电力拖动与运动控制系统课程设计双闭环直流调速系统的设计.doc

设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计设计主要内容和要求：直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。要求该直流调速系统调速范围宽、起制动性能好、可四象限运行，具体设计内容如下。1. 根据直流调速系统的要求，制定系统总体方案，主要包括如下方面：(1) 对现有的直流调速产品进行调查，并运行所学知识加以分析。要求必须给出一种具有代表性的直流调速产品，并给出系统控制框图；(2) 给出本设计中拟采用的主电路拓扑结构，并给出选择依据；(3) 采用数字处理器作为控制器，对目前调速系统中采用的数字处理器进行调查，并选择一款用于本系统的数字处理器。2. 直流调速系统的主电路设计，针对总体方案中选定的主电路拓扑结构，并结合附录中提供的直流电机参数进行如下设计：(1) 功率器件的选型，要求给出依据；(2) 针对所选择的功率器件，给出其触发或驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明；(3) 根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号；(4) 要求在主回路设计中需给出相应的保护电路。3. 直流调速系统的控制理论(1) 给出双闭环直流调速系统的动态结构框图；(2) 根据直流电动机和主回路参数，确定动态结构框图的具体参数；(3) 运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅的具体参数及依据；(4) 根据设计的PI调节器参数，要求给出带有内外限幅的PI调节器的模拟量电路图；(5) 给出直流调速系统的完整结构框图。4. 双闭环直流调速系统的Matlab仿真(1) 根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立Matlab仿真模型，并对调节器参数设计的合理性进行验证；(2) 运用Matlab/Simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节器的参数作出调整。5. 数字控制器的设计(1) 硬件设计：根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括PWM输出、AD采样及信号处理电路、编码器接口等；(2) 软件设计：给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式PI调节器、数字测速的程序流程框图。 指导教师签字： 日 期：摘要双闭环是直流调速系统的基本结构形式,是一种多环结构,其中很多方面都代表着多环控制系统的一般规律,可以推广到其他的多环系统,外环是决定系统主要性质的基本控制环,内环可以对本环的被控制量实行限制和保护,并对环内的扰动实现及时调节,改造被本环所包围的控制对象,使之更有利于外环的控制。转速电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统，分析了系统工作原理和调速性能的改善。并通过Matlab进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。关键词：双闭环，PWM，直流调速，Matlab目 录1 直流调速系统的总体方案11.1直流调速系统11.2直流调速系统产品调查：6RA7011.3系统设定依据21.4双闭环直流调速系统主电路拓扑结构图31.5直流电机参数设计要求32 直流调速系统主电路的设计42.1额定电压的选择42.2滤波电容42.3驱动电路43 直流调速系统的控制理论63.1双闭环直流调速系统的原理63.1.1双闭环直流调速系统的原理框图63.1.2双闭环调速的工作过程63.1.3双闭环直流调速系统的静特性73.1.4双闭环调速系统的动态特性73.1.5双闭环直流调速系统启动过程的特点93.2电流调节器的设计103.2.1电流环结构框图103.2.2电流调节器结构的选择103.3电流环参数的计算113.3.1确定时间常数113.3.2计算电流调节器参数113.3.3校验近似条件123.3.4计算调节器电阻和电容123.4转速调节器的设计123.4.1电流环的等效闭环传递函数123.4.2转速调节器结构的选择133.5带限幅的PI调节器的模拟量电路图134双闭环直流调速系统的Matlab 仿真155 数字控制器的设计195.1硬件设计195.1.1数字控制的简单叙述195.1.2微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构195.1.3PWM驱动设计205.2软件电路21结束语23参考文献24 1 直流调速系统的总体方案1.1直流调速系统直流调速系统具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速，在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。如下为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图：1.2直流调速系统产品调查：6RA70目前,随着交流调速技术的发展,交流传动得到了迅猛的发展,但直流传动调速在诸多场合仍有着大量的应用。以德国SIEMENS公司的6RA70系列通用全数字直流调速装置在中国的应用最为广泛，具有以下几点特点：1. 单台装置输出额定电枢电流: 15A3000A，额定励磁电流: 3A85A。装置并联后输出额定电枢电流可达12000A。2. 输入电压分为6 个等级: 400V/460V/575V/690V/830V/950V。3. 强大的通讯能力。有SIMOLINK 高速直接的装置-装置通讯，还可支持PROFIBUS、CAN-BUS、DeviceNet、USS 协议等。4. 所有工艺板，通讯板及OP1S 操作面板都可与新一代的SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制交流调速产品通用。系统结构框图：SIMOREG6RA70系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于可调速直流电机电枢和励磁供电，装置额定电枢电流范围为15至2000A，额定励磁3到85A，并可通过并联SIMOREG整流装置进行扩展，并联后输出额定电枢电流可达到12000A。6RA70直流控制器已经广泛应用与各行业，控制器器的核心器件上已经在国内外得到可靠实例的证实，可靠性、安全方面较有保障。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限工作的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它的任何阻力。设备即可完成参数的设定。所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现。可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。SIMOREG6RA70系列整流装置特点为体积小，结构紧凑。装置的门内装有一个电子箱，箱内装入调节板，电子箱内可装用于技术扩展和串行接口的附加板。各个单元很容易拆装使装置维修服务变得简单、易行。外部信号连接的开关量输入输出，模拟量输入、输出，脉冲发生器等，通过插接端子排实现。装置软件存放闪（Flash）EPPOM，使用基本装置的串行接口通过写入可以方便地更换。1.3系统设定依据自从全控型电力电子器件问世以后,就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：(1)PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。(2)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。(3)低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。(4)如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。(5)功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。(6)直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。1.4双闭环直流调速系统主电路拓扑结构图1.5直流电机参数设计要求额定功率Pe=11KW；额定电压Ue=230V额定电流Ie=47.8A；额定转速ne=1450r/min电枢回路总电阻R=1.8;电磁时间常数Tl=0.00278s;机电时间常数Tm=0.2015s；电动势系数C=0.1290V/（r.min-1 )2 直流调速系统主电路的设计2.1额定电压的选择直流电源由380V的三相交流电直接整流得到，所以直流侧电压为 其中为交流电相电压的有效值， 1.2 为考虑到大电容滤波后的电感升高系数。功率元件的电压额定为 所以在实际的应用中选择了日本三菱公司的CT60AM-20 其额定电压1000V 额定电流60A 可以满足要求。2.2滤波电容在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC(35)T/2,且有 Udmax=0.92200.95=188(V) 2C1.50.02, 即C15000 选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为220002.3驱动电路采用IR2110，它是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路， 是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。3 直流调速系统的控制理论3.1双闭环直流调速系统的原理3.1.1双闭环直流调速系统的原理框图我们设计的转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图（如下图），这个框图含有滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中为电流反馈滤波时间常数；为转速反馈滤波时间常数。3.1.2双闭环调速的工作过程电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可以通过调节速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近似于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正电动机的转速偏差。转速和电流双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。 图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。3.1.3双闭环直流调速系统的静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图所示。它可以很方便地根据原理图画出来，其中 PI调节器用带限幅的输出特性表示，这种PI调节器在工作中一般存在两种情况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。这样的稳态特性是分析双闭环调速系统的关键。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；因此，当调节器饱和后，调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE3.1.4双闭环调速系统的动态特性我们知道设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于下图所示的理想起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压时的启动过程，由静止状态启动时系统中各物理量的过渡过程 。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个启动的过渡过程也就分为三个阶段，在图中分别标以、三个阶段。第阶段是电流上升的阶段（0） 突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用,使都上升，当后，电动机开始起动。由于电动机机电惯性的作用，转速n及转速反馈信号的增长较慢，因而转速调节器ASR的输入偏差电压数值较大，使其输出很快达到限幅值。尽管在启动过程中转速反馈信号 不断上升，但只要其未超过给定值，则ASR输入偏差信号的极性保持不变，使其输出一直处于限幅值，这相当于速度环处于开环状态，ASR对系统的作用只是对电流调节环发出最大电流指令。当电流达到时，电流反馈电压与给定电压相平衡，电流调节器ACR的作用使不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快饱和，ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段是恒流升速阶段（） 这是启动过程的主要阶段，从电流上升到最大值开始，到转速升到给定值（即静特性上的）为止。在这个阶段中，由于ASR的输入偏差一直为正，使其输出一直为饱和的，转速环相当于开环，系统只剩下电流环单闭环工作，表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，ACR的调节作用使电流基本上保持恒定，若负载转矩恒定，则电动机的加速恒定，转速和电动势都按线性规律增长。对电流调节系统来说，电动势E相当于一个线性渐增的扰动，为了保持恒定，晶闸管整流装置的输出电压和控制也必须基本上按线性增长。由于电流调节器是PI调节器，要使其输出按线性增长，其输入偏差电压必须维持一个恒值，使ACR的积分起作用，因此，应略低于。为了保证电流环的这种调节作用，在这一阶段中电流调节器是不能饱和的，晶闸管整流装置也不应饱和。第阶段是转速调节阶段（以后）这个阶段从电动机转速上升到给定值时开始。此时转速调节器的给定电压与反馈电压相平衡，输入偏差电压零，但其输出却由于积分的记忆作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然产生转速超调。转速超调以后，ASR输入偏差电压变负，使其输出电压被迫迅速下降而退出饱和状态。由于从限幅值迅速下降，使电流也从下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，电动机的转速仍继续上升。到时刻，负载转矩和电磁转矩平衡，即，dn/dt=0，转速n上升到最大值。此后，电动机在负载阻力矩作用下开始减速，与此相应，在时间内，直到稳定。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，电流调节在内环，ACR的作用是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，ACR处于从属地位，电流内环是一个电流随动系统。3.1.5双闭环直流调速系统启动过程的特点综上所述，双闭环调速系统在突加给定电压时的启动过程有以下特点：（1）饱和非线性控制随着转速调节器ASR的饱和与不饱和，调节系统处于完全不同的运行状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，系统是一个无静差调速系统，电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。分析和设计这类系统时应采用分段线性化的方法，而且分析这类系统的动态性能时，必须注意初始状态，初始状态不同，同样系统的动态响应过程是不相同的。（2）时间准最优控制。启动过程中主要阶段是第阶段即恒流升速阶段，其特征是保持电流为允许的最大值，以便允许发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能快。这样，使系统在最大电流受限制的约束条件下，实现了“最短时间控制”，或称“时间最优控制” 。但是，这里只是实现了时间最优控制的基本思想，整个启动过程与图1.2b）的理想启动过程相比还有一些差距，启动过程的第，两个阶段电流不能突变，不是按时间最优控制的。但这两段在整个启动时间中一般并不占主要地位，已无伤大局，所以双闭环调速系统的启动过程可以称为“时间准最优控制” 。采用饱和非线性控制策略实现时间准最优控制是非常有实用价值的，在各种多环控制系统中得到普遍应用。（3）转速超调。由于采用了饱和非线性控制，启动过程进入第阶段即转速调节阶段后，必须使ASR退出饱和才能真正发挥线性调节的作用。根据具有限幅输出的PI调节器的相应特征，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压改变极性，才能使ASR退出饱和。因此，采用PI调节器的双闭环调速系统转速的动态响应一定有超调。3.2电流调节器的设计3.2.1电流环结构框图在双闭环调速系统中，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化远比电流变化慢，对电流环来说，反电动势的扰动变化较慢，在电流的瞬变过程中,反电动势基本不变，即。所以，在设计电流环时，不需要考虑反电动势变化的动态影响。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地转移到电流环内，同时把给定信号改成/，那么电流环就等效成单位负反馈系统。最后，由于和一般比小得多，可以看作是一个惯性环节。则电流环结构框图如图所示：3.2.2电流调节器结构的选择根据稳态要求，希望电流无静差，然而根据动态要求，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，所以，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。它的传递函数为 式中K为电流调节器的比例系数；为电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点抵消，选择 则电流环的动态结构框图便校正为图所示。3.3电流环参数的计算3.3.1确定时间常数（1)整流装置滞后时间常数 Ts。按表1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。（2)电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。 （3)电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0.0037s3.3.2计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：ti=Tl=0.00278s。电流环开环增益：要求i5%时，应取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系数为：3.3.3校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件3.3.4计算调节器电阻和电容所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为3.4转速调节器的设计3.4.1电流环的等效闭环传递函数电流环经过简化后可看成是转速环中的一个环节，那么，需求出它的闭环传递函数。由图可知 忽略高次项，可降阶近似为 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为 3.4.2转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替双闭环原理框图中的电流环后，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成/，再把时间常数为/和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 则转速环结构框图可简化成下图：3.5带限幅的PI调节器的模拟量电路图在双闭环直流调速系统中，为了保证调速系统中电气设备和机械设备的安全，需限制电动机的最大电流，这就需要对PI调节器的输出进行限幅。如下为带限幅的电路图：4双闭环直流调速系统的Matlab 仿真MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。Matlab 仿真图5 数字控制器的设计5.1硬件设计5.1.1数字控制的简单叙述 以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。 总之，微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。 由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是： 离散化-为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。 数字化-采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。5.1.2微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构 1.主电路 三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。 2检测回路 检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机，转速检测用数字测速。 3.故障综合 对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，以便及时处理，避免故障进一步扩大。 4.数字控制器 数字控制器是系统的核心，选用专为电机控制设计的INTEL8X196MC系列或TMS320X240系列单片微机，配以显示、键盘灯外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。这种微机芯片本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。5.1.3PWM驱动设计PWM发生电路是采用三角波发生器产生的三角波放大后与一路可调直流电压（电流调节器输出的uk） 进行比较，则电压比较器输出的是一系列方波信号。如果改变uk 的大小, 那么方波脉冲宽度将会改变, 从而达到脉宽调制的目的。其基本电路结构和调制原理如图：根据其工作原理，当控制电压CU改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。因此，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期T。则，当整个系统开环频率特性截至频率满足下式时可将滞后环节近似看成一阶惯性环节。因此，脉宽调制器和PWM变换器的传递函数可近似看成5.2软件电路双闭环控制系统的控制规律是靠软件来实现