轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)專題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)專題一、課程設(shè)計(jì)目的本次設(shè)計(jì)的主要目的就是應(yīng)用自動(dòng)控制理論和工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。并應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正以達(dá)到滿足控制指標(biāo)的目的。 2、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1性能指標(biāo)要求（1）基本設(shè)計(jì)參數(shù)：采用三相橋式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，基本參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī) 185W，220V，1.1A，1600r/min，Ra=22.25W，GD2=0.065N·m2，允許過載倍數(shù) l=1.1，晶閘管裝置放大倍數(shù) Ks

2、=40，電樞回路總電阻 R=52.5W，電樞回路總電感 L=811.5mH，最大給定電壓 U*nm=5V 對(duì)應(yīng) 1500r/min，最大電流Idm=l IN時(shí)，ASR輸出限幅U*im=5V，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s，取R0=40kW，（2）穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速無靜差（3）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量s i5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s n10%2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）按模擬控制方案設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)；（2）畫出直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立數(shù)學(xué)模型，畫出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并給出分析化簡(jiǎn)過程； （3）設(shè)計(jì)ASR、ACR，給出調(diào)節(jié)器

3、結(jié)構(gòu)，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)； （4）檢驗(yàn)近似條件，計(jì)算ASR退飽和超調(diào)量； （5）畫出開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線；（6）（選做）利用MATLAB仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并可根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要的修正和調(diào)整。（7）（選做）將設(shè)計(jì)的模擬電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行數(shù)字化，電流環(huán)采樣周期Tisam=0.5ms，轉(zhuǎn)速環(huán)采樣周期Tnsam=0.005s，寫出其數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式（位置式、增量式均可），調(diào)節(jié)器輸出限幅及積分限幅均為±Um，并用已掌握的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制程序。3、 電路原理分析及電路設(shè)計(jì)3.1基本設(shè)計(jì)思路 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(gè)調(diào)節(jié)器，

4、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，兩者之間實(shí)行嵌套連接其原理圖如圖一所示。 圖一：轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖二所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖二中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)輸調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不在影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)是調(diào)節(jié)器退飽和。換句話說，飽和調(diào)節(jié)器暫時(shí)割斷了輸入和輸出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)

5、狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。圖二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)而言，先從內(nèi)環(huán)（即電流環(huán)）出發(fā)，根據(jù)電流控制要求，確定把電流環(huán)校正為那種典型系統(tǒng)。按照調(diào)節(jié)對(duì)象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計(jì)完電流環(huán)環(huán)節(jié)之后，把它等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分。然后用同樣的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)，每個(gè)環(huán)的設(shè)計(jì)都是把該環(huán)校正為一個(gè)典型系統(tǒng)，以獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。目前的V-M調(diào)速系統(tǒng)多為帶電流內(nèi)環(huán)的速度控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖三所示： 圖三： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 3.2確定轉(zhuǎn)速、電流反饋系數(shù)（1）電勢(shì)常數(shù)Ce

6、=V（2）三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時(shí)間Ts （3）電流反饋系數(shù)（4）設(shè)最大允許電流，則電流反饋系數(shù)為（5）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 3.3 電流環(huán)ACR的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) s（2）電磁時(shí)間常數(shù) s（3）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，且 因此可按典I系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為（4）確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR超前時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)放大系數(shù)：要求時(shí)，應(yīng)按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計(jì)從而，ACR的比例系數(shù)為（5）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件 滿足近似條件。小時(shí)間常數(shù)近似條件 < 滿足近似條件。忽略反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件 31TmTl=3×10

7、.085×0.0156=82.38s-1<wci（6）（7） 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖四所示,各電阻電容參數(shù)計(jì)算如下：Rn=KiR0=0.67×40k=26.8k Cn=iRi=0.=0.39F Coi=4ToiR0=4×0.00240×103=0.2F 8 圖四：含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器3.4 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)（1）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) （2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求，應(yīng)按典I系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，為此應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （3）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 為了使轉(zhuǎn)速環(huán)的跟隨性能和抗擾性能都較好，應(yīng)采用

8、準(zhǔn)則選擇參數(shù)，且取h=5，因此ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 Kn=（h+1）CeTm2hRT=6×4.13×0.122×0.182×5×0.0033×52.5×0.017418 KN=h+12h2T2396.4（4）校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率Wcn=KNw1=KNn=396.4×0.08734.5S-1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 而 1Ti=15×0.0037=54s-1>wcn滿足近似條件。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件1312TiTon=13×12×0.0037×0.002=86.

9、64s-1>wcn滿足近似條件。（5）WASR=18+11.5S（6）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖五所示Rn=KnR0=18×40k=720KCn=nRn=0.×103=0.12FCon=4TonR0=4×0.0140×103=1F 圖五：含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（7）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 因?yàn)楫?dāng)h=5時(shí) n=37.6%不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于此時(shí)是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和時(shí)的情況重新計(jì)算超調(diào)量。 nN=RCeIN=473.36r/min 所以n=2(Cmax

10、Cb)(-z)nNn*TnTm =2×81.2%×1.1×473.×0.01740.0855.1%<10%可見，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求。3.5轉(zhuǎn)速電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理就是再開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器通過當(dāng)前的轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，因此反饋信號(hào)的準(zhǔn)確度很大程度上決定了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。通過康銅絲采樣，再將采樣電壓通過電流檢測(cè)芯片，通過比例調(diào)節(jié)器較準(zhǔn)。電流檢測(cè)芯片采用TI公司的INA282，INA282系列是電壓輸出電流并聯(lián)監(jiān)控器，此監(jiān)控器能夠感測(cè)共模電壓上-14

11、V至+80V與電源電壓無關(guān)。零漂移架構(gòu)的低偏移使得電流感測(cè)在整個(gè)分流器上的最大壓降低至10mV的量程。這個(gè)電流分流監(jiān)控器由+2.7V至+18V電源供電，使用最大900A的電源電流。此芯片通過在+IN和-IN之間接入一個(gè)采樣電阻（電阻值很小約0.01為宜）當(dāng)有電阻上有電流流過時(shí)采樣電阻上將會(huì)產(chǎn)生壓降，通過+IN與-IN口進(jìn)入，再由芯片內(nèi)部的差分放大，抑制共模信號(hào)放大差模信號(hào)，由OUT口輸出，通過REF1,REF2引腳控制輸出模式。具體電路如圖二所示：圖六： 電流檢測(cè)電路當(dāng)采樣電阻為測(cè)試報(bào)告如表一所示表一 電流檢測(cè)報(bào)告輸入電流（A）輸出電壓（V）較準(zhǔn)電壓(V)00.080.08-0.1=00.50

12、.180.18-0.1=0.110.290.29-0.1=0.220.490.49-0.1=0.451.11.1-0.1=1102.12.1-1=2 由表一可知：電流檢測(cè)芯片檢測(cè)電流，輸出電壓為當(dāng)電流為13.16A時(shí)，則比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為因此可調(diào)電位器取值應(yīng)為36.6K為宜。3.6 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)采用光電編碼器對(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)，通過51單片機(jī)采集光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，并進(jìn)行處理，同時(shí)通過數(shù)碼管將轉(zhuǎn)速顯示出來，同時(shí)通過DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸送至ASR調(diào)節(jié)器，測(cè)速比較準(zhǔn)確。（1）光電編碼器選擇光電編碼器采用ZKT6012空心旋轉(zhuǎn)編碼器K6012光電編碼器，1024碼盤，

13、每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1200個(gè)脈沖，工作電壓為直流DC5-12V。（2）單片機(jī)選擇 單片機(jī)采用STC89C52，該單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。（3）DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用PCF8591，它是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4個(gè)模擬輸入、一個(gè)輸出和一個(gè)串行I2C總線接口。3

14、個(gè)地址引腳A0、A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個(gè)器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向I2C總線傳輸。器件功能包括多路復(fù)用模擬輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模擬轉(zhuǎn)換。最大轉(zhuǎn)換速率取決于I2C總線的最高速率。（4）運(yùn)算放大器的選擇 運(yùn)算放大器采用TI公司的LM358，LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)模m合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。4、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算由

15、實(shí)驗(yàn)所得開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線如圖七 L/dB -40dB/dec -20dB/dec -20dB/dec O w/s-1 -40dB/dec -40dB/dec I n 圖七：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性 五、心得體會(huì)這次的課程設(shè)計(jì)運(yùn)用的基本上都是在電力電子技術(shù)和電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這兩門課程中所學(xué)過的基本知識(shí)點(diǎn)。這次的設(shè)計(jì)，其中最重要的一部分是參數(shù)的計(jì)算比較繁鎖。做事情要有耐心，這是我在這次設(shè)計(jì)中所學(xué)習(xí)到的重要的一點(diǎn)。這次課程設(shè)計(jì)我收獲很大。通過這次設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)電流，轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)這個(gè)典型的系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。復(fù)習(xí)了以前學(xué)習(xí)過的基本知識(shí)，加深了印象。這對(duì)我們以后工作中會(huì)很有幫助的。在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作。同時(shí)，這次設(shè)計(jì)過程中，體現(xiàn)出自己綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，體會(huì)了學(xué)以致用、突出自己勞動(dòng)成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)學(xué)習(xí)的不足和薄弱