運動控制中期作業(yè)匯總

1、運動控制系統(tǒng)中期試題學(xué)院：電氣與控制工程學(xué)院班級：自動化1206姓名：學(xué)號:一：設(shè)計要求與參數(shù)1、已知參數(shù)：某轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電，已知基本數(shù)據(jù)如下：Pnom=500kW,Unom=750V,1nom=760A,nnom=375r/min,電動勢系數(shù)Ce=l.82V.min/r,電樞回路總電阻：R=0.14建，允許過載倍數(shù)九=1.5,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=75,電磁時間常數(shù)Tl=0.031s,機電時間常數(shù)Tm=0.112s,電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.02s。設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓Unm=Uim=Unm=

2、10V,調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40kQ。2、設(shè)計指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量初£5%,空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量Sn<10%。3、設(shè)計要求：(1)運用調(diào)節(jié)器工程設(shè)計法設(shè)計ASR與ACR達到系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)，得到ASR與ACR勺結(jié)構(gòu)與參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計為典1系統(tǒng)，并取參數(shù)KT=0.5,轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計為典2系統(tǒng)；(2)用MATLA酎上述設(shè)計的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行仿真，給出仿真結(jié)果；(3)設(shè)計出上述設(shè)計的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的完整硬件實現(xiàn)原理圖，原理圖采用Protel軟件畫圖；(3)說明原理圖實現(xiàn)上述直流調(diào)速系統(tǒng)的原理；(4)給出原理圖每個元件的型號與值，并說明選值依據(jù)；(5)系統(tǒng)控制部

3、分可以采用模擬電路或者微處理器實現(xiàn)。若采用微處理器實現(xiàn)，要說明軟件實現(xiàn)流程以及核心軟件的算法；(6)整個設(shè)計報告采用A4紙打印，標(biāo)題采用宋體四號，正文采用宋體小四;二：設(shè)計原理1 .帶轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)，由于它能夠隨著負載的變化而相應(yīng)的改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化，所以相對開環(huán)系統(tǒng)它能夠有效的減少穩(wěn)態(tài)速降。當(dāng)反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用帶比例放大器時，它依靠被調(diào)量的偏差進行控制的，因此是有靜差率的調(diào)速系統(tǒng)，而比例積分控制器可使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。對電機啟動的沖擊電流以及電機堵轉(zhuǎn)時的堵轉(zhuǎn)電流，可以用附帶電流截止負反饋作限流保護，但這并不能控制電流的動態(tài)波形

4、。按反饋的控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該基本量基本不變，采用電流負反饋就應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。另外，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)速。例如，在帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)中，同一調(diào)節(jié)器擔(dān)負著正常負載時的速度調(diào)節(jié)和過載時的電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程均具有良好的動態(tài)品質(zhì)。按照電機理想運行特性，應(yīng)該在啟動過程中只有電流負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速反饋，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性就在于當(dāng)負載電流小于最大電流時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要作用，當(dāng)電流達到最大值時，電流負反饋起主要作用，得到電流的自動保

5、護。2.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成：(1)系統(tǒng)電路原理圖圖2-1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASRffiACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者用級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制品閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Um決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Um,對就電機的最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR俞出限幅電壓UCm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角a。圖21雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖(2)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，由于電流檢

6、測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。具作用是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O(shè)計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。Toi電流反饋濾波時間常數(shù)Ton一轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)圖22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

7、優(yōu)點一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)1。這種理想的起動過程如圖2.3所示。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個量，只要引入這個量的負反饋。因此采用電流負反饋控制過程，起動過程中，電動機轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負反饋；穩(wěn)定運行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。即為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點。圖2.3理想啟動過

8、程三：參數(shù)計算（一）電流環(huán)設(shè)計1. 確定時間常數(shù)。1 ）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts：查表可知三相橋式電路平均失控時間Ts=0.0017so2 ）電流濾波時間常數(shù)Toi：Toi=2ms=0.002so3 ）電流環(huán)小時間常數(shù)之和Bi：按小時間常數(shù)近似處理，取T2i=T3+Toi=0.0037So4 ）電磁時間常數(shù)Ti：T=0.031s2 .選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。(1)確定系統(tǒng)型式及其傳遞函數(shù)：根據(jù)設(shè)計要求a05%并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。又電流環(huán)控制對象是雙慣性的(電磁慣性和機械慣性)，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WACR(s)Ki( iS 1)-iS(2)檢查對電

9、源電壓的抗擾性能：TEi=0.031/0.0037=8.37。參照附表3-2的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的。故基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。3 .計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)。(1)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：ri=T=0.031So(2)電流環(huán)開環(huán)增益：要求405%寸，應(yīng)取K"i=0.5,因此K=0.5/Tei=0.5/0.0037=135.1s1。又電流反饋系數(shù)B=U*/1.5IdN=10/(1.5X760)=0.00877,則ACR勺比例系數(shù)K=KcR/KsB=135.1X0.031X0.14/(75X0.0088)=0.88838。4 .校驗近似條件。(1)電流

10、環(huán)截止頻率：coci=K=135.1s-1。(2)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：1/3TS=1/3X0.0017=196.1s-1>coci滿足近似條件(3)校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：3V(1/TmTl)=3XV(1/0.112X0.031)=50.915<coci滿足近似條件(4)校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：1/3V(1/TsTo。=1/3X，(1/0.0017X0.002)=180.8>wci滿足近似條件5 .計算調(diào)節(jié)器電阻和電容。電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-1所示。按所用運算放大器取R=40kQ,各電阻和電容值計算如下：R=KR=0.888X

11、40k=35.53kQ。取35kQC=ri/Ri=0.031/35=0.886仙F。取0.9仙FCoi=4Toi/RQ=4X0.002/40k=0.2仙F。取0.2仙F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為：(7i=4.3%<5%滿足設(shè)計要求。Ri匚；CDIUi*Ro/2 Ro/2-BidCoiRo/2 Ro/2一CoiRbalUe圖3-1電流調(diào)節(jié)器原理圖(二)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計1 .確定時間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/Ki：已取K"i=0.5,故1/Ki=2X0.0037=0.0074s。(2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton：Ton=0.02so(3)轉(zhuǎn)速小時間常數(shù)Ten：按

12、小時間常數(shù)近似處理，取Ten=1/Ki+Ton=0.0074+0.02=0.0274s。2 .選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。(1)確定系統(tǒng)型式及其傳遞函數(shù)：按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Kn(ns1)Wasr(S)上匚-nS3 .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(1)ASR勺超前時間常數(shù)為：j=hTxn=5X0.0274=0.137s。(2)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：Kn=(h+1)/2h2Bn2=6/2X52X0.02742159.8s-1。又轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=U/nN=10/375=0.0267V/rpm,貝U3 3)ASRt匕例系數(shù)為:Kn=(h+1)BGTM2ha

13、Rqn=6X0.0088X1.82X0.112/(2X5X0.0267X0.14X0.0274)=10.5。4 .校驗近似條件。(1)轉(zhuǎn)速截止頻率：wcn=K/w1=Kntn=159.8/0.137=21.89s-1。(2)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：(1/3)，(KGi)=(1/3)，(135.1/0.0037)=63.7S-1>cn滿足簡化條件。(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：(1/3)/V(K/Ton)=(1/3)/V(135.1/0.02)=27.4>cocn。滿足近似條件。5 .計算調(diào)節(jié)器電阻和電容。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-2所示。取R=40kQ。則R=KR=10.5X4

14、0k=420kQCn=Tn/Rn=0.137/420000=0.326FCon=4Ton/Rc=4X0.02/40=2pFRn1Un* Ro/2 Ro/2Ui*圖3-2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖6 .校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)h=5時，得門=37.6%,不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表3-4是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR!飽和的情況重新計算超調(diào)量。設(shè)理想空載啟動時z=0,當(dāng)h=5時，得CmaJCb=81.2%,WJ(m=2X81.2%x1.5X(760X0.14/1.82)/375)乂(0.0274/0.112)=9.29%<10%能滿足設(shè)計要求。四：

15、protel軟件設(shè)計1 .轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖4.1所示。Un圖4.1轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖2 .控制電路設(shè)計UPERQ 2RO 2圖4.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖4.2雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖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)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器本文基于這種思想進行AS旺口 ACRS計圖4.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動

16、態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計I 丁 Coi Pld £1 CoiACR1/Cr7j+l此A*R(SwK7+14 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計*-1U5 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的硬件原理圖五：matlab仿真圖和仿真結(jié)果ss一三駕二室再建JW，二：g個Scope六：體會與總結(jié)這次期中考試別處心裁，培養(yǎng)了我綜合運用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對我實際操作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，雙閉環(huán)直流調(diào)速已經(jīng)成為當(dāng)今電機調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說是無處不在。因此作為二十一世紀的大學(xué)來說掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速技術(shù)是十分重要的，尤其是對我們自動化專業(yè)的學(xué)生。通過雙閉環(huán)電流轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計，我意識到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，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動