運動控制課設(shè)

1、武漢理工大學(xué)運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書學(xué) 號： 0121211360302課 程 設(shè) 計題 目PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及matlab仿真學(xué) 院自動化學(xué)院專 業(yè)自動化卓越工程師班 級自動化卓越1201班姓 名袁韜指導(dǎo)教師曹雪蓮2015年6月5日目錄 摘要2PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及matlab仿真驗證31. 設(shè)計任務(wù)31.1. 初始條件31.2. 需要完成的主要任務(wù)42. 系統(tǒng)設(shè)計的原理42.1. 雙極式PWM調(diào)速原理42.2. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖62.3. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖72.4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖73. 控制電路的設(shè)計93.1. 系統(tǒng)參數(shù)的選取93.1.1

2、. 整流裝置平均失控時間93.1.2. 電流濾波時間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)93.1.3. 反饋系數(shù)的確定93.1.4. 電動勢常數(shù)93.2. 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計103.2.1. 確定時間常數(shù)103.2.2. 選擇電流環(huán)的結(jié)構(gòu)103.2.3. 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)113.2.4. 校驗近似條件113.3. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計123.3.1. 確定時間常數(shù)123.3.2. 選擇轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)123.3.3. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)133.3.4. 檢驗近似條件143.3.5. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算144. 采用MATLAB對系統(tǒng)進行仿真154.1. 系統(tǒng)空載穩(wěn)定運行時的仿真系統(tǒng)154.

3、2. 穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線17心得體會195. 參考文獻20摘要雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降較小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電

4、流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，我們希望在電機最大電流限制的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的 。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快啟動過程。關(guān)鍵詞：PWM脈寬直流調(diào)速仿真 直流調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)定運行時磁場突然減半PWM脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及matlab仿真驗證1. 設(shè)計任務(wù)1.1. 初始條件轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)控制的H型

5、雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，已知：直流電動機：，允許過載倍數(shù)；時間常數(shù)： ；PWM環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)：電樞回路總電阻：；電樞電阻調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓設(shè)計要求穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：在負載和電網(wǎng)電壓的擾動下穩(wěn)態(tài)無靜差。動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。1.2. 需要完成的主要任務(wù)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)主要是合理地選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以使系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足生產(chǎn)工藝要求，穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算是調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計的第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本組成，然后通過動態(tài)設(shè)計使系統(tǒng)性能滿足要求。2. 系統(tǒng)設(shè)計的原理2.1. 雙極式PWM調(diào)速原理可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（也就是H型）電路，如圖2-1所

6、示，電動機M兩端電壓的極性隨全控型電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)而改變。雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時，,電樞電流沿回路1流通；當(dāng)時，驅(qū)動電流反號，沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，。因此，在一個周期內(nèi)具有正負相同的脈沖波形，這就是雙極式的由來。2.2. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，在用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作電流內(nèi)環(huán)；速度換在外邊，稱作轉(zhuǎn)速外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.3. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，兩個調(diào)節(jié)器均采用

7、帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。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（輸出未到達限幅值）。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關(guān)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，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)器飽和與不飽和的兩種情況。

8、2.4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(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)框圖中必須把電流顯露出來。電機的啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了飽和、退飽和、不飽和三種狀態(tài)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形如圖所示如圖4所示，電機的啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和和過飽和三種情況：第一階段（0）電流上升階段：在t=0時，系統(tǒng)突加階躍給定信號，在ASR和ACR兩個PI調(diào)節(jié)器的作用下， 很快上升，在上升到之前，電動機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速為零。當(dāng) 后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，ASR輸入偏差電壓仍較大,ASR很快進

9、入飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。直到。第二階段（）恒流升速階段；恒流升速階段ASR調(diào)節(jié)器始終保持在飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)仍相當(dāng)于開環(huán)工作。系統(tǒng)表現(xiàn)為使用PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的給定值就是ASR調(diào)節(jié)器的飽和值，基本上保持電流不變，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸增的斜坡擾動量，系統(tǒng)做不到無靜差，而是略低于。第三階段（）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。n上升到了給定值n*，=0。因為大于，電動機仍處于加速過程，使n超過了n* ，稱之為起動過程的轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了<0，ASR退出飽和狀態(tài)，和很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到t=t3時，= ，轉(zhuǎn)速才到達峰值。在t3t4時間內(nèi)，<

10、;，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩的過程。 在第III階段中， ASR和ACR都不飽和，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。根據(jù)脈寬調(diào)制變換器的工作原理，當(dāng)控制電壓改變時，PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期才改變，它的延時最大不超過一個開關(guān)周期T。由于在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，PWM變換器的開關(guān)頻率較高，因此常將PWM變換器的滯后環(huán)節(jié)看作一階慣性環(huán)節(jié)，于是其動態(tài)模型可用一階慣性環(huán)節(jié)和一個純比例環(huán)節(jié)的串聯(lián)來描述，其傳遞函數(shù)為 式中，為PWM變換器輸出電壓，為PWM變換器控制電壓。3. 控制電路的設(shè)計3.1. 系統(tǒng)參數(shù)的選取3.1.1. 整流裝置平均失控時間設(shè)定PWM

11、的開關(guān)頻率為10KHZ，故H型雙極式PWM整流器平均失控時間 3.1.2. 電流濾波時間常數(shù)和轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)H橋式電路每個波頭的時間為0.1ms，為了基本濾除波頭，應(yīng)有，因此取。根據(jù)所有發(fā)電機紋波情況，取。3.1.3. 反饋系數(shù)的確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：電流反饋系數(shù)：3.1.4. 電動勢常數(shù)3.2. 電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計3.2.1. 確定時間常數(shù)電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取3.2.2. 選擇電流環(huán)的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型 系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)見式 電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù) 檢查對電源電壓的抗擾性

12、能：，參看表32的典型 系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的。 3.2.3. 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，按表31,應(yīng)取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為由以上計算可得電流調(diào)節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)為3.2.4. 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1) 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件2) 校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件3) 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件3.3. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計3.3.1. 確定時間常數(shù)1) 電流環(huán)等效時間常數(shù)。已取，則 2) 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)

13、近似處理，取3.3.2. 選擇轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，由于在擾動作用點后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大的問題，那是按照線性系統(tǒng)理論計算的數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會讓超調(diào)量大大降低。由此可見ASR也采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。3.3.3. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)

14、的開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 則 又，因此按照典型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，選取中頻寬h=5可以得到轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益可求出ASR的比例系數(shù)由以上計算可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)為3.3.4. 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足簡化條件2) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件3.3.5. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算能滿足設(shè)計要求。4. 采用MATLAB對系統(tǒng)進行仿真4.1. 系統(tǒng)空載穩(wěn)定運行時的仿真系統(tǒng)正常情況下系統(tǒng)的仿真框圖如下圖所示這里關(guān)于ACR的限幅需要額外計算 搭建好模型后代入事先計算好的參數(shù)進行仿真，得到轉(zhuǎn)速和電流的波形如下圖所示此波形滿足調(diào)速系統(tǒng)

15、的啟動過程。由下圖可知 轉(zhuǎn)速超調(diào) 故，滿足設(shè)計要求。啟動電流波形如下圖滿足設(shè)計的電流超調(diào)量小于5%。啟動電流和轉(zhuǎn)速都經(jīng)歷了電流上升、恒流升速以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段。轉(zhuǎn)速經(jīng)過超調(diào)之后逐漸穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速n=200附近；電流經(jīng)過經(jīng)過超調(diào)后逐漸穩(wěn)定在 等效負載擾動電流附近，趨近于0，因為是帶空載運行。正常運行時ASR、ACR、的波形如下圖（依次為ASR、ACR、）4.2. 穩(wěn)定運行時電流環(huán)突然斷線在原電路圖電流環(huán)反饋環(huán)節(jié)串入一個乘法器，如下圖所示，Step2初始值設(shè)為1，終值設(shè)為0，延時0.3s，開始電路正常運行，0.3s后電流環(huán)突然斷線。另加額定負載。 系統(tǒng)運行后電流和轉(zhuǎn)速的輸出波形如下圖所示電流環(huán)斷

16、線時ASR、ACR、的波形如下圖（依次為ASR、ACR、）從電流和轉(zhuǎn)速波形可以看出，當(dāng)電流環(huán)斷線后，系統(tǒng)不再穩(wěn)定，產(chǎn)生震蕩。這是因為當(dāng)電流環(huán)斷線時，ACR的輸入不再為0，會有增加，經(jīng)過ACR積分，使得ACR輸出增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速增加，則ASR的輸入減?。ㄐ∮?），使得ASR的輸出減小，既ACR輸入減小，如此反復(fù)，震蕩幅值會一直增加，直到電流和轉(zhuǎn)速的震蕩幅值都飽和。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。當(dāng)電流環(huán)突然斷線，其給定突增，然而這時又沒有反饋，導(dǎo)致系統(tǒng)跟隨性能差，輸出結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而震蕩。心得體會這次運動控制系統(tǒng)設(shè)計，我真正做到了自

17、己查閱資料、完成一個基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與仿真。通過這次課程設(shè)計，我對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深刻的認識，對抽象的知識有了具體生動的理解，學(xué)會了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，能夠掌握轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇和計算。而且使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才能真正提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。單純的上課學(xué)習(xí)到的東西，在腦海里形成的印象也不是很深刻，而且對電路的工作原理也不是特別的了解，但是經(jīng)過了這個課程設(shè)計，通過作圖，仿真，我對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理有了進一步的認識，發(fā)現(xiàn)了新的問題。在設(shè)計過程遇到許多問題和困難，從開始

18、仿真就遇到了困難，始終得不到想要的波形，通過和同學(xué)之間的探討和交流，以及老師的點撥，發(fā)現(xiàn)原來是限幅的地方出現(xiàn)問題，ACR和ASR在積分環(huán)節(jié)處的限幅應(yīng)當(dāng)比整個PI調(diào)節(jié)器之后的限幅值要略小一點。經(jīng)過修正后，果然得出了正確的波形。然后是關(guān)于PWM參數(shù)的選取，只有選取了恰當(dāng)?shù)膮?shù)才能更好的得到更優(yōu)化的波形，同時也讓我知道了基礎(chǔ)知識的重要性。對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，所以在做課設(shè)的過程之中老是需要翻教材，這嚴重影響了我完成課設(shè)的進度。通過這次運動控制系統(tǒng)的課程設(shè)計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學(xué)習(xí)，在此次課程設(shè)計中，我有很多收獲，比如對于matlab軟件有了初步的認識，了解了它強大的功能；再譬如對于論文格式有了一定的了解；還有就是這次課設(shè)將課堂上學(xué)習(xí)的知識運用到了實際中，對于知識的構(gòu)架有了更加深刻的理解，同時起到了復(fù)習(xí)鞏固的作用。使自己的實踐能力有了進一步的提高，對matlab軟件有