直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

1、摘要從直流電動機的工作原理入手，建立雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能，且利用Simulink對系統(tǒng)進行各種參數(shù)給定下的仿真。關鍵詞：雙閉環(huán)；直流調速系統(tǒng)；Simulink仿真 目 錄1 設計目的及意義32 工作原理32.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成與原理32.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析32.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖32.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型32.5調節(jié)器的具體設計32.6速度環(huán)的設計32.7雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真33 方案設計與論證34 系統(tǒng)硬件設計34.1主電路34.2控制電路34.3驅動電路錯誤！未定義書簽。4.4反饋和保護電路35

2、 系統(tǒng)調試36 心得體會3參 考 文 獻31 設計目的及意義本設計從直流電動機的工作原理入手，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計參數(shù)進行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調速系統(tǒng), 采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎。應掌握轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；從起動和抗擾兩個方面分析其性

3、能和轉速與電流兩個調節(jié)器的作用；應用工程設計方法解決雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中兩個調節(jié)器的設計問題，等等。通過對轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調速系統(tǒng)的基本理論及相關內容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。2 工作原理2.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成與原理圖2.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理圖電動機在啟動階段,電動機的實際轉速(電壓)低于給定值,速度調節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送

4、入電流調節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉電流)可以通過整定速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉速上升到給定轉速后, 速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調節(jié)器和電流調節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調節(jié)開始起作用。對負載引起的轉速波動,速度調節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調節(jié)器、電流調節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應變化,從而校正和補償電動機的轉速偏差。另外電流調節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠對因電網(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速

5、調節(jié),可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行。2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析分析靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（1）轉速

6、調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， （2-1） （2-2）由第一個關系式可得： （2-3）從而得到圖2.2所示靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，可知，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到。一般都是大于額定電流Idn的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。（2）轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值Uim*，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時： （2-4）其中，最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB

7、段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果,則,ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm*時表現(xiàn)為轉速無靜差,這時,轉速負反饋起主要的調節(jié)作用,但負載電流達到Idm時,對應于轉速調節(jié)器的飽和輸出Uim*,這時,電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動保護.這就是采用了兩個PI調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖2.2中虛線。圖2.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性2.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖

8、如圖2-6所示，分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。圖2.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。2.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引

9、出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。繪制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如下：圖2.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖2.5 調節(jié)器的具體設計本設計為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下：1)晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=30;2)電樞回路總電阻R=0.18;3)時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)T1=0.012s;4)機電時間常數(shù)Tm=0.12s;5)調節(jié)器輸入電阻R0=20;設計指標：1)靜態(tài)指標：無靜差；2)動態(tài)指標：電流超調量；空載起動到額定轉速時的轉速超調量。計算反饋關鍵參數(shù)： (3-1) (3-2) （1）確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)；Ts

10、=0.0022s。電流濾波時間常數(shù): Toi=0.002 s（三相橋式電路每個波頭是時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小時間常數(shù)近似處理。(Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求：%5%，且可按典型型設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調節(jié)器設計成PI型的.檢查對電源電壓的抗擾性能:（3）選擇電流調節(jié)器的參數(shù)ACR超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益: (3-3) ACR的比例系數(shù): (3-4) （4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:=Ki=13

11、5.1S-11）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： (3-5) 即 (3-6)滿足近似條件；2) 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： (3-7) 即 (3-8) 滿足近似條件；3) 小時間常數(shù)近似處理條件：， (3-9) 即= (3-10) 電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為：，也滿足設計要求。2.6 速度環(huán)的設計1）確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù) (3-11) （2）轉速濾波時間常數(shù)Ton=0.014s(3)轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理 (3-12) 2）選擇轉速調節(jié)器結構按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉速無靜差,還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié),因此需

12、要由設計要求，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設計PI調節(jié)器。典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標見附錄表三。3）選擇調節(jié)器的參數(shù) (3-13) 轉速開環(huán)增益： (3-14) ASR的比例系數(shù)： (3-15) （4）近似校驗轉速截止頻率為： (3-16) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： (3-17)（5）檢驗轉速超調量當h=5時，,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計算超調量:，滿足設計要求。2.7 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電流環(huán)仿真圖如圖2.5所示：圖2.5 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電流環(huán)仿真圖仿真結果如下：圖2.6 轉速電流曲線圖藍線為電機轉速曲線，綠線為電機電流曲線。加電流啟

13、動時電流環(huán)將電機速度提高，并且保持為最大電流，而此時速度環(huán)則不起作用，使轉速隨時間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉速換起主要作用，保持轉速的穩(wěn)定。3 方案設計與論證主電路模塊原理框圖圖3.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路圖主電路模塊的主要功能是通過PWM變換器得到可調的直流電壓，為直流電動機供電；檢測模塊包括轉速、電流和溫度的檢測，轉速和電流檢測為系統(tǒng)提供轉速和電流負反饋的信號；溫度檢測的目的是為了保護PWM變換器和電機；鍵盤、顯示與報警模塊（由單片機控制）負責轉速的給定和實時顯示，以及故障的聲光報警；通信模塊負責DSP與PC之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的計算機監(jiān)控；DSP系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心

14、，它負責整個系統(tǒng)的管理和控制。4 系統(tǒng)硬件設計4.1 主電路電動機的電源控制電路采用橋式整流電路對三相電源進行整流，整流后通過IGBT對電機的電壓進行控制，利用電流互感器對主電路電流進行電流反饋和過電流保護。為了使電路中的電流變得更加平緩，故在主電路當中加入了平波電抗器，變流器在最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續(xù)時電抗器電感量L按下式計算。在三相整流橋當中K取1.12，則L=200mH。電機的主電路如圖4.1所示圖4.1 主電路電路圖4.2 控制電路圖4.2轉速調節(jié)器PI環(huán)節(jié)電路按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計算如下： (4.1) （4.2） （4.3）按照上述參數(shù)，電流

15、環(huán)可以達到的動態(tài)指標為i%=4.5%5%，能滿足設計要求。4.3 反饋和保護電路電流反饋與過流保護電路的主要功能是檢測主電源輸出的電流超過某一設定值時發(fā)出過流信號切斷控制屁輸出主電源。電流反饋與過流保護電路的設計思想是利用電流互感器從電機主電路中獲取主電路中電流的參數(shù)并反饋到電流調節(jié)電路當中，使電路擁有電流反饋和過流保護的作用。電流反饋與過流保護電路如Error! Reference source not found.所示圖4.4 電流反饋與過流保護電路RP7的滑動抽頭端輸出作為電流反饋信號，從If端輸出到電流調節(jié)器，反饋系數(shù)從RP7中進行調節(jié)。而過流動作電流的大小設定由RP8的滑動觸頭位置決

16、定。該電路當中設有過流復位電流，當系統(tǒng)過流后能手動進行復位或讓系統(tǒng)通過一段時間后自動復位，當系統(tǒng)過流后能啟動報警裝置，進行報警系統(tǒng)調試。對雙閉環(huán)可逆PWM直流調速系統(tǒng)進行實驗驗證。從鍵盤給系統(tǒng)輸入給定的轉速值, 通過系統(tǒng)調節(jié)和控制, 對電機實際轉速進行測量, 將實際測得的轉速顯示在LED顯示器上。穩(wěn)態(tài)時, 比較給定值和實測值, 結果如表5-1所示。表5-1 實驗結果表設定值（轉/分）2005001000150002000250030003500測量值（轉/分）18248799315061996249830023499利用MATLAB軟件得仿真結果如圖5.1所示圖5.1 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調速系

17、統(tǒng)仿真結果5 心得體會通過這次課程設計，我對課本上的知識有了一個更加深入的了解，通過實踐加深了我對理論知識的了解，也讓我更加懂得合作的珍貴性。 當我們拿到課程設計題目時，我們進行了明細的分工，形成了以張凱為組長的責任制度。首先我們組對課程設計作了初步的探討，制訂了一個簡略的方案，接下來我們一起去圖書館查閱書籍和網(wǎng)上搜集資料，然后經(jīng)整理分析并結合所學知識，最后制訂了一個具體的方案。在討論過程中，我們組成員積極提供自己的觀點，齊心協(xié)力。在此次課程設計中，我們收獲了喜悅也遭受過挫折。當我們經(jīng)過合作最終一一解決了遇到的所有問題，我們感到無比的高興，信心倍增。但當我們暫時沒有想到解決方法時，我們也經(jīng)歷了情緒低落的時候。不過我們沒有氣餒，而是齊心協(xié)力最終順利完成了此次課程設計。在此，我要感謝所有給過我指導的老師，沒有你們的幫助我們無法順利完成任務，謝謝。參 考 文 獻1 阮毅，陳維鈞. 運動控制系統(tǒng). 清華大學出版社，20022陳伯