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1、 雙閉環(huán)直流調(diào)速設(shè)計運動控制期中大作業(yè)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 一、設(shè)計要求1.1已知參數(shù)：某轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用橋式可逆PWM變換電路供電已知基本數(shù)據(jù)如下：（1）電動機參數(shù)：=220V,=136A,=1460r/min,=0.2，允許過載 倍數(shù)=1.5；（2）電樞回路總電阻：=0.5；（3）電樞回路總電感：=10mH;（4）電動機軸上的總飛輪力矩：=22.5;1.2設(shè)計指標(biāo)：電流超調(diào)量5%,轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%。二、參數(shù)設(shè)計2.1 基本參數(shù)計算：-電樞回路電磁時間常數(shù):s-電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù): s-電動機在額定磁通下的電動勢系統(tǒng)：2.2 電

2、流環(huán)設(shè)計（1）確定時間常數(shù) PWM變換裝置的時間常數(shù)。三相橋式整流裝置和PWM變換裝置的數(shù)學(xué)模型相同，由于我們采用三相全橋整流電路，則整流部分的延遲時間可以忽略，而PWM裝置的延遲時間與開關(guān)頻率成反比。當(dāng)MOS管的開關(guān)頻率選取為2KHz時， 電流濾波時間常數(shù)。三相全橋電路每個波頭的時間是3.3ms, 為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.3ms, 因此取=2ms=0.002s。 電流環(huán)小時間常數(shù)之和。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計要求電流超調(diào)量，且無穩(wěn)態(tài)靜差。因此采用典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流控制對象是雙慣性型的，所以ACR采用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)如下：檢查對電源電壓的抗性性能：，參

3、看課本表3-2的典I系統(tǒng)運動抗擾性能，各項指標(biāo)都可以接受。（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) ：開環(huán)放大倍數(shù)，查表3-1，為滿足的要求并有較好的靜動態(tài)性能，取KT=0.5,則：電流反饋系數(shù)：則ACR的比例放大系數(shù): （4）檢驗近似條件電流截止頻率： 忽略電動機反電動勢的影響的近似條件 滿足近似條件 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件(4)調(diào)節(jié)器電阻電容計算電流調(diào)節(jié)器原理如圖所示，按所用運放取，各電阻電容值計算如下： ，取 2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計 (1)確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間按常數(shù)（在電流環(huán)中已去KT=0.5）: 轉(zhuǎn)速濾波時間： 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)： (2) 確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)

4、構(gòu)及參數(shù)。轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計為典型系統(tǒng)由于要求轉(zhuǎn)速無靜差，因此ASR應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)如下： 按照跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR超前時間常數(shù)轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 ASR比例系數(shù)(3)校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 滿足條件電流閉環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足條件小時間常數(shù)近似處理條件 滿足條件 (4)計算調(diào)節(jié)器電阻電容2.4 核對轉(zhuǎn)速超調(diào)量由于突加給定是，ASR經(jīng)歷快速飽和和退保和情況，不符合線性條件，不可直接查表3-4得超調(diào)量。應(yīng)按退保和超調(diào)計算：設(shè)計設(shè)時若取h=5，查表3-5有超調(diào)量要求為空載啟動時的參數(shù)取，額定穩(wěn)態(tài)速降 滿足要求代入公式得 滿足要求三、 硬件電路本系統(tǒng)采用MSP430F5

5、438作為主控制回路，其原理圖如附錄一所示。主電路由三相不可控整流、H 橋雙極性直流斬波、泵升電壓電路與直流電動機構(gòu)成。 H橋雙極性直流斬波電路驅(qū)動信號的產(chǎn)生由MSP430F5438控制輸出。轉(zhuǎn)速的檢測采用數(shù)字測速器。它是用 MSP430讀取與電動機聯(lián)軸的光電編碼器輸出的脈沖數(shù), 經(jīng)MSP430計算后得出轉(zhuǎn)速值。泵升電壓的控制經(jīng)與事先設(shè)定值比較后由MSP430出控制信號實時控制啟動泵升電壓電路, 進行能量泄放, 保護主電路。系統(tǒng)利用故障保護引腳P1.1產(chǎn)生的信號, 及時封鎖2路 PWM 信號,以及通過 I/O口控制開關(guān) K1的動作實現(xiàn)保護。該 MSP430控制系統(tǒng)有完善的保護體系。3.1控制器

6、選型方案一：選用STC89C52單片機，51單片機是一款最基本的8位機，它可以通過I/O口輸出一定頻率的PWM信號，但是由于本系統(tǒng)還需要A/D轉(zhuǎn)換模塊作為檢測反饋通道，而51內(nèi)部沒有集成A/D模塊，因此，如果采用此款51單片機，還需要外圍搭建一個A/D轉(zhuǎn)換裝置。方案二：MSP430F5438是一款16位單片機，具有5種時鐘源，最高振蕩頻率可達到40MHz，其內(nèi)部支持一個快速的12位的A/D轉(zhuǎn)換器，最主要的是可以輸出帶死區(qū)的PWM波形，這個有效的防止H橋上下直通的現(xiàn)象。3.2電子元器件的選型圖3-1 橋式可逆PWM系統(tǒng)主電路圖1) 直流母線上的電阻R1，其作用是限流，選用大功率電阻。2) 濾波電

7、容C1和C2選用大容量，高耐壓值的電容，以獲得恒定的直流電壓。假設(shè)電壓由提高到，則電容儲能由假設(shè)電壓由增加到，儲能的增量應(yīng)該等于運動系統(tǒng)在制動時釋放的全部動能，于是所以過高的泵升電壓將超過電力電子器件的耐壓值，因此該濾波電容的耐壓值選用200V。3)制動單元的電阻R2應(yīng)該選用無感電阻，防止制動時電流會有一個方向感抗作用。4）H橋可逆PWM模塊選用型號為IRF540的MOS管，參數(shù)漏源電壓為150V，連續(xù)電流28A，總功耗150W,它內(nèi)部集成了一個反并聯(lián)續(xù)流二極管，其開關(guān)頻率可達到幾百KHz，相比IGBT價格更加便宜。5)MOS管驅(qū)動電路，采用IR2110IR2110是一種高壓高速功率MOSFE

8、T驅(qū)動器，有獨立的高端和低端輸出驅(qū)動通道，其內(nèi)部功能原理框圖如圖1所示。它包括輸入/輸出邏輯電路、電平移位電路、輸出驅(qū)動電路欠壓保護和自舉電路等部分。各引出端功能分別是：1端(LO)是低通道輸出；2端(COM)是公共端；);3端(VCC)是低端固定電源電壓；5端(US)是高端浮置電源偏移電壓；6端(UB)是高端浮置電源電壓；7端(HO)是高端輸出；9端(VDD)是邏輯電路電源電壓；10端(HIN)是高通道邏輯輸入；11端(SD)是輸入有效與否的選擇端，可用來過流過壓保護；12端(LIN)是低通道輸入；13端(VSS)是邏輯電路的地端。圖3-2 IR2110的內(nèi)部原理圖四、數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計4

9、.1 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的控制算法當(dāng)輸入是誤差函數(shù)e（t）、輸出函數(shù)u（t）時，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （4-1）PI調(diào)節(jié)器時域表達式為： （4-2）其中：為比例函數(shù)，為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第K拍輸出為： （4-3）其中：為采樣周期。第拍輸出為： （4-4） 則，增量式PI調(diào)節(jié)器算法為： （4-5）PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得： （4-6）為PI調(diào)節(jié)器的第次輸出值，為第次輸出值；為第次采樣時，給定量和反饋量之間的差值；為第次采樣時，給定量和反饋量之間的差值。4.2 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的控制程序采用MSP430F5438對控制器進行設(shè)計，必須對控制系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)進行校正。按工程設(shè)計方法

10、，電流內(nèi)環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，轉(zhuǎn)速外環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計。結(jié)合調(diào)節(jié)器設(shè)計、H橋雙極性直流斬波控制算法、模數(shù)轉(zhuǎn)換和故障保護，本調(diào)速系統(tǒng)由3部分軟件組成：即主程序、初始化程序和中斷服務(wù)子程序。主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化和其他外設(shè)通信等功能。其流程如圖4-1所示。初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新處理與上位機和其他程序完成硬件工作方式設(shè)定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。其流程如圖4-2所示，中斷服務(wù)子程序主要完成實時性強的功能，如故障保護、PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等。中斷服務(wù)子程序有相應(yīng)的中斷源提出申請，其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的中斷服務(wù)子程序流程如圖4-3所示，電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子

11、程序流程如圖4-4所示。故障保護中斷服務(wù)子程序流程如圖4-5所示。名定義如下：電壓給定為,電壓反饋為，輸出電壓為,前一拍的誤差量為，當(dāng)前拍的誤差量為，前一拍的控制器輸出控制量為，當(dāng)前拍的控制器輸出控制量為；則中斷子程序流程如圖4-1所示。 4-1 主程序框圖 4-2 初始化子程序框圖 圖4-3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序框圖圖4-4電流調(diào)節(jié)程序框圖圖 4-4故障保護程序框圖 2）控制程序/*file mc_control.c /控制類型：PI控制方式，即比例和積分。Type of control:PI means proportionnal,integral./*Speed control variable

12、s*/ /速度控制變量signed int speed_error=0; /!32000)speed_integral=32000; if(speed_integral0) if(increment=192) Duty=increment; else Duty=192; else if (increment-192) Duty=-192; else Duty=increment; returnDuty; /返回占空比 （3）模擬系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器中，比例部分起快速調(diào)節(jié)作用，積分部分起消除穩(wěn)態(tài)偏差；數(shù)字PI調(diào)節(jié)器也具備同樣的功能。四、總結(jié)心得 通過這次設(shè)計，我們將所學(xué)的內(nèi)容與實際相聯(lián)系，對轉(zhuǎn)速電流

13、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有了很直觀的認(rèn)識。將理論知識與實踐對應(yīng)起來，思路和認(rèn)識清晰了許多。以往在設(shè)計或校正系統(tǒng)時只是理論設(shè)計，缺乏直觀的理解。比如PID調(diào)節(jié)器可以對消系統(tǒng)零點，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性；校正慣性環(huán)節(jié)，提高動態(tài)性能等，以往停留在理論甚至公式層面的理解，而通過這次調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，充分理解了PI調(diào)節(jié)器的工作原理和它在實際中與系統(tǒng)的聯(lián)系。對PID調(diào)節(jié)器一下子感覺熟悉了許多。而在設(shè)計工程中，發(fā)現(xiàn)許多實際工程細(xì)節(jié)是我們平時所缺乏的，通過不斷的學(xué)習(xí)，我們將許多所學(xué)的專業(yè)知識在這次設(shè)計中聯(lián)系并整合在一起，在各個專業(yè)課之間建立了聯(lián)系，提高了自己利用專業(yè)知識解決實際問題的興趣，提高了專業(yè)素養(yǎng)和裝也能力。在設(shè)計和學(xué)習(xí)中感謝老