運動控制課程設(shè)計--雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　成績： </b></p><p><b>　　《運動控制系統(tǒng)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　學(xué) 院： 計算機與電子信息學(xué)院 &l

2、t;/p><p>　　班 級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　起止日期：2011年12月2

3、5日～2012年12月31日</p><p>　　運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　已知電機參數(shù)為：PN=500kW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，Ce=1.82V.min/r,電樞回路

4、總電阻R=0.14Ω，允許過載倍數(shù)λ=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)Ks=75，Tl=0.031s，Tm=0.112s，調(diào)節(jié)器輸入輸出最大電壓為10V，設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到最理想的調(diào)速性能。</p><p>　　主要設(shè)計內(nèi)容包括：1、ACR、ASR調(diào)節(jié)器類型選擇與參數(shù)計算。2、系統(tǒng)建模與仿真。3、調(diào)節(jié)器電路設(shè)計。4、主電路設(shè)計。5、反饋電路設(shè)計。6、觸發(fā)電路設(shè)計。7、故障處理電路設(shè)計。</p><p

5、><b>　　設(shè)計步驟</b></p><p><b>　　一、總體方案設(shè)計</b></p><p><b>　　二、參數(shù)初步計算。</b></p><p>　　三、控制系統(tǒng)的建模和MALAB仿真</p><p>　　四、根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整參數(shù)</p><

6、;p>　　五、主電路及控制電路設(shè)計</p><p>　　六、編寫課程設(shè)計說明書，繪制完整的系統(tǒng)電路圖（ A3 幅面）。</p><p><b>　　課程設(shè)計說明書要求</b></p><p>　　1 ．課程設(shè)計說明書應(yīng)書寫認(rèn)真．字跡工稚，論文格式參考國家正式出版的書籍和論文編排。 2 ．論理正確、邏輯性強、文理通顧、層次分明、表達(dá)確切，并

7、提出自己的見解和觀點。</p><p>　　3 ．課程設(shè)計說明書應(yīng)有目錄、摘要、序言、主干內(nèi)容（按章節(jié)編寫）、主要結(jié)論和參考書，附錄應(yīng)有系統(tǒng)方樞圖和電路原理圖。</p><p>　　4 ．課程設(shè)計說明書應(yīng)包括按上述設(shè)計步驟進行設(shè)計的分析和思考內(nèi)容和引用的相關(guān)知</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　

8、　本課程設(shè)計通過對雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的分析，先對其總體方案進行設(shè)計，設(shè)計出其原理圖。接著根據(jù)已知的電機參數(shù)，對電流調(diào)節(jié)器進行I型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行II型系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，一步一步對其進行具體的設(shè)計，并計算出其各個參數(shù)。再根據(jù)時間參數(shù)，調(diào)節(jié)器參數(shù)，調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，在Matlab軟件中的Simulink模塊中建立仿真模型，對其進行模擬仿真，得出仿真波形。再根據(jù)仿真圖，調(diào)節(jié)出更適合工程的參數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：

9、調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán) 參數(shù)計算 仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The curriculum design of the double close-loop DC system analysis, the first of its overall scheme design, design the principle d

10、iagram. Then according to the known motor parameters, the current regulator for type I system regulation, the speed regulator of type II system regulation, step by step to carry on the concrete design, and calculate its

11、parameters. According to the time parameter, regulator, the regulator structure, in the Matlab software in Simulink module of building simulation model</p><p>　　Key Words：Regulator Double Closed-Loop Param

12、eter calculation Simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)書I</p><p><b>　　摘要II</b></p><p>　　ABSTRACTIII</p><p><b

13、>　　目 錄IV</b></p><p>　　第一章 總體方案設(shè)計1</p><p>　　第二章 參數(shù)計算3</p><p>　　2.1 電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計4</p><p>　　2.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的設(shè)計5</p><p>　　第三章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的仿真9</p>

14、<p>　　3.1電流環(huán)的仿真9</p><p>　　3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真10</p><p>　　第四章 電路的設(shè)計11</p><p>　　4.1主電路的設(shè)計11</p><p>　　4.2 單片微機控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)11</p><p><b>　　心得體會13<

15、;/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：14</b></p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　第一章 總體方案設(shè)計</p><p>　　為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行嵌套連接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

16、的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(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，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。</p><p>　　ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—測速發(fā)電機</p><p&

17、gt;　　TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　?。?）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，

18、則可實現(xiàn)無靜差。</p><p>　　（2）對負(fù)載變化起抗擾作用。</p><p>　?。?）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。</p><p><b>　　電流調(diào)節(jié)器的作用</b></p><p>　?。?）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隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。&l

19、t;/p><p>　?。?）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。</p><p>　?。?）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程</p><p>　?。?）當(dāng)電機過載甚至堵轉(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。</p><p>　　第

20、二章 參數(shù)計算</p><p><b>　　原始參數(shù)：</b></p><p>　　已知電機參數(shù)為：PN=500kW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，Ce=1.82V.min/r,電樞回路總電阻R=0.14Ω，允許過載倍數(shù)λ=1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)Ks=75，Tl=0.031s，Tm=0.112s，調(diào)節(jié)器輸入輸出最大電壓為10V，設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)

21、速系統(tǒng)，達(dá)到最理想的調(diào)速性能。</p><p>　　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)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示</p><p>　　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，則有</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速

22、和電流的動態(tài)過程示于右圖。在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個階段。第I階段電流上升的階段（0 ~ t1）第 II 階段恒流升速階段（t1 ~ t2）第 Ⅲ 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）。 </p><p>　　2.1 電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計</p><p>　　在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動

23、態(tài)影響，即E≈0，這時，電流環(huán)如圖2-3（a）所示；再經(jīng)過等效單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2-3（b）；最后經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)近似處理，如圖2-3（c）。 </p><p>　　圖2-3 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡</p><p><b>　　確定時間常數(shù)</b></p><p>　　電流反饋系數(shù)： </p><p>　　

24、整流裝置滯后時間常數(shù)：</p><p>　　對于三相橋式電路，其平均失控時間 </p><p><b>　　電流濾波時間常數(shù)：</b></p><p>　　三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本慮平波頭，應(yīng)有（1—2）=3.33ms，因此取</p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)之和：</p>&l

25、t;p>　　按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p><b>　　電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　電流超調(diào)量，且穩(wěn)態(tài)電流無靜差，電流調(diào)節(jié)器可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，并取參數(shù)</p><p><b>　　計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間參數(shù)： <

26、/p><p><b>　　電流環(huán)開環(huán)增益：</b></p><p>　　則ACR的比例系數(shù)為 </p><p><b>　　校驗近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件

27、</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b>　　滿足近似條件<

28、;/b></p><p>　　取參數(shù)時，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為</p><p><b>　　滿足設(shè)計要求</b></p><p>　　2.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的設(shè)計</p><p>　　先用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-3 中的電流環(huán)，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖就如圖2-4（a）圖；圖2-4（b）是經(jīng)過等效成單位

29、負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理后的結(jié)構(gòu)圖；最終經(jīng)過校正后成為典型II型系統(tǒng)，就如圖2-4（c）。</p><p><b>　　確定時間常數(shù)</b></p><p>　　電流環(huán)等效時間常數(shù)，由2.1中可得</p><p>　　轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)取 </p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取</p&

30、gt;<p><b>　　選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量取，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按典型II型系統(tǒng)調(diào)節(jié)設(shè)計，就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。</p><p><b>　　計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</b></p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取

31、 ，則ASR的超前時間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益</b></p><p><b>　　ASR的比例系數(shù)為</b></p><p><b>　　校驗近似條件</b></p>

32、<p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件</p><p><b>　　滿足簡化條件</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p>&l

33、t;p>　?。?）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　該系統(tǒng)突加階躍給定是，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，所以應(yīng)該按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量。</p><p>　　理想空載啟動時，負(fù)載系數(shù)</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降為</p><p><b>　　但時，</b></p>

34、;<p><b>　　則轉(zhuǎn)速超調(diào)量為</b></p><p><b>　　滿足設(shè)計要求</b></p><p>　　第三章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的仿真</p><p><b>　　3.1電流環(huán)的仿真</b></p><p>　　電流環(huán)的仿真模型如圖3-1所示，在

35、仿真模型中增加了一個飽和非線性模塊（Saturation）；在按工程設(shè)計方法設(shè)計電流環(huán)時，暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，但在圖3-1的仿真模型中，已把反電動勢的影響考慮進去，它可以得到更真實的仿真結(jié)果。電流環(huán)仿真的PI參數(shù)根據(jù)第二章所算出來的結(jié)果設(shè)定的，其仿真結(jié)果如圖3-2，利用和觀察PI參數(shù)對跟隨性能指標(biāo)的影響趨勢，就可以找到符合我們設(shè)計要求更適合的參數(shù)</p><p>　　3.2轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真</p

36、><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型如圖3-3所示；為了在示波器模塊中反映出轉(zhuǎn)速電流的關(guān)系，仿真模型中選用了Mux模塊來把幾個輸入聚合成一個向量輸出給Scope。PI參數(shù)采用第二章所計算的結(jié)果，其仿真結(jié)果如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-3 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型</p><p>　　圖3-4 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果</p><p><b&g

37、t;　　第四章 電路的設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1主電路的設(shè)計</b></p><p>　　中小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用橋式可逆PWM變換器，圖4-1為調(diào)速系統(tǒng)的主電路的原理圖，圖中的左半部分是由6個二極管組成的整流器，采用不可控整流，把電網(wǎng)提供的交流電整流成直流電；中間部分是大電容濾波；右半部分是橋式PWM變換器。</p&g

38、t;<p>　　圖4-1 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖</p><p>　　4.2 單片微機控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路和顯示電路組成。</p><p>　　三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流PW

39、M變換器的到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機供電；檢測回路包括電壓、電流溫度和轉(zhuǎn)速檢測，其中電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機，轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。微機控制還具備故障檢測功能，對電壓、電流、溫度等信號進行實時監(jiān)測和分析比較，若發(fā)生故障立即采取措施，避免故障進一步擴大，并同時報警，以便人工處理。數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，一般選用專為電機控制設(shè)計的單片微機，配以顯示、鍵盤等外圍電路，通過通信接口與上位機或其他外設(shè)交換數(shù)據(jù)。

40、這中微機芯片本身都帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速和PWM生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。</p><p>　　圖4-2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 </p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　本次的設(shè)計是關(guān)于運動控制系統(tǒng)的，它主要的目的是

41、設(shè)計一個符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這次的課程設(shè)計的難度不小，它綜合性比較強，涉及的知識面廣。本次的課程設(shè)計使我收益良多，在對于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方面的知識有了更加深刻的體會和理解。通過此次設(shè)計，鍛煉了我的應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力，對我的綜合素質(zhì)有了進一步的提高。在這次設(shè)計中，也體現(xiàn)了我對于很多知識方面的掌握不夠牢固也不夠全面，所以我通過不斷得查閱大量的書籍和相關(guān)的網(wǎng)站，不斷得搜尋所需要的資料，這些都不斷得提高了我解決問題的

42、能力。這次的課程設(shè)計對我以后的學(xué)習(xí)和工作都具有重大的意義，相信通過這次的設(shè)計體驗，我以后會做的更好。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 阮毅、陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)（第四版）.機械工業(yè)出版社</p><p>　　[2] 胡壽松.自動控制原理——簡明教程（第二版）.科學(xué)出版社<