直流伺服雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、直流伺服雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計1伺服系統(tǒng)介紹1.1伺服系統(tǒng)的特征伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)給定，所以伺服系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點。同時還需要具備高精度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號(2)功率放大器及控制系統(tǒng)都必須可逆(3)足夠大的調(diào)速范圍及足夠強(qiáng)的低速帶載性能（4）快速的響應(yīng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力1.2伺服系統(tǒng)的組成及性能指標(biāo)伺服系統(tǒng)由伺服電動機(jī)、功率驅(qū)動器、控制器和傳感器四大部分組成，除了位置傳感 器可能還需要電壓、電流和速度傳感器。伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)分為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)，兩者之間既有區(qū)別又有聯(lián) 系。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運行時，伺服系統(tǒng)實際位

2、置與目標(biāo)值之間的誤差，稱做系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟 蹤誤差。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差可分為三類：位置誤差、速度誤差和加速 度誤差。伺服系統(tǒng)在動態(tài)調(diào)節(jié)的過程中的性能指標(biāo)稱為動態(tài)性能指標(biāo)，如超調(diào)量、跟隨速 度及跟隨時間、調(diào)節(jié)時間、振蕩次數(shù)、抗擾能力等。1.3伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型根據(jù)伺服電動機(jī)的種類，伺服系統(tǒng)可分為直流和交流兩大類。本次課程設(shè)計主要介紹 直流伺服控制系統(tǒng)。直流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是直流伺服電動機(jī)，中小功率的伺服系統(tǒng)采用直流永磁式伺 服電動機(jī)，當(dāng)功率較大時，可以采用電勵磁的直流伺服電動機(jī)，直流無刷電動機(jī)與直流電 動機(jī)。其控制對象的數(shù)學(xué)模型將在后面具體介紹。2.設(shè)計內(nèi)容介紹直流調(diào)速是指

3、人為地或自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點,使電動機(jī)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普通的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán), 其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)距控制, 同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定 下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是 20世紀(jì)60年代在國外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。70年

4、代以來,在我國的冶金、機(jī)械、制造以及印染工業(yè)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)、功率元件技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的發(fā)展，伺服控制直流電 動機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器。本次設(shè)計主要就是設(shè)計一個直流伺服 雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)圖如下*圖2-1雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3直流伺服系統(tǒng)控制3.1直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是直流伺服電動機(jī)，中小功率的伺服系統(tǒng)采用直流永磁式伺服電動機(jī)，當(dāng)功率較大時，可以采用電勵磁的直流伺服電動機(jī)，直流無刷電動機(jī)與直流電 動機(jī)。直流伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型與調(diào)速電動機(jī)無本質(zhì)的區(qū)別?？刂茖ο蟮臄?shù)學(xué)模型為:d mdtjdCtd

5、tJdId1dtTdUd0IdIdCel"dt式中J -系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量TUdoI sLKsTs Uc-Ud0Tl系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩機(jī)械傳動及湊的傳動比電樞回路電磁時間常數(shù)由上式知，電樞電流Id受到感應(yīng)電動勢E或轉(zhuǎn)速的影響，采用電流閉環(huán)控制可以有效抑制感應(yīng)電動勢或轉(zhuǎn)速的擾動，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),限制最大的起、制動電流。電流閉環(huán)控制的作用和電流環(huán)的設(shè)計與直流調(diào)速系統(tǒng)相同。3.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)模型在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，因速度伺服系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)沒有本質(zhì)上的區(qū)別，因此直流伺服系統(tǒng)的模型可以參考雙閉環(huán)直流調(diào)速系 統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，而且以后分

6、析電流和速度調(diào)節(jié)器時，均借助直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖。如下圖為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖中WASR(s和WACR(s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)。如果采用PI調(diào)節(jié)器。圖3-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.3直流伺服雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.3.1伺服電動機(jī)與功率驅(qū)動器伺服電動機(jī)是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在小功率伺服系統(tǒng)中多采用永磁式伺服電動機(jī), 在大功率或較大功率的情況下也可采用電勵磁的直流或交流伺服電機(jī)。從電動機(jī)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型看來，伺服電動機(jī)和調(diào)速電動機(jī)無本質(zhì)上的區(qū)別，一般來說，伺 服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量小于調(diào)速電動機(jī)，低速和零速帶載能力優(yōu)于調(diào)速電動機(jī)。3.3.2控制器控制器

7、是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，伺服系統(tǒng)的控制規(guī)律體現(xiàn)在控制器上，控制器應(yīng)根據(jù) 位置給定信號和反饋信號，經(jīng)過必要的控制算法，產(chǎn)生功率驅(qū)動器的控制信號。與調(diào)速系 統(tǒng)一樣，伺服系統(tǒng)也經(jīng)歷了從模擬控制到數(shù)字控制的發(fā)展過程。3.3.3位置傳感器精確而可靠地發(fā)出速度給定信號并檢測被控對象的實際速度是速度伺服系統(tǒng)工作良 好的基本保證。位置傳感器將具體的直線或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成模擬的或數(shù)字的電量，再通過 信號處理電路或相關(guān)的算法，形成與控制器輸入量相匹配的速度信號，然后根據(jù)速度偏差 信號實施控制，最終消除偏差。3.3.4調(diào)節(jié)器的設(shè)計內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器（電流調(diào)節(jié)器）：作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟

8、隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。(2)對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。(4) 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。外環(huán)調(diào)節(jié)器(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。(2)對負(fù)載變化起抗擾作用。(3)其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。由此可以得到雙閉環(huán)速度伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下:圖3-2雙環(huán)速度伺服系統(tǒng)4系

9、統(tǒng)參數(shù)設(shè)計4.1電機(jī)參數(shù)Pn=2.6kw,Un=220V,ln=5A,Nn=980r/min，允許過載倍數(shù)1.5Ce 0.210v/min/r他勵電壓：220V 時間常數(shù)：Tl 0.028s,Tm 0.17s三相橋式整流電路，晶閘管裝置前置放大系數(shù)： Ks 38速度反饋系數(shù):0.0102/ min/r電流反饋系數(shù)：O.OW/A4.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的時候，首先要考慮應(yīng)該把系統(tǒng)校正成哪一類的典型系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)要求上看，我們希望電流無靜差， 以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求,電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。所以其傳遞函數(shù)是:Wacr（S）Ki( i 1)其中K

10、i為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)i為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)(1)確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。按照晶閘管整流器的失控時間表，知三相橋式電路的平均 失控時間Ts 0.0017s。電流濾波時間常數(shù)T0i。三相橋式電路每個波頭的時間是 3.3ms,為了基本濾平波頭,應(yīng)有（12）T0i 3.33ms，因此取 J 2.3ms 0.0023s。i Ts Toi0.004s。電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時時間常數(shù)近似處理，取T i T(2) 參數(shù)計算電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)iTl0.028s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i 10%時，按表“典型I系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系”，應(yīng)取KiT iKi0.5，

11、因此0.50.511s 125s T i 0.004于是，ACR的比例系數(shù)為:iKi 3Ks125 O.。28 2.84.3038 0.06(3) 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:ci K,125s1校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件1 1196.1s 1 Wei3Ts 3 0.0017s 滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3 V 0.17s 0.028s 43.48Sei滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件丄 1 : 168.6s 1 ei3VTsToi3 V 0.0017s 0.0023s滿足近似條件。(5) 計算調(diào)節(jié)器電容和電阻按所用運算放大器取R3=40k，各電阻

12、和電容值為CiKiR04.3 40 k 172k ,i0.028 L cc L3 F 0.2 FRi 172 10取 172K取 0.2 FC4Toi4 0.0023 廠Coi/ 小3 廠40 10R00.23F,取 0.23 F4.3%5%，滿足設(shè)計要求。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為4.3速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(1)確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/Ki。由前述已知，K,Ti0.5，2T i 2 0.004s0.008sKi轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton，根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton 0.01s.轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取Ton 0.008s 0.01s0

13、.018s(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為Ki( i 1)Wasr(S)(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，先取 h=5,則ASR勺超前時間常數(shù)為n hT n 5 0.018s0.09s則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K h 1K N222h2T n22 s 1370.4s 12 52 0.0182可得ASR的比例系數(shù)為K (h 1) CeTmn 2h RT n6 0.006 0.210 0.172 50.0102 2.8 0.018 2.5式中電動勢常數(shù)CeUn I N RgnN220 5 2.80.210V.min/r。980(4)檢驗近似條件轉(zhuǎn)速截止

14、頻率為：Kcn Kn n 370.4 0.09s 11電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：33.3s 1船 3/ 58'9s'轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：cn滿足簡化條件。1 叵 1 25 1 3憶 3|001S37.3s 1cn滿足近似條件。(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取Ro 40k ，則RnKnR。2.540K100K ,CnnRn，0.09100 103 F0.9 FCon4Ton4 0.01 廠3廠R040 103(6) 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查表典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)可得n 36.7%，不能滿足設(shè)計要求。但是實際情況是,上表是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時

15、,ASR飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按 ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。(7) 退飽和超調(diào)量的計算設(shè)理想空載起動時，負(fù)載系數(shù)Z 0，已知In 5A，nN 980r/min，1.5 ,R 2.8，0.018s。當(dāng)h 5時，由附表6.4查得,81.2%Ce 0.210Vmin/r ,Tm 0.17s , T nCmax / CbZ) nN T n n* Tm而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降C max nb 2 Cmax(Cb n *Cb調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降nNI nR 5 2.8Ce0.21066.7r/mi n;n為基準(zhǔn)值,對應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速nN 980r/min。計算得2

16、81.2% 1.5鬻需 1.7% 10%滿足設(shè)計要求。5電路設(shè)計5.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計如圖所示，圖中的U*i為電流給定電壓,Id為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)壓器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓U根據(jù)運算放大器的電路原理，可以很容易導(dǎo)出KiToi旦RoRiCiRoCoi4從而計算調(diào)節(jié)器的具體電路參數(shù)。UfO-OI-0/d圖5-1含給定濾波與反饋濾波的5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計balPI型電流調(diào)節(jié)器如圖所示，圖中Un為轉(zhuǎn)速給定電壓, 電流調(diào)節(jié)器的給定電壓 U *in為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電容的關(guān)系為從而計算調(diào)節(jié)器的具體參數(shù)。OKnTonICon2 學(xué)ono一 cm瓦RnCnR0 Con4nR 口1;111>U；AA+bal圖5-2含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器6小結(jié)，心得及體會通過這次課程設(shè)計讓我更加了解了運動控制系統(tǒng)這門專業(yè)課在實際解決問題時候.這一系列的經(jīng)歷.對以后的工作和學(xué)習(xí)也有的應(yīng)用，通過對實際的問題轉(zhuǎn)化為模型分析進(jìn)而運用軟件進(jìn)行分析 讓我體會到了自己動手解決問題的重要和收獲知識的喜悅 著巨大的激勵作用。雖然課程設(shè)計只有短短的 2周，但是讓我收獲良多。 通過對課設(shè)問題的解決過程,在不知不覺之中鍛煉了我的實際運用知識的能力。也強(qiáng)化了我對課本知識的認(rèn)識，在設(shè)計的過程中，通過查閱資