運動控制系統(tǒng)課程設計報告.docx

1、北京科技大學自動化學院運動控制系統(tǒng)課程設計運動控制系統(tǒng)課程設計報告時 間 2014.10 _學 院 自動化 _專業(yè)班級 自1103 _姓名 曹俊博_ 學號 41151093 指導教師 潘月斗 _成 績 _摘要 本課程設計從直流電動機原理入手，建立V-M雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的ACR和ASR結構，其中主回路采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電，觸發(fā)器采用KJ004觸發(fā)電路，系統(tǒng)無靜差；符合電流超調量i5%；空載啟動到額定轉速超調量n10%。并詳細分析系統(tǒng)各部分原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能，且利用Simulink對系統(tǒng)進行各種參數給定下的仿真。關鍵詞：雙閉環(huán)；直流調速；無靜差；仿真Ab

2、stractThis course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger

3、 the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of

4、 simulink to various parameters set simulation.Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation- 1 -北京科技大學自動化學院運動控制系統(tǒng)課程設計目錄摘要1Abstract1引言11 實驗內容22 實驗設備23 實驗設計原理23.1 V-M系統(tǒng)原理23.2 三相橋式整流電路23.3 保護電路部分33.4 直流電源電路43.5 VT觸發(fā)電路53.6 ASR控制電路53.7 ACR控制電路73.7 電流檢測電路83.7 轉速檢

5、測電路94 系統(tǒng)工作原理95 調節(jié)器參數的計算過程105.1 參數以及設計要求105.2 相關參數計算115.3 電流環(huán)設計115.4 轉速環(huán)設計146 Matlab仿真186.1 啟動過程仿真187心得體會.19參 考 文 獻21附 錄221 主電路原理圖222 仿真模型圖223 啟動波形圖23- 2 -北京科技大學自動化學院運動控制系統(tǒng)課程設計引言運動控制系統(tǒng)課程設計需綜合運用所學知識針對一個較為具體的控制對象或過程進行系統(tǒng)設計、硬件選型。通過課程設計，可以對理論知識融會貫通，培養(yǎng)同學們的系統(tǒng)設計能力，使同學們達到以下能力訓練：（1）調查研究、分析問題的能力；（2）使用設計手冊、技術規(guī)范的

6、能力；（3）查閱文獻的能力；（4）制定設計方案的能力；（5）計算機應用的能力；（6）設計計算和繪圖的能力；（7）語言文字表達的能力。本次設計的內容的具體內容是主電路及其保護電路設計，轉速、電流調節(jié)器及其限幅電路的設計。雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)中主電路電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計1 實驗內容（1）主回路及其保護系統(tǒng)的設計；（2）轉速、電流調節(jié)器及其限幅電路的設計；2 實驗設備1、 裝有matlab的PC機一臺3 實驗設計原理3.1 V-M系統(tǒng)原理V-M系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖如下。圖中VT是進閘管整流電路，為直流電機提供可控直流電源，GT是晶閘管整流電路的控制器，稱為調節(jié)觸發(fā)裝置（簡稱觸發(fā)器）。通過調節(jié)觸發(fā)

7、裝置GT的控制電壓Uc來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實現平滑調速。晶閘管-電動機調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖如圖3-1。圖3-1晶閘管-電動機調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖3.2 三相橋式整流電路三相整流電路是電機的可控供電電源。三相橋式全控整流電路必須有兩只晶閘管同時導通才能構成電流回路，其中一只在共陰組，另外一只在共陽組，而且這兩只導通的管子不在同一相內。因此，負載電壓是兩相電壓之差，即線電壓，一個周期內有六次脈動，它為線電壓的包絡線。晶閘管在一個周期內導通120，關斷240，管子換流只在本組內進行，每隔120換流一次。出發(fā)脈沖需寬脈沖或雙窄脈沖，共陰極組及共陽

8、極組內各管脈沖相位差為120，接在同一相的不同管子脈沖相位差為180。晶閘管按順序輪流導通，相鄰順序管子脈沖相位差為60，即每隔60換流一次。晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次側線電壓的電壓峰值。圖3-2 晶閘管-電動機調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖3.3 保護電路部分選用用儲能元件吸收生產過電壓的能量的保護。使用RC吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯電阻消耗部分產生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態(tài)重復峰值值電 壓一定值時，就會誤導通，引發(fā)電

9、路故障；當外加的反向電壓超過其反向重復峰值電壓 一定值時，晶閘管將會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。本設計采用如圖3-3阻容吸收回路來抑制過電壓。圖3-3 阻容保護電路由于本系統(tǒng)是不可逆控制系統(tǒng)，電機不能反轉。可以設想，如果系統(tǒng)突然斷電，電機的電流突然下降。感應電動勢為：U= didt 晶閘管開關的時間是毫秒級的，所以dt非常小，U非常大。也就是說，給電機供電的電源突然斷開后，電機將產生很大的反電動勢。這個電動勢對晶閘管是次沖擊，在

10、反復的沖擊下，晶閘管會被擊穿而不受控制，造成整個電路癱瘓。因此為了防止這個電壓突然加在晶閘管上，所以在電機兩端可以并聯一個RC電路，R用來消耗電路中的電能，防止RLC振蕩，C用來緩沖電機兩端的電壓，防止電壓突變。圖3-4 電機兩端RC保護電路除此之外，主電路中還應該設計保險，當系統(tǒng)出現異常之后，能立即斷電保護主電路。3.4 直流電源電路由于運放和觸發(fā)電路中的器件均需要使用直流電源，所以電路中包含直流電源部分。直流電源需要先經過整流，濾波，穩(wěn)壓最后得到+15V和-15V的電源。整流橋使用的是橋式整流電路，濾波電路使用的是大容量電解電容。穩(wěn)壓使用的是78系列的線性穩(wěn)壓芯片7815和7915芯片。圖

11、3-5 整流穩(wěn)壓電路3.5 VT觸發(fā)電路晶閘管是半控器件，導通需要觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖可以使用模擬電路搭建，但是穩(wěn)定性不可靠，因此實際電路中多使用集成電路。由于VM系統(tǒng)正在被PWM系統(tǒng)替代，網上的這方面的資料匱乏，所以這里使用一個虛擬的觸發(fā)脈沖產生器件。實際中，產生的脈沖不是單窄脈沖還是雙脈沖或者單寬脈沖。這樣可以保證導通的晶閘管均有脈沖。圖3-6 VT脈沖觸發(fā)電路3.6 ASR控制電路轉速調節(jié)器ASR調節(jié)轉速，用電流調節(jié)器ACR調節(jié)電流。ASR與ACR之間實現串級連接，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調節(jié)器的電流給定信號，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結

12、構上看，轉速環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內環(huán)。為了獲得良好的靜。動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調節(jié)器，且轉速與電流都采用負反饋閉環(huán)。ASR是轉速調節(jié)器，一般為了有較高的精度，使用PI調節(jié)器。PI調節(jié)器的傳遞函數為： ASR的加入使外環(huán)轉速環(huán)成為II型系統(tǒng)環(huán)節(jié)，所以可對負載變化產生的擾動起主要抗擾作用，且由于ASR作為ACR的輸入，使得轉速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差。通常，調節(jié)器輸出的限幅方法有三種，一種是采用二極管鉗位的外限幅電路，一種是采用二極管鉗位的負反饋內限幅電路，第三種是采用晶體三極管負反饋內限幅電路。在這里，我們采用第一種限幅方

13、式，即二極管鉗位的外限幅電路。圖3-7 二極管鉗位限幅電路圖3-8 穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路由于PI調節(jié)器的傳感器的傳遞函數可以知道，PI調節(jié)器在模擬電路中表現為比例放大電路和積分電路。圖3-9 ASR控制電路圖中R3為滑動變阻器，是轉速的設定端。這個信號經過放大后，與實際的轉速信號進行比較，所得差分信號，然后對差分信號進行比例積分運算。得到信號必須要進行限幅，這里使用的是二極管鉗位限幅。3.8 ACR控制電路ACR為電流調節(jié)器，為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，電流調節(jié)器一般均采用PI調節(jié)器。由圖可知，ACR的傳遞函數為：ACR的加入使作為內環(huán)的電流環(huán)成為I型系統(tǒng)環(huán)節(jié)，使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外

14、環(huán)調節(jié)器的輸量）變化，實現了時間最優(yōu)控制。同ASR調節(jié)器一樣，PI調節(jié)器包含一個比例環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)。用模擬電路實現的方式如下：圖3-10 ACR控制電路上面電路中，U*i為電流的設定值。該信號經過放大之后與實際電流值進行比較。所得的信號進行比例積分計算，其輸出信號為Uc即整流電路的控制信號。同樣為了限制輸出上限和下限，使用了二極管鉗位電路。3.9 電流檢測電路電樞電流檢測的方法有多種，這里使用點數串聯電阻的方法。圖3-11 電流檢測電流檢測電路 上圖是一個差分信號放大電路，放大的信號經過一個電壓跟隨器輸出。輸出的信號作為電流環(huán)的反饋信號。上圖的計算公式為：Ui= Ud1*R24R25-Ud

15、2*R27R29 3.10 轉速檢測電路控制電路最終的控制的目標就是電機的轉速。因此，任何電機調速系統(tǒng)中，必定存在轉速檢測電路。檢測電機的轉速有多種方式，數字電路中有碼盤電路，或者編碼器，在模擬電路中一般使用測速電機。測速電機的返回的電壓信號會隨著電機轉速的增加而增加。圖3-12 轉速檢測電路4 系統(tǒng)工作原理內環(huán)是電流控制環(huán)，一般將其設計為PI調節(jié)器，整個回路是I型系統(tǒng)。內環(huán)的輸入是外環(huán)轉速環(huán)的輸出。突然上電的時候，系統(tǒng)突然給定電壓Un*后，由于實際轉速為零，所以外環(huán)的輸出信號會很快增加到輸出允許的最大的值。此時，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，ACR一般不飽和。啟動之后的第二階段，ASR始終是

16、飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)。此時點數電流達到了啟動允許的最大值，電機的速度呈線性增加。這也是啟動過程的主要部分。當轉速上升到允許的最大值時，轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但是其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電機仍然在加速超調。轉速超調后，ASR輸入的偏差電壓變負值，使ASR退出飽和狀態(tài)，Ui*和Id很快下降。但是只要Id仍然大于負載電流Idl，轉速就繼續(xù)增加，直到Id=IdL時，轉矩Te = TL。此后，電機的轉速開始在負載的阻力下開始下降。最后幾經振蕩之后到達穩(wěn)態(tài)。當電機的轉速受到干擾之后，外環(huán)的傳送器檢測到轉速信號與設定值進行比較，經過ASR得到偏差信號，傳送到ACR環(huán)節(jié)調

17、節(jié)后得到Uct，于是調節(jié)整流電路的導通角，調整電樞電流，最后使電機速度達到設定值。5 調節(jié)器參數的計算過程5.1 參數以及設計要求設計書要求該系統(tǒng)采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電，基本數據如下：直流電動機 =220V， =136A， =1460r/min，電樞電阻 =0.2，允許過載倍數=1.5；晶閘管裝置 =0.00167s，放大系數 =40；平波電抗器：電阻 、電感 ；電樞回路總電阻R=0.5；電樞回路總電感L=15mH；電動機軸上的總飛輪慣量GD2=22.5Nm2；電流調節(jié)器最大給定值 =10.2V，轉速調節(jié)器最大給定值 =10.5V；電流濾波時間常數 =0.002s，轉速濾波時間常數

18、 =0.01s。設計要求：1.穩(wěn)態(tài)指標：轉速無靜差；2.動態(tài)指標：電流超調量 ；空載啟動到額定轉速的轉速超調量。設計書要求設計直流電機設計轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。如圖所示：圖5-1 雙閉環(huán)系統(tǒng)框圖5.2 相關參數計算電動勢系數：轉矩系數：電磁時間常數：機電時間常數：晶閘管整流器滯后時間常數：ACR限幅輸入：ASR限幅輸入：電樞回路最大電流：電流反饋系數：轉速反饋系數：電流環(huán)的設計5.3 電流環(huán)設計在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE0。圖5-2 電流環(huán)系統(tǒng)框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成U*i(s) /b ，則電流環(huán)便等

19、效成單位負反饋系統(tǒng)最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數為 Ti = Ts + Toi 。圖5-3 電流環(huán)系統(tǒng)框圖從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，由上圖可以看出，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇，則電流環(huán)的動態(tài)結構圖便成為下圖所示的典型形式，其中電流濾波時間常數：調節(jié)

20、器參數：電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應取，因此： ACR的傳遞函數為：4、校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率： （1）晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件（2）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）電流環(huán)小時間常數近似處理條件滿足近似條件實際電路的搭建如下圖：圖5-4 電流環(huán)模擬電路Ui* 為電流給定電壓；bId 為電流負反饋電壓；Uc 電力電子變換器的控制電壓。電流調節(jié)器電路參數的計算公式：，取=100，電流環(huán)校正為典型I型系統(tǒng)時：5.4 轉速環(huán)設計電流環(huán)經簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數。忽略高次項，上式可降階近似為 ：近似條件可由式（2-52

21、）求出 ：式中wcn 轉速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數的一階慣性環(huán)節(jié)。2、轉速調節(jié)器結構的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖中的電流環(huán)后，圖5-5 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖便如圖所示：圖5-6 轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改成 U*n(s)/a，再把時間常數為 1 / KI 和 T0n 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數為的慣性環(huán)

22、節(jié)，其中為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器 ASR 中，現在在擾動作用點后面已經有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型 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。由此可見，ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為：式中 Kn 轉速調節(jié)器的比例系數； t n 轉速調節(jié)器的超前時間常數。 這樣，調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：令轉速環(huán)開環(huán)增益為則圖5-7 校正后系統(tǒng)結構3、轉速調節(jié)器參數的選擇綜合系統(tǒng)和特性考慮，選取h=5，有：電流環(huán)等效時間常數：轉速濾波時間常數：轉速環(huán)小時間常數：ASR的超前時間常數為：

23、可求得轉速環(huán)開環(huán)增益：可得ASR的比例系數為： 截止頻率：ASR傳遞函數為：4、校驗近似條件：（1）電流環(huán)傳遞函數簡化條件為：滿足簡化條件（2）轉速換小時間常數近似處理條件為：滿足近似條件5.轉速調節(jié)器的實現圖5-8 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器U*n為轉速給定電壓；-a n 為轉速負反饋電壓；U*i調節(jié)器的輸出是電流調節(jié)器的給定電壓。轉速調節(jié)器電路參數的計算公式：，取=100，轉速環(huán)校正為典型II型系統(tǒng)時：6 Matlab仿真6.1 啟動過程仿真按照上面計算出的數據，在simulink中仿真。下圖給出了積分帶限幅的PI調節(jié)器Simulink仿真模型。圖6-1 仿真模型圖中不僅把PI調節(jié)器的比例部分和積分部分分開，對PI調節(jié)器的輸出設置上、下限幅，還要對積分設置上、下限幅。而且這種積分是積分環(huán)節(jié)本身所帶的。在Simulink環(huán)境下，這種積分限幅的實現需要雙擊積分模塊，在對話框中選中Limit output項，然后設置上、下限幅。使用一個階躍信號作為設定信號。仿真截圖如下：圖6-2 啟動波形曲線使用積分帶限幅的PI調節(jié)器Simulink仿真模型的工作過程分三種情況：當積分器未飽和和且比例加積分的和小于限幅值時，調節(jié)器表現為線性的PI調節(jié)器