直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，且利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種參數(shù)給定下的仿真。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；直流調(diào)速系統(tǒng)；Simulink仿真 目 錄1 設(shè)計(jì)目的及意義32 工作原理32.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理32.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析32.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖32.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型32.5調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)32.6速度環(huán)的設(shè)計(jì)32.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真33 方案設(shè)計(jì)與論證34 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)34.1主電路34.2控制電路34.3驅(qū)動(dòng)電路錯(cuò)誤！未定義書簽。4.4反饋和保護(hù)電路35

2、 系統(tǒng)調(diào)試36 心得體會(huì)3參 考 文 獻(xiàn)31 設(shè)計(jì)目的及意義本設(shè)計(jì)從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng), 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；從起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析其性

3、能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用；應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題，等等。通過對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對(duì)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(chǎng)合，提高其使用效率。2 工作原理2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理圖2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào),經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送

4、入電流調(diào)節(jié)器, 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào),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(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng),速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)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(yīng)變化,從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速

5、調(diào)節(jié),可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí),迅速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（1）轉(zhuǎn)速

6、調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， （2-1） （2-2）由第一個(gè)關(guān)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(shí)，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(yùn)行段，它是一條水平的特性。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)： （2-4）其中，最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)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?yàn)槿绻?則,ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm*時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí),對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出Uim*,這時(shí),電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動(dòng)保護(hù).這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而，實(shí)際上運(yùn)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(shí)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(diào)速系統(tǒng)的靜特性2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

8、如圖2-6所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。圖2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引

9、出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.5 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)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(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)T1=0.012s;4)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.12s;5)調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=20;設(shè)計(jì)指標(biāo)：1)靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；2)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)： (3-1) (3-2) （1）確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)；Ts

10、=0.0022s。電流濾波時(shí)間常數(shù): Toi=0.002 s（三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小時(shí)間常數(shù)近似處理。(Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：%5%，且可按典型型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的.檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能:（3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益: (3-3) ACR的比例系數(shù): (3-4) （4）校驗(yàn)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(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： (3-7) 即 (3-8) 滿足近似條件；3) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：， (3-9) 即= (3-10) 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計(jì)要求。2.6 速度環(huán)的設(shè)計(jì)1）確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) (3-11) （2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.014s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理 (3-12) 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需

12、要由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) (3-13) 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： (3-14) ASR的比例系數(shù)： (3-15) （4）近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為： (3-16) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： (3-17)（5）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量:，滿足設(shè)計(jì)要求。2.7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)直流調(diào)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(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)仿真圖仿真結(jié)果如下：圖2.6 轉(zhuǎn)速電流曲線圖藍(lán)線為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，綠線為電機(jī)電流曲線。加電流啟

13、動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電流，而此時(shí)速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。3 方案設(shè)計(jì)與論證主電路模塊原理框圖圖3.1雙閉環(huán)直流調(diào)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(diào)的直流電壓，為直流電動(dòng)機(jī)供電；檢測(cè)模塊包括轉(zhuǎn)速、電流和溫度的檢測(cè)，轉(zhuǎn)速和電流檢測(cè)為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋的信號(hào)；溫度檢測(cè)的目的是為了保護(hù)PWM變換器和電機(jī)；鍵盤、顯示與報(bào)警模塊（由單片機(jī)控制）負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速的給定和實(shí)時(shí)顯示，以及故障的聲光報(bào)警；通信模塊負(fù)責(zé)DSP與PC之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控；DSP系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心

14、，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 主電路電動(dòng)機(jī)的電源控制電路采用橋式整流電路對(duì)三相電源進(jìn)行整流，整流后通過IGBT對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行控制，利用電流互感器對(duì)主電路電流進(jìn)行電流反饋和過電流保護(hù)。為了使電路中的電流變得更加平緩，故在主電路當(dāng)中加入了平波電抗器，變流器在最小輸出電流Idmin時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量L按下式計(jì)算。在三相整流橋當(dāng)中K取1.12，則L=200mH。電機(jī)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI環(huán)節(jié)電路按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計(jì)算如下： (4.1) （4.2） （4.3）按照上述參數(shù)，電流

15、環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為i%=4.5%5%，能滿足設(shè)計(jì)要求。4.3 反饋和保護(hù)電路電流反饋與過流保護(hù)電路的主要功能是檢測(cè)主電源輸出的電流超過某一設(shè)定值時(shí)發(fā)出過流信號(hào)切斷控制屁輸出主電源。電流反饋與過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思想是利用電流互感器從電機(jī)主電路中獲取主電路中電流的參數(shù)并反饋到電流調(diào)節(jié)電路當(dāng)中，使電路擁有電流反饋和過流保護(hù)的作用。電流反饋與過流保護(hù)電路如Error! Reference source not found.所示圖4.4 電流反饋與過流保護(hù)電路RP7的滑動(dòng)抽頭端輸出作為電流反饋信號(hào)，從If端輸出到電流調(diào)節(jié)器，反饋系數(shù)從RP7中進(jìn)行調(diào)節(jié)。而過流動(dòng)作電流的大小設(shè)定由RP8的滑動(dòng)觸頭位置決

16、定。該電路當(dāng)中設(shè)有過流復(fù)位電流，當(dāng)系統(tǒng)過流后能手動(dòng)進(jìn)行復(fù)位或讓系統(tǒng)通過一段時(shí)間后自動(dòng)復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)過流后能啟動(dòng)報(bào)警裝置，進(jìn)行報(bào)警系統(tǒng)調(diào)試。對(duì)雙閉環(huán)可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從鍵盤給系統(tǒng)輸入給定的轉(zhuǎn)速值, 通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制, 對(duì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量, 將實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速顯示在LED顯示器上。穩(wěn)態(tài)時(shí), 比較給定值和實(shí)測(cè)值, 結(jié)果如表5-1所示。表5-1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表設(shè)定值（轉(zhuǎn)/分）2005001000150002000250030003500測(cè)量值（轉(zhuǎn)/分）18248799315061996249830023499利用MATLAB軟件得仿真結(jié)果如圖5.1所示圖5.1 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系

17、統(tǒng)仿真結(jié)果5 心得體會(huì)通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)課本上的知識(shí)有了一個(gè)更加深入的了解，通過實(shí)踐加深了我對(duì)理論知識(shí)的了解，也讓我更加懂得合作的珍貴性。 當(dāng)我們拿到課程設(shè)計(jì)題目時(shí)，我們進(jìn)行了明細(xì)的分工，形成了以張凱為組長(zhǎng)的責(zé)任制度。首先我們組對(duì)課程設(shè)計(jì)作了初步的探討，制訂了一個(gè)簡(jiǎn)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(jié)合所學(xué)知識(shí)，最后制訂了一個(gè)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(diǎn)，齊心協(xié)力。在此次課程設(shè)計(jì)中，我們收獲了喜悅也遭受過挫折。當(dāng)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(dāng)我們暫時(shí)沒有想到解決方法時(shí)，我們也經(jīng)歷了情緒低落的時(shí)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(shè)計(jì)。在此，我要感謝所有給過我指導(dǎo)的老師，沒有你們的幫助我們無法順利完成任務(wù)，謝謝。參 考 文 獻(xiàn)1 阮毅，陳維鈞. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng). 清華大學(xué)出版社，20022陳伯