北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计

《运动控制系统》课程设计报告_____北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流ThiscourseisdesignedfromDCmperformance,andthesyste北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计 2 2 2 2 2 3 4 5 5 7 9 9 22 《运动控制系统》课程设计需综合运用所学知识针对一程进行系统设计、硬件选型。通过课程设计，可以对理论知识本次设计的内容的具体内容是主电路及其保护电路设计双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计V-M系统的系统原理图如下。图中VT是进闸管整流电路，为直流电机提供可控直流电源，GT是晶闸管整流电路的控制器，称为调节触发装置（简称触发器）。通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图图3-1晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图三相整流电路是电机的可控供电电源。三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计期内有六次脉动，它为线电压的包络线。晶闸管在一个周期内导通120°,关断240°,管子换流只在本组内进行，每隔120°换流一次。出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120°,接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60°,即每隔60°换流一次。晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。图3-2晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如图3-3阻容吸收回路来抑制过电压。图3-3阻容保护电路由于本系统是不可逆控制系统，电机不能反转。可以设想，如果系统突然断电，北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计电机的电流突然下降。感应电动势为：晶闸管开关的时间是毫秒级的，所以dt非常小，U非常大。也就是说，给电机供电的电源突然断开后，电机将产生很大的反电动势。这个电动势对晶闸管是次冲击，在反复的冲击下，晶闸管会被击穿而不受控制，造成整个电路瘫痪。因此为了防止这个电压突然加在晶闸管上，所以在电机两端可以并联一个RC电路，R用来消耗电路中的电能，防止RLC振荡，C用来缓冲电机两端的电压，防止电压突变。图3-4电机两端RC保护电路除此之外，主电路中还应该设计保险，当系统出现异常之后，能立即断电保护主电路。由于运放和触发电路中的器件均需要使用直流电源，所以电路中包含直流电源部分。直流电源需要先经过整流，滤波，稳压最后得到+15V和-15V的电源。整流桥使用的是桥式整流电路，滤波电路使用的是大容量电解电容。稳压使用的是78系列的线性稳压芯片7815和7915芯片。图3-5整流稳压电路晶闸管是半控器件，导通需要触发脉冲。触发脉冲可以使用模拟电路搭建，但是稳定性不可靠，因此实际电路中多使用集成电路。由于VM系统正在被PWM系统替代，网上的这方面的资料匮乏，所以这里使用一个虚拟的触发脉冲产生器件。实际中，产生的脉冲不是单窄脉冲还是双脉冲或者单宽脉冲。这样可以保证导通的晶闸管均有脉冲。图3-6VT脉冲触发电路转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计实现串级连接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构上看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态性能，转速和电流两个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。ASR是转速调节器，一般为了有较高的精度，使用PI调节器。PI调节器的传递函WASR(s)=Kn(τns+1)τnsASR的加入使外环转速环成为II型系统环节，所以可对负载变化产生的扰动起主要抗扰作用，且由于ASR作为ACR的输入，使得转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。通常，调节器输出的限幅方法有三种，一种是采用二极管钳位的外限幅电路，一种是采用二极管钳位的负反馈内限幅电路，第三种是采用晶体三极管负反馈内限幅电路。在这里，我们采用第一种限幅方式，即二极管钳位的外限幅电路。图3-7二极管钳位限幅电路图3-8稳压管钳位的外限幅电路北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计由于PI调节器的传感器的传递函数可以知道，PI调节器在模拟电路中表现为比例放大电路和积分电路。图3-9ASR控制电路图中R3为滑动变阻器，是转速的设定端。这个信号经过放大后，与实际的转速信号进行比较，所得差分信号，然后对差分信号进行比例积分运算。得到信号必须要进行限幅，这里使用的是二极管钳位限幅。ACR为电流调节器，为了获得良好的静、动态性能，电流调节器一般均采用PI调节器。由图可知，ACR的传递函数为：WACR(s)=ACR的加入使作为内环的电流环成为I型系统环节，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输量）变化，实现了时间最优控制。同ASR调节器一样，PI调节器包含一个比例环节和一个积分环节。用模拟电路实现的方式如下：北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计图3-10ACR控制电路上面电路中，U*i为电流的设定值。该信号经过放大之后与实际电流值进行比较。所得的信号进行比例积分计算，其输出信号为Uc即整流电路的控制信号。同样为了限制输出上限和下限，使用了二极管钳位电路。电枢电流检测的方法有多种，这里使用点数串联电阻的方法。图3-11电流检测电流检测电路上图是一个差分信号放大电路，放大的信号经过一个电压跟随器输出。输出的信号作为电流环的反馈信号。上图的计算公式为：北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计控制电路最终的控制的目标就是电机的转速。因此，任何电机调速系统中，必定存在转速检测电路。检测电机的转速有多种方式，数字电路中有码盘电路，或者编码器，在模拟电路中一般使用测速电机。测速电机的返回的电压信号会随着电机转速的增加而增加。图3-12转速检测电路入是外环转速环的输出。突然上电的时候，系统突然给定电压所以外环的输出信号会很快增加到输出允许的最大的值。此时，ASR很启动之后的第二阶段，ASR始终是饱和的，转速环相当由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍然在加速超调。转速超调后，AS速就继续增加，直到时，转矩。此后，电机的转速开始在负载北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计设计书要求该系统采用晶闸管三相桥式全控直流电动机UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，电枢电阻Ra=0.2，电流调节器最大给定值Uim*=10.2V，转速调节器最大给定值Unm*=10.5V；图5-1双闭环系统框图北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计电动势系数：Ce=UNNRa=220x0.2=0.132V/(r.min一1)转矩系数：Cm=Ce=x0.132晶闸管整流器滞后时间常数：Ts=0.00167sACR限幅输入：Uim*=10.2V电枢回路最大电流：Idm=λIN=1.5IN=204AnN1460在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动图5-2电流环系统框图北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移图5-3电流环系统框图从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由上图可以看出，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系态结构图便成为下图所示的典型形式，其中KI==0.03sTΣioi=0.00167+0.002=电流环开环增益：要求σi<5%时，应取KITΣi=-1βKsTΣi2北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计1mlT1mlTT33=xxis0.03ss34.07sci11ci<负cici图5-4电流环模拟电路Ui*—为电流给定电压；北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计电流调节器电路参数的计算公式：Ki=，τiRi0xKi=100x1.022=102.2KΩ~100KΩ2忽略高次项，上式可降阶近似为：Wcli(s)~11KIcn3cn3KIΣΣicn—转速环开环频率特性的截止频率。 Id(s)(s)(s)β 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控北京科技大学自动化学院运动控制系统课程设计图5-5双闭环调速系统的动态结构图图5-6转速控制系统的动态结构图和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到数为的惯性环节，其中TΣn1+T+TonKI转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：WASR(s)=Kn(+1)τn—转速调节器的超前时间常数。cRβ KncR(τns+1)令转速环开环增益为KN=ns2(TΣns+1)图5-7校正后系统结构ASR的超前时间常数为：τn=hTΣn=5x0.01734=0.0867sKN负KN负=cn负1=399.1x0.0867=34.6s1ASR传递函数为： 3 3 3 3ns0.0867ssscncn3T3000367 3T3000367Σi.KKIonT0.01cn>负cn图5-8含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器0K=Rn0nR,nnnon