的动态结构图便如图所示：图

5-6

转速控制系统的动态结构图和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*

(s)/，再把时间常数为

1

/

KI

和

T0n

的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常non-15

-IK数为的惯性环节，其中TT

1

n北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器

ASR

中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此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

型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR

也应该采用PI

调节器，其传递函数为：WnASR

s(s)

Kn(ns

1)式中Kn

—

转速调节器的比例系数；n

—

转速调节器的超前时间常数。n

n e

m

n

n

e

m

nW(s)KnR(ns

1)这样，调速系统的开环传递函数为：R

s CTs(Ts

1) CTs2(Ts

1)Kn(n

s

1)

n e

mNC

TKnR令转速环开环增益为K

nns2(Ts

1)则W

(s)

KN(ns

1)图

5-7

校正后系统结构3、转速调节器参数的选择综合系统和特性考虑，选取h=5，有：IK

i电流环等效时间常数：

1

2T

0.00734s转速滤波时间常数：Ton

0.01s1-16

-ononIK转速环小时间常数：T

T

2T

T

2

0.00367

0.01

0.01734sn iASR

的超前时间常数为：n

hT

n

5

0.01734

0.0867s北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计26N2h2T

nh

1可求得转速环开环增益：

K

399.1s

22

25

0.01734可得ASR

的比例系数为：nK

11.43

(h

1)CeTm

6

0.05

0.132

0.182hRTn 2

5

0.00719

0.5

0.017341cn N

n截止频率：

KN

K

399.1

0.0867

34.6s

1ASR

传递函数为：ASRW(s)

Kn

(ns

1)

11.43(0.0867

s

1)

131.8(0.0867

s

1)

1

131.8ns 0.0867s s s4、校验近似条件：（1）电流环传递函数简化条件为：3 3 0.00367cnT

i1 KI

1 136.24

64.2s1

满足简化条件（2）转速换小时间常数近似处理条件为：3 3 0.01cnTon11 KI

1

136.24

38.9s

满足近似条件5.转速调节器的实现-17

-北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计图

5-8

含给定滤波与反馈滤波的

PI

型电流调节器U*

—为转速给定电压；-n

—为转速负反馈电压；U*

—调节器的输出是电流调节n i器的给定电压。nR转速调节器电路参数的计算公式：

K

Rn0

，n nn on

0

on4

R

C

，T

1

R

C取R0

=100

K

，转速环校正为典型II

型系统时：Rn

R0

Kn

100

11.43

1143K

1100K

niR 1100C

n

0.0867

0.078