運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計畢業(yè)論文

1、運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計 目 錄一、設(shè)計目的及意義3二、工作原理42.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理42.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析52.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖62.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型72.5調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計82.6速度環(huán)的設(shè)計102.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真11三、方案設(shè)計與論證12主電路模塊原理框圖12四、系統(tǒng)硬件設(shè)計154.1主電路154.2控制電路154.3反饋和保護電路16五、心得體會18六、參 考 文 獻19一、設(shè)計目的及意義本設(shè)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(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析

2、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(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，性能特點和設(shè)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(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；從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用；應(yīng)用工程設(shè)計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計問題，等等。二、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)的原理圖電動機在啟動

3、階段,電動機的實際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號,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入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)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(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。在電動機轉(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。對負載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)

4、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,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié),可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時,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：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)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(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時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

5、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(diào)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)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(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，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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，asr輸出達到限幅值uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)

6、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(diào)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(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于idm*時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時,轉(zhuǎn)速負反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負載電流達到idm時,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出uim*,這時,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,得到過電流的自動保護.這就是采用了兩個pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、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，

7、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(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：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)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(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)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(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。2.4雙

8、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)或零極點模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(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)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.5調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計本設(shè)計為雙閉環(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(diào)節(jié)器輸入電阻r0=20;設(shè)計指標：1)靜

9、態(tài)指標：無靜差；2)動態(tài)指標：電流超調(diào)量；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。計算反饋關(guān)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=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(yīng)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(dāng)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(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：%5%，且可按典型型設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成pi型的.檢查對電源電壓的抗擾

10、性能:（3）選擇電流調(diào)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=135.1s-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(shè)計要求。2.6速度環(huán)的設(shè)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(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)ton=0.014s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理 (3-1

11、2) 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,在負載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計要求，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pi調(diào)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(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）近似校驗轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，,不能滿足要求.按asr退飽和的情況計算超調(diào)量:，滿足設(shè)計要求。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

12、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)速電流曲線圖藍線為電機轉(zhuǎn)速曲線，綠線為電機電流曲線。加電流啟動時電流環(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(zhuǎn)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(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。三、方案設(shè)計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，為直流電動機供電；檢測模塊包括轉(zhuǎn)速、電流和溫度的檢測，轉(zhuǎn)速和電流檢測為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)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

13、報警模塊（由單片機控制）負責(zé)轉(zhuǎn)速的給定和實時顯示，以及故障的聲光報警；通信模塊負責(zé)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，它負責(zé)整個系統(tǒng)的管理和控制。l 轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)圖圖4 為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流自動調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩個pi 調(diào)節(jié)器, 一個是用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器( st) , 另一個是用于電流調(diào)節(jié)的電流調(diào)節(jié)器( lt) , 兩個調(diào)節(jié)器串級連接, 其輸出均有限幅, 輸出限幅值分別為usm 和uim。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被調(diào)量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán)( 主環(huán)) , 以保證電動機的轉(zhuǎn)速準確地跟隨給定值, 并抵抗外來的干擾;

14、 把由電流負反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán)( 副環(huán)) , 以保證動態(tài)電流為最大值并保持不變, 使電動機快速地起動、制動, 同時還能起限流作用, 并可以對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。電動機轉(zhuǎn)速由給定電壓ug 來確定, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器st 的輸入m偏差電壓為uis=ug- ufn, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器st 的輸出電壓us 作為電流調(diào)節(jié)器lt 的給定信號( st 輸出電壓的限幅值usm 決定了lt 給定信號的最大值) ; 電流調(diào)節(jié)器lt 的輸入偏差電壓為uic=- us+ufi, 電流調(diào)節(jié)器lt 的輸出電壓uc 作為觸發(fā)電路的控制電壓( lt 輸出電壓的限幅值uim 決定了晶閘管整流電壓的最大值udm) ; uc 控制著

15、觸發(fā)延遲角, 使電動機在期望轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。四、系統(tǒng)硬件設(shè)計待添加的隱藏文字內(nèi)容24.1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(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)速調(diào)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）

16、（4.3）按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為i%=4.5%5%，能滿足設(shè)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(shè)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(shè)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(diào)節(jié)電路當(dāng)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圖所示圖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(diào)節(jié)器，反饋系數(shù)從rp7中進行調(diào)節(jié)。而過流動作電流的大小設(shè)定由rp8的滑動觸頭位置決定。該電路當(dāng)中設(shè)有過流復(fù)位電流，當(dāng)系統(tǒng)過

17、流后能手動進行復(fù)位或讓系統(tǒng)通過一段時間后自動復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)過流后能啟動報警裝置，進行報警系統(tǒng)調(diào)試。對雙閉環(huán)可逆pwm直流調(diào)速系統(tǒng)進行實驗驗證。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, 對電機實際轉(zhuǎn)速進行測量, 將實際測得的轉(zhuǎn)速顯示在led顯示器上。穩(wěn)態(tài)時, 比較給定值和實測值, 結(jié)果如表5-1所示。表5-1 實驗結(jié)果表設(shè)定值（轉(zhuǎn)/分）2005001000150002000250030003500測量值（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)速系統(tǒng)仿真結(jié)果五、心得體會在這次課程設(shè)計個過程中，我們通過對轉(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)