电机及其运动控制系统课程设计说明书

北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 0 北北 京京 科科 技技 大大 学学 电机及其运动控制系统 课程设计说明书 题目 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 学院 自动化学院 专业 自动化 姓名 刘晓乐 学号 40950158 指导教师 潘月斗 2012 年 05 月 18 日 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 1 电电机机及及其其运运动动控控制制系系统统 课课程程设设计计说说明明书书 题题 目目 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 英英 文文 题题 目目 Design of ACR and ACR of the Main Circuit of Double Closed Loop V M Speed Control System 学学 院院 自动化学院 专专 业业 自动化 班班 级级 电 092 学学 生生 刘晓乐 学学 号号 40950158 指指导导教教师师 潘月斗 职职称称 副教授 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 2 摘 要 本设计简单介绍了双闭环调速系统的原理和动态结构 并基于相关原理 根据设 定的电机参数等已知条件和要求按工程设计方法对双闭环调速系统主回路及其保护系 统 转速调节器 ASR 和电流调节器 ACR 及其限幅电路进行设计 并对该系统 的调节器有关参数进行了计算 最终完成了双闭环 V M 调速系统的主电路以及电流 转速调节器的设计 并用Simulink 进行了仿真验证 总结了设计心得 关键词 双闭环 调速系统 ASR ACR 设计 计算 Simulink 仿真 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 3 目 录 摘 要 2 目 录 3 课程设计任务书 4 引 言 6 双闭环调速系统 7 系统各环节设计及参数计算 10 系统主回路及控制电路设计 14 Simulink 仿真 22 组态监控人机界面设计 31 设计心得 32 参考文献 33 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 4 课程设计任务书 一 设计题目一 设计题目 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 二 具体内容二 具体内容 1 主回路及其保护系统的设计 2 转速 电流调节器及其限幅电路的设计 三 已知条件及直流电机相关参数三 已知条件及直流电机相关参数 采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电 基本数据如下 直流电动机 N U 220V N I 136A N n 1460r min 电枢电阻 a R 0 2 允许过 载倍数 1 5 晶闸管装置 s T 0 00167s 放大系数 s K 40 平波电抗器 电阻 1 0 P R 电感mHLP4 电枢回路总电阻 R 0 5 电枢回路总电感 L 15mH 电动机轴上的总飞轮惯量 GD2 22 5N m2 电流调节器最大给定值 im U 10 2V 转速调节器最大给定值 nm U 10 5V 电流滤波时间常数 oi T 0 002s 转速滤波时间常数 on T 0 01s 设计要求 1 稳态指标 转速无静差 2 动态指标 电流超调量 5 i 空载 启动到额定转速的转速超调量 10 n 四 设计要求四 设计要求 1 写出设计说明书 内容包括 1 各主要环节的工作原理 2 整个系统的工作原理 3 调节器参数的计算过程 2 画出一张详细的电气原理图 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 5 3 采用 MATLAB 中的 Simulink 软件对整个调速系统进行仿真研究 对计算得 到的调节器参数进行校正 验证设计结果的正确性 将 Simulink 仿真模型 以及启 动过程中的电流 转速波形图附在设计说明书中 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 6 引 言 电机自动控制系统广泛应用于机械 矿冶 石油 化工 纺织和军工等行业 这 些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机 有效地控制电机从而提高其运行 性能对国民经济具有十分重要的现实意义 自上个世纪40 年代以来约半个世纪的时间里 直流电动机几乎是唯一能实现高性 能拖动控制的电动机 其定子磁场和转子磁场相互独立并且正交 为控制提供了便捷 的方式 使得电动机具有优良的起动 制动和调速性能 尽管近年来直流电动机不断 受到交流电动机及其它电动机的挑战 但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制 和闭环位置伺服控制首选 因为它具有良好的线性特性 优异的控制性能和高效率等优 点 直流调速仍然是目前最可靠 精度最高的调速方法 本课程设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统 进行设计和控制 设计出能够达到 参数指标要求的电力拖动系统的调节器 并应用 MATLAB 软件中的Simulink 模块对设计的系统进行仿真和校正以 最终满足预设指标的 目的 采用转速负反馈和PI 调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差 如果附带电 流截止负反馈作限流保护 则可以限制电流的冲击 但并不能控制电流的动态波形 我 们希望系统在启动时 一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流 电机有最大的 启动转矩和最短的启动时间 这一点利用单一的电流截止负反馈是很难实现的 此外 在单闭环调速系统中 用一个调节器综合多种信号 使各参数间相互影响 将导致难于进行调节器的参数调 控 例如 在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭 环系统中 同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节 调节器的 动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质 为了解决单闭环调速系统存 在的问题 可以采用转速 电流串级调速系统 即转速电流双闭环调速系统 采用两 个调节器分别对转速和电流进行调节 这就是本次课程设计需要完成的任务 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 7 1 双闭环调速系统 1 1 概概述述 在许多应用场合 为了充分发挥生产机械的效能提高生产率 速度控制系统经常 处于起动 制动 反转以及突加负载等过渡过程中 所以要求速度控制系统有较好的 动态性能 对高性能 静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性 起制性 较好的抗干扰性和高可靠性 可瞬态过载但不过电流 因此引入了转速 电流双闭 环调速体统 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 转速 负反馈和比例积分调节器的单闭环调速系统能够保证系统在稳定的条件下实现转速无 静差调节 但是该控制系统也有自身的缺点 比如要求快速启动 突加负载动态速降 等 将电流截止负反馈环节与转速负反馈调速系统结合在一起 可以专门用来控制电 流 从工作原理上分析 它只能是在超过临界电流值以后 才能靠强烈的负反馈作用 限制电流的冲击 并不能很理想地控制电流的动态波形 由于电流截止负反馈只能限 制最大电流 电机转矩也随电流的减小而下降 使启动加速过程变慢 启动的时间也 比较长 所以在工业生产中 如龙门刨床 可逆轧钢机等要求经常正反转运行的调速 系统为了提高生产效率和加工质量 要求 尽量缩短起 制动过程的时间 为了能实现 在允许条件下最快启动 依照反馈控制规律 经论证与实践 采用转速 电流双闭环 调速系统就能达到上述要求 1 2 系系统统组组成成及及原原理理 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 在系统中设置两个调节器 分别调 节转速和电流即分别引入转速负反馈和电流负反馈 二者之间实行嵌套链接 如 图1 所 示为转速 电流双闭环调速系统的 结构原理图 图中两个调节器ASR 和ACR 分别为转 速调节器和电流调节器 二者串级连接 即把转速调节器的输出作为电流调节器的输 入 再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置 电流环在内 称之为内 环 转速环在外 称之为外环 这就形成了转速 电流双闭环调速系统 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 8 为获得良好的静 动态性能 转速和电流两个调节器一般采用 PI 调节器 这样就 构成了双闭环直流调速系统的电路原理图如图2 所示 两个调节器输出都带有限幅 ASR 的输出限幅Uim决定了电流调节器ACR 的给定电压最大值Uim 电流调节器ACR 输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值和最小触发角 1 3 系系统统的的静静特特性性与与动动特特性性 静特性 在正常负载情况下 转速调节器不饱和 电流调节器也不饱和 稳态时 依靠调节器的调节作用 它们的输入电压偏差电压都是零 因此 系统具有绝对硬的 静特性 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 9 当电动机的负载电流上升时 转速调节器的输出也将上升 当 Id上升到一定数值时 转速调节器的输出达到限幅值 转速环失去调节作用 呈开环状态 速度的变化 对系统 不再产生那个影响 此时只剩下电流环起作用 双闭环直流调速系统稳态结构 图如图3 所示 动特性 双闭环调速系统的动态结构如图4 所示 由于电流检测信号中常含有交 流分量 须加低通滤波 其滤波时间常数Toi按需要选定 滤波环节可以抑制反馈信号 中的交流分量 但同时也给反馈信号带来了延滞 为了平衡这一延滞作用 在给定信 号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节 称作给定滤波环节 其作用是 让给定 信号和反馈信号经过同样的延滞 使二者在时间上得到恰当的配合 从而带来设计上 的方便 由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波 因此也需要滤波 滤波时间常数用Ton表示 根据和电流环一样的道理 在转速给定通道中也配上时间 常数为Ton的给定滤波环节 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 10 2 系统各环节设计及参数计算 2 1 电电流流环环的的设设计计 1 确定时间常数 确定时间常数 电流环小时间常数 i T 由于已给0 002 oi Ts 因此 i T s oi T 0 00367s 电枢回路时间常数 l T l T L R 0 015 0 5 0 03s 2 确定电流调节器结构和参数 确定电流调节器结构和参数 结构选择 根据性能指标要求 5 i 0 03 8 1710 0 00367 l i T T 抗干扰性能适中 因此电 流环按典型 型系统设计 调节器选用 PI 其传递函数为 1 ii ACR i Ks Ws s 参数计算 为了将电流环校正成典型 I 型系统 i应对消控制对象中的大惯性环节时间常数 T1 即取 i T1 0 03s 为了满足 i 5 的要求 应取 Kop iT i 0 5 因此 有 Kop i 1 2T i 1 2 0 00367 136 2s 1 于是可以求得 ACR 的比例放大系数为 Ki Kop i iR Ks 136 2 0 03 0 5 0 05 40 1 022 校验近似条件 a 晶闸管整流装置传递函数近似条件 wci 1 3Ts wci Kop i 136 2s 1 而 1 3Ts 199 6s 1显然满足近似条件 b 电流环小时间常数近似处理条件 wci 1 3 1 TsToi 1 2 而 1 3 1 TsToi 1 2 182 4s 1 wci 显然也满足近似条件 忽略反电动势对电流环影响的条件 lm ci TT 1 3 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 11 由于 N U220 136 0 2 Ce 0 132min 1460 Na N I R Vr n 30 me CC 所以 2 2 22 5 0 5 0 18 375375 0 13230 m em GD R Ts C C 因此 查表 1 典型 型系统参数与动态跟随性能指标的关系 设计后电流环可以达到 的动态指标为 i 4 3 VD7 U1 B 输出高电平 可通过调节电位器 RV1 设置 U1 B 输出的高电平电压值不足以击穿电流调节器 ACR 电路中的二极管 D1 图 12 电流变换及过流保护器电路如图 3 2 8 触发器 触发器 GT 触发器电路见图 13 所示 采用锯齿波同步触发电路 具有强触发 双脉冲和脉 冲封锁等环节 可触发 200 A 的晶闸管 锯齿波同步触发脉冲不受电网电压波动与波形畸变的直接影响 抗干扰能力强 而且移相范围宽 在大 中容量中得到了广泛应用 其缺点是 整流装置的输出电 压与控制电压之间不是线性关系 电路比较复杂 锯齿波同步触发电路由锯齿波形成 同步移相与脉冲形成放大两个环节组成 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 20 图 13 触发器电路图 3 2 9 转速变速器 转速变速器 FBS 转速变换器电路如图 14 所示 其用于转速反馈的调速系统中 将直流测速发电 机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压作为速度反馈 图 14 转速变换器电路图 3 2 10 直流稳压电源 直流稳压电源 DC RPS 直流稳压电源电路如图 15 所示 其由三相交流电经整流和稳压所得 用于双闭 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 21 环直流调速系统中所有需要 15V 直流电源的器件 图 15 直流稳压电源电路图 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 22 4 Simulink仿真 4 1 仿仿真真模模型型的的建建立立 进入MATLAB 单击MATLAB 命令窗口工具栏中的Simulink 图标 打开 Simulink 模块浏览器窗口 打开模型编辑窗口 选中所需的子模块 拖入模型编辑窗口 双击模块图案 则出 现关于该图案的对话框 通过修改对话框内容来设定模块的参数 模块中需要修改的相 关参数由前部分中计算所得 完成了对模块参数的调整后就可以 根据双闭环直流调速系统的动态结构图对各 模块 予以连接 完整的仿真模型如图16 所示 4 2 仿仿真真波波形形 电机启动时 仿真的 电流曲线 转速曲线和电流转速波形分别 如图17 18 和19 所 示 由图易见 满足转速超调量 10 n 电流超调量 5 i 由Simulink 仿真的波形来看 各个环节参数的设计和校正是 较为合理的 综上可 以认为 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满足 了设计要 求 4 3 改改进进方方案案 基基于于S函函数数的的单单神神经经元元PID控控制制 基于反馈控制理论 以PID 控制器为代表的传动系统一直是电气传动领域中较为 成熟的控制方案 但是传统的PID 控制往往不能适应控制对象的参数变化和非线性特 性 从而很难获得满意的控制效果 近年来神经网络在控制领域中的研究有了很大的 进展 而单神经元作为神经网络的基本组成单位 具有自学习 自适应的功能 而且 其算法简单 易于实现实时控制 现将转速环采用基于 S 函数的单神经元PID 控制器 来代替 内环电流环仍采用传统的PI 调节器 基本结构图如图 20 所示 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 23 图16 系统仿真模型图 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 24 图17 电流曲线 图18 转速曲线 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 25 图19 电流转速曲线 图20 基于S 函数的单神经元PID 控制的基本结构图 神经网络PID 控制是神经网络应用于PID 控制并与传统PID 控制器相结合而产生 的一种改进型控制方法 是对传统的PID 控制的一种改进和优化 结构图如图21 所示 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 26 图21 单神经元PID 控制器结构图 图中状态转换器的输入反映被控对象及控制设定的状态 转换器的输出为神经元 学习控制所需的状态量 控制信号u k 由神经元通过关联搜索和自学习产生 设定输入 r y 为给定值 y 为输出值 经状态变换器转换后成为神经元学习控制所需的状态量 x1 x2 x3 这里 x1 k e k x2 k e k e k e k 1 x3 k e k 2e k 1 e k 2 由于BP 神经网络PID 控制器不直接用传递函数加以描述 若简单地应用 Simulink 将无法对其进行仿真 BP 神经网络PID 控制器的核心部分的S 函数为 function sys x0 str ts neuron t x u flag u 1 wkp 1 wki 1 wkd 1 xiteP xiteI xiteD e 1 e 2 tmp para switch flag case 0 sys x0 str ts mdlInitializeSizes case 3 sys mdlOutputs t x u u 1 wkp 1 wki 1 wkd 1 xiteP xiteI xiteD e 1 e 2 case 1 2 4 9 sys otherwise error Unhandled flag num2str flag end function sys x0 str ts mdlInitializeSizes sizes simsizes sizes NumContStates 0 sizes NumDiscStates 0 sizes NumOutputs 1 sizes NumInputs 1 sizes DirFeedthrough 1 sizes NumSampleTimes 1 sys simsizes sizes x0 str ts 1 0 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 27 function sys mdlOutputs t x u u 1 wkp 1 wki 1 wkd 1 xiteP xiteI xiteD e 1 e 2 tmp para x 1 u 1 e 1 x 2 u 1 x 3 u 1 2 e 1 e 2 wkp wkp 1 xiteP u 1 x 1 wki wki 1 xiteI u 1 x 2 wkd wkd 1 xiteD 5 u 1 x 3 x x 1 x 2 x 3 wadd abs wkp abs wki abs wkd w11 wkp 100 wadd w22 wki 50 wadd w33 wkd wadd w w11 w22 w33 sys w x 40 e 2 e 1 e 1 u 1 wkp 1 wkp wkd 1 wkd wki 1 wki 该控制器中的外部参数和初始值均在封装后的控制器参数对话框中给出 建立好 S Fuction 封装模型后即可加入响应环节使用 例如 对二阶系统1 S2 4S 1 系统的单位 阶跃仿真模型及波形分别如图22 和23 所示 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 28 图22 单神经元自适应PID 控制系统仿真模型 图23 单神经元自适应PID 控制系统仿真波形 而采用传统PID 控制的输出波形则如图24 所示 图24 传统PID 控制系统仿真波形 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 29 由仿真波形对比可知 采用传统PID 控制系统有一定的超调 而采用单神经元自 适应PID 控制系统基本无超调 虽然响应时间有点慢 但总体性能优良 而且抗干扰 能力和自适应能力加强 根据以上分析 现将转速环采用基于S 函数的单神经元PID 控制器来代替 内环 电流环仍采用传统的PI 调节器 其仿真模型 和波形分别如图25 和26 所示 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 30 图25 单神经元自适应PID 控制直流双闭环系统仿真 模型 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 31 图26 单神经元自适应PID 控制直流双闭环系统仿真波形 由仿真波形图可知应用单神经元网络对直流双闭环调速系统中转速环节器的比例 和积分参数进行在线字学习调整 仿真结果表明 用这种控制方法得到的转速调节器 参数比传统的工程整定法得到的参数控制性能好的多 有操作简便 响应快 过渡过 程时间短 基本无超调等优点 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 32 5 组态监控人机界面 设计 为了更好地监控整套系统的运作 在硬件电路成型的基础上 我们提出了一个基 于单片机与组态王通讯的 监控系统和人机操作界面 该系统可动态监控整个双闭环系 统的主要参数 并绘制参数变化曲线 通过设定报警阈值对系统进行报警 同时 本系统还集成了对电机原始参数的设定或改变 可观察到不同参数条件下 双闭环直流调速系统的调速效果 该组态监控人机界面的登陆界面和主控界面分别如 图27 和28 所示 图27 双闭环V M 直流调速系统登陆界面 图28 双闭环V M 直流调速系统主控界面 北京科技大学电机及其运动控制系统 课程设计说明书 33 6 设计心得 本人此次负责电气方面的设计 查阅了各种相关资料和比