直流电机调速系统控制器设计

成都理工大学工程技术学院毕业论文 直流电机调速系统控制器设计直流电机调速系统控制器设计 作者姓名 邓 勇 专业名称 电气工程及其自动化 指导教师 王 安 讲师 直流电机调速系统控制器设计 I 摘要摘要 随着现代工业的不断发展 直流调速系统在许多领域获得了广泛 的应用 由于数字控制具有较好的控制性能和较强的抗干扰性 所以 成为直流电机的主流控制方式 为了进一步提高直流电机控制的现代 化程度 电机的控制方法也由原来的单机独立模拟式控制转变为总线 集中式数字式控制 本文进行了直流电机调速系统控制器设计的研究 在研究直流调 速控制器的基础上 分析了单闭环直流调速系统以及微机控制双闭环 可逆直流 PWM 调速系统原理 针对现有条件和要求 利用 Simulink 进行全数字直流调速控制器 PWM M 可逆调速系统的建模仿真 通过对研制的调速控制器的实验仿真测试 该控制平台运行稳定 设计思路正确 实现了预期的功能 能够实现调速功能和监测监控功 能 对于现有的自控实验装置改进以及控制器改造有着一定的实用价 值 关键词关键词 直流电动机 可逆调速 PWM Simulink 直流电机调速系统控制器设计 II Abstract With the continuous development of modern industry DC speed control system in many areas access to a wide range of applications Since digital control has better control performance and strong anti interference so as the main DC motor control To further improve the modernization level of DC motor control motor control method is also independent from the single analog control into a centralized digital control bus This paper conducted a DC motor speed controller design of the system DC speed controller in the study based on the analysis of a single closed loop DC system and double loop computer control Reversible DC PWM speed control system principles For existing conditions and requirements the use Simulink to all digital DC speed controller PWM M SR System Modeling and Simulation Speed controller developed by the experimental simulation test the control platform is stable the correct design ideas to achieve the desired functionality to achieve speed control function and the monitoring and control functions for the improvement of the existing controlled experimental device and the controller transformation has some practical value Keywords DC Motor Speed Control PWM Simulink 直流电机调速系统控制器设计 III 目录目录 摘要 I Abstract II 目录 III 前言 1 1 直流调速系统的发展 2 1 1 直流调速系统国内外发展现状及发展趋势 2 1 2 直流调速系统的可控直流电源 3 1 3 课题研究的意义和目的 3 1 3 1 自动控制系统简介 4 1 3 2 电力拖动自动控制系统 4 1 3 3 直流双闭环系统的介绍 5 2 双闭环直流调速系统的分析 7 2 1 双闭环直流调速系统的动态数学模型 7 2 2 起动过程分析 8 2 2 1 起动过程 8 2 2 2 分析结果 11 2 3 动态抗扰性能分析 11 2 3 1 抗负载扰动 12 2 3 2 抗电网电压扰动 12 2 3 3 对比分析 13 2 4 转速和电流两个调节器的作用 13 2 4 1 转速调节器的作用 13 2 4 1 电流调节器的作用 14 3 设计系统分析 16 3 1 系统分析及功能要点 16 3 2 系统结构框图及基本工作原理 16 直流电机调速系统控制器设计 IV 3 2 1 软启动和软关断 17 3 2 2 最小弱磁限制 18 3 2 3 转速闭环 PI 调节 19 3 2 4 电流截止负反馈 20 3 2 5 系统工作异常保护 20 4 Simulink 环境中的系统模型 仿真结果及分析 21 4 1 电流环的 MATLAB 计算及仿真 22 4 1 1 电流环校正前后给定阶跃响的 MATLAB 仿真 22 4 1 2 绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标 25 4 1 3 单位冲激信号扰动的响应曲线 26 4 1 4 电流环频域分析的 MATLAB 计算及仿真 28 4 2 转速环的 MATLAB 计算及仿真 30 4 2 1 转速环校正前后给定阶跃响应的 MATLAB 仿真 30 4 2 2 绘制单位阶跃信号扰动响应曲线并计算其性能指标 32 4 2 3 单位冲激信号扰动的响应曲线 34 4 2 4 转速环频域分析的 MATLAB 计算及仿真 35 总结 38 致谢 39 参考文献 40 直流电机调速系统控制器设计 1 前言前言 中小型功率直流电动机转速控制系统 正向着小型化 简单化和 智能化的方向发展 随着计算机和微处理技术的发展和应用不断广泛 采用计算机和微型处理机控制直流电动机调速系统将达到更高的性能 指标 也是今后直流电动机调速技术发展的方向 但对于控制精度的 要求也愈来愈高 完全采用弱磁调速直流电机 一般应用于空间体积要求不太严格 场合 特别一些大功率电机稳速系统中 弱磁调速这种方法 与采用 PWM 变换器电枢电压调速方法 大功率应用上相比具有很大优越性 其优点是 调节功率小 控制方便 能量损耗小 调速平滑性较高 这种调速方法不经常逆转重型机床等对调节时间要求不高场合中 有 着相当广泛应用 目前直流电机调速系统主要采用带转速环和电流环的双闭环调速 系统 此系统的电流环中由于电流断续和用电流值作为反馈信号存在 一定的偏差 使得此种方法在动态特性和控制精度上存在一些欠缺 为解决这些不足而提出的带电流变化率的三闭环调速系统由于其系统 复杂 采用单片机控制实现较为困难也没有广泛应用 在反馈控制系 统中 是按每个采样时刻间断进行控制的 因此采样周期越短越好 与此相反 检测状态参数检测时间越短越难以进行精确测量 在闭环 控制系统中 若采样周期过长 不但会丢失许多有用信息 还会使闭 环系统产生震荡使不连续的大输入信号加到控制对象上来 因此 在 单片机处理时间内 要以相应于系统最快状态的短采样周期来进行全 部控制是难以实的 所以 实际上都采用多重采样周期控制 即在快 速状态时采用短采样周期控制 在较慢速状态时采用长周期控制 本系统采用 Simulink 对直流电机双闭环系统进行仿真 直流电机调速系统控制器设计 2 1 直流调速系统的发展直流调速系统的发展 1 1 直流调速系统国内外发展现状及发展趋势直流调速系统国内外发展现状及发展趋势 1 发展经历 一个多世纪以来 电动机作为最主要的机电能量转换装置 其应 用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常常生活 过去电动机 的调速控制一般采用模拟法 随着计算机 微电子技术的发展以及新 型电力电子功率器件的不断涌现 电动机的控制策略也发生了深刻的 变化 传统的模拟控制方法正逐渐被以微控制器为核心的数字控制所 取代 2 国内外研究动态 早期直流传动的控制器由模拟分离器件构成 由于模拟器件有其 固有的缺点 如存在温漂 零漂电压 构成系统的器件较多 使得模 拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低 20 世纪 70 年代以来 利 用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用 如 Intel8031 8051 AT89c52 等 在单片机控制系统中 单片机作为系统 控制的核心 主要用来完成一些算法 同时还要处理一些输入 输出 显示任务等 单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高 然而 受单片机本身结构的限制 以之为核心的单片机控制系统仍需 要较多的元器件于是许多工程师认识到了单片机和电动机专用芯片各 自的优势和缺点 设计了以单片机和专用芯片为核心的电动机控制系 统 在这些系统中 利用单片机的可编程特点 主要用来执行一些检 测 控制算法 并输出相应的控制信号给专用芯片 利用专用芯片内部 具有的电动机专用硬件控制机制 用来快速产生用于电动机功率电子 电路的控制信号 这些系统将单片机和专用芯片优势互补 使得系统 即可以满足实时性的要求 又具有用户可编程的灵活性 从而迅速成 为主流的电动机控制系统设计方法 但是 这些系统仍存在单片机系 统固有的缺点 即系统组成元件多 处理能力有限等 从而使最终系 直流电机调速系统控制器设计 3 统的可靠性较低 成本提高 也难适应要求较高的场合 电动机的数字控制技术的发展得力于微电子技术 电力电子技术 传感器技术 自动控制技术 特别是微控制器技术 现代控制技术是 以微控制器为核心的技术 由此构成的控制系统成为当今工业控制的 主流系统 这种系统已取代常规的模拟检测 调节 显示 记录等仪 器设备和很大部分操作的人工职能 使受控对象的动态过程按规定方 式和技术运行 以完成各种控制 操作管理等任务 近几年来 这嵌 入式系统在肩同 通信 工业 仪器 等领域的广泛应用 现代控制 技术已深入各行业的诸多领域 进入 90 年代以来 由于计算机技术的 飞速发展 推动数控技术更快的更新换代 世界上许多数控系统生产 厂家利用 PC 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控 系统 开放式体系结构使数控系统有更好的通用性 柔性 适应性 扩展性 并向智能化 网络化方向大大发展 1 2 直流调速系统的可控直流电源直流调速系统的可控直流电源 调压调速是直流调速系统用的主要方法 要实现调压调速性能要 有一个平滑可调的直流电源 怎么得到这个电源是必须要解决的 常 用的可调直流电源有下三种 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 以获得 可调的直流电压 静止可控整流器 用静止的可控整流器 例如晶闸管可控整流 器 以获得可调的直流电压 直流斩波器和脉冲调制变换器 用恒定直流电源或不整镇流电 源供电 利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压 1 3 课题研究的意义和目的课题研究的意义和目的 利用本校实验室现有的 KZS 1 型晶闸管直流调速装置的主电路 该装置是根据晶闸管直流调速实验的要求而全国统一设计的实验设备 对 KZS 1 型晶闸管直流调速实验装置进行更新换代进行尝试 同时在 我国煤炭生产企业中 装备了相当数量的国内外直流拖动提升机 如 今这些设备与系统的元器件已经老化与损坏 而原厂家己不再生产此 直流电机调速系统控制器设计 4 类产品 整个系统的技术水平仍然停留在模拟控制水平 满足不了矿 山生产和安全的需要 因此对这些系统与设备进行改造也是很有必要 基于 DSP 的直流电机数字控制实验平台的研制 可将思路及技术直接 移植到矿山提升机控制系统 应用 CAN 总线和虚拟仪器技术 研制以 网络化为主要特征的自动控制系统综合实验平台 一方面解决控制系 统的可靠性和安全性 另一方面解决 信息孤岛 的问题 通过总线将 提升系统的相关信息进入安全生产监测监控系统 为经济建设服务 1 3 1 自动控制系统简介自动控制系统简介 现代自动控制系统应用非常广泛 几乎遍及国民经济的所有部门 现在讨论的控制系不是广义的 泛指的控制系统 而是工程技术领域 里常指的自动控制系统 以控制对象生产工艺过程的性质 特点而论 控制系统大体可分为两大类 一类是以机械运动为主要生产形式 以 电动机为执行机构的 电力拖动自动控制系统 另一类是以化学反应 或者热能转换为主要生产形式 以自动化仪表与装置为检测与执行机 构的 工业生产过程控制系统 这两类控制系统仅仅是执行机构和系统的设备生产形式不同 其 自动控制的理论完全一样 研究的方法以及仿真理论 过程没有什么 差别 1 3 2 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 在现代工业生产中 为了实现各种不同生产工艺过程的要求 需 要使用各种各样的生产机械 例如各类生产机床 轧钢机 矿井提升 机 水磨机 造纸机 纺织机械 化工机械 电力机床 电梯 起重 机 榨油机 水泵 电动工具乃至家用电器等等 数不胜数 电动机拖动生产机械运转叫做电力拖动 电力拖动 是电动机将 电能转换为机械能的过程 是当代各种生产活动最基本也是最先进的 形式 这是新型的电力代替传统而原始的人力或者畜力的历史必然 也是现代文明的标志之一 作为现代能源主要形式的电能 其生产集中在火力 水力 风力 与原子能发电厂进行 电能可远距离输送 简单经济 易于分配 转 换与控制 检测方便 价格低廉 电力拖动比其它形式的拖动效率要 直流电机调速系统控制器设计 5 高得多 原动机与被动机械的连接简便 电动机效率高 运转经济 电动机的形式种类与规格很多 具有各种良好的特性 可适应各种不 同生产机械的需要 电动机易于操作及控制 电动机的起动 制动 反向及调速等控制简便快捷 调节性能良好 电力拖动可实现远距离 控制与自动调节 并进而实现生产过程的自动化 在现代工业生产中 为了实现各种不同生产工艺过程的要求 需 要使用各种各样的生产机械 例如各类生产机床 轧钢机 矿井提升 机 水磨机 造纸机 纺织机械 化工机械 电力机床 电梯 起重 机 榨油机 水泵 电动工具乃至家用电器等等 数不胜数 电动机拖动生产机械运转叫做电力拖动 电力拖动 是电动机将 电能转换为机械能的过程 是当代各种生产活动最基本也是最先进的 形式 这是新型的电力代替传统而原始的人力或者畜力的历史必然 也是现代文明的标志之一 作为现代能源主要形式的电能 其生产集中在火力 水力 风力 与原子能发电厂进行 电能可远距离输送 简单经济 易于分配 转 换与控制 检测方便 价格低廉 电力拖动比其它形式的拖动效率要 高得多 原动机与被动机械的连接简便 电动机效率高 运转经济 电动机的形式种类与规格很多 具有各种良好的特性 可适应各种不 同生产机械的需要 电动机易于操作及控制 电动机的起动 制动 反向及调速等控制简便快捷 调节性能良好 电力拖动可实现远距离 控制与自动调节 并进而实现生产过程的自动化 1 3 3 直流双闭环系统的介绍直流双闭环系统的介绍 直流电机双闭环 电流环 转速环 调速系统是一种当前应用广泛 经济 适用的电力传动系统 它具有动态响应快 抗干扰能力强优点 我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能 它对于被反馈环的 前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制 采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差 但如果对系统的动态性能要求较高 例如要求起制动 突加负载动态 速降小等等 单闭环系统就难以满足要求 这主要是因为在单闭环系 统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩 在单闭环系统 中 只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的 但它只是在超 直流电机调速系统控制器设计 6 过临界电流值后 靠强烈的负反馈作用限制电流得冲击 并不能很理 想的控制电流的动态波形 在实际工作中 我们希望在电机最大电流 受限的条件下 充分利用电机的允许过载能力 最好是在过度过程中 始终保持电流 转矩 为允许最大值 使电力拖动系统尽可能用最大的加 速度起动 达到稳定转速后 又让电流立刻降下来 使转矩马上与负 载相平衡 从而转入稳定运行 这时 启动电流成方波形 而转速是 线行增长的 这是在最大电流 转矩 首相的条件下调速系统做能得到的 最快的起动过程 实际上 由于主电路电感的作用 电流不能突跳 为了实现在允 许条件下最快启动 关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过 程 按照反馈控制规律 电流负反馈就能得到近似的恒流过程 问题 是希望在启动过程中只有电流负反馈 而不能让它和转速负反馈同时 加到一个调节器的输入端 到达稳胎转速后 又希望只要转速负反馈 不在靠电流负反馈发挥主作用 因此我们采用双闭环调速系统 这样 就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的 阶段 直流电机调速系统控制器设计 7 2 双闭环直流调速系统的分析双闭环直流调速系统的分析 2 1 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上 考虑双闭环控制 的结构 即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图 如下图所示 图 2 1 双闭环直流调速系统的动态结构图 图 2 1 双闭环直流调速系统的动态结构图中 WASR s 和 WACR s 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数 如果采用 PI 调节器 则有 2 1 i ACRi i 1 s WsK s 2 2 n ASRn n 1 s WsK s 直流电机调速系统控制器设计 8 2 2 起动过程分析起动过程分析 前已指出 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想 起动过程 因此在分析双闭环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由静止状态起动时 转速和 n U 电流的动态过程示于下图 图 2 2 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 2 2 1 起动过程起动过程 由于在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和 饱和 退饱和 三种情况 整个动态过程就分成图中标明的 I II III 三个阶段 第 I 阶段电流上升的阶段 0 t1 直流电机调速系统控制器设计 9 图 2 3 双闭环直流调速系统上升阶段的转速和电流波形 突加给定电压后 上升 当小于负载电流时 电机还不能 n U d I d I dl I 转动 当 后 电机开始起动 由于机电惯性作用 转速不会很快 d I dl I 增长 因而转速调节器 ASR 的输入偏差电压的数值仍较大 其输出电 压保持限幅值 强迫电流迅速上升 im U d I 直到 电流调节器很快就压制了的增长 标志着这 d I dm I i U im U d I 一阶段的结束 在这一阶段中 ASR 很快进入并保持饱和状态 而 ACR 一般不 饱和 第 II 阶段恒流升速阶段 t1 t2 直流电机调速系统控制器设计 10 图 2 4 双闭环直流调速系统恒流升速阶段的转速和电流波形 在这个阶段中 ASR 始终是饱和的 转速环相当于开环 系统成 为在恒值电流给定下的电流调节系统 基本上保持电流恒定 因 im U d I 而系统的加速度恒定 转速呈线性增长 与此同时 电机的反电动势 E 也按线性增长 对电流调节系统来 说 E 是一个线性渐增的扰动量 为了克服它的扰动 和也必 0d U c U 须基本上按线性增长 才能保持恒定 d I 当 ACR 采用 PI 调节器时 要使其输出量按线性增长 其输入偏差电 压必须维持一定的恒值 也就是说 应略低于 d I dm I 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段 为了保证电流环的主要 调节作用 在起动过程中 ACR 是不应饱和的 电力电子装置 UPE 的 最大输出电压也须留有余地 这些都是设计时必须注意的 第 阶段转速调节阶段 t2 以后 当转速上升到给定值时 转速调节器 ASR 的输入偏差减少到零 但其输出却由于积分作用还维持在限幅值 所以电机仍在加速 使 im U 转速超调 转速超调后 ASR 输入偏差电压变负 使它开始退出饱和状态 和很快下降 但是 只要仍大于负载电流 转速就继续上 i U d I d I dl I 直流电机调速系统控制器设计 11 升 直到 时 转距 则 dn dt 0 转速 n 才到达峰值 t t3时 d I dl I e T l T 此后 电动机开始在负载的阻力下减速 与此相应 在一小段时 间内 t3 t4 直到稳定 如果调节器参数整定得不够好 也 d I dl I 会有一些振荡过程 2 2 2 分析结果分析结果 综上所述 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点 饱 和非线性控制 转速超调准 时间最优控制 1 饱和非线性控制 根据 ASR 的饱和与不饱和 整个系统处于完全不同的两种状态 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 整个系统是一个无静差调速系统 而 电流内环表现为电流随动系统 2 转速超调 由于 ASR 采用了饱和非线性控制 起动过程结束进入转速调节阶 段后 必须使转速超调 ASR 的输入偏差电压为负值 才能使 n U ASR 退出饱和 这样 采用 PI 调节器的双闭环调速系统的转速响应必 然有超调 3 准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第 II 阶段的恒流升速 它的特征是电流 保持恒定 一般选择为电动机允许的最大电流 以便充分发挥电动机 的过载能力 使起动过程尽可能最快 这阶段属于有限制条件的最短 时间控制 因此 整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制 2 3 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 一般来说 双闭环调速系统具有比较满意的动态性能 对于调速 系统 最重要的动态性能是抗扰性能 主要是抗负载扰动和抗电网电 压扰动的性能 直流电机调速系统控制器设计 12 2 3 1 抗负载扰动抗负载扰动 图 2 5 直流调速系统的动态抗负载扰作用 由动态结构图中可以看出 负载扰动作用在电流环之后 因此只 能靠转速调节器 ASR 来产生抗负载扰动的作用 在设计 ASR 时 应 要求有较好的抗扰性能指标 2 3 2 抗电网电压扰动抗电网电压扰动 图2 6 直流调速系统的动态抗扰作用 直流电机调速系统控制器设计 13 图2 7 Ud 电网电压波动在整流电压上的反映 2 3 3 对比分析对比分析 在单闭环调速系统中 电网电压扰动的作用点离被调量较远 调 节作用受到多个环节的延滞 因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性 能要差一些 双闭环系统中 由于增设了电流内环 电压波动可以通过电流反 馈得到比较及时的调节 不必等它影响到转速以后才能反馈回来 抗 扰性能大有改善 因此 在双闭环系统中 由电网电压波动引起的转速动态变化会 比单闭环系统小得多 2 4 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 综上所述 转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的 作用可以分别归纳如下 2 4 1 转速调节器的作用转速调节器的作用 1 转速调节器是调速系统的主导调节器 它使转速 n 很快地跟 随给定电压变化 稳态时可减小转速误差 如果采用 PI 调节器 则可 实现无静差 2 对负载变化起抗扰作用 3 其输出限幅值决定电机允许的最大电流 直流电机调速系统控制器设计 14 2 4 1 电流调节器的作用电流调节器的作用 1 作为内环的调节器 在外环转速的调节过程中 它的作用是使 电流紧紧跟随其给定电压 即外环调节器的输出量 变化 2 对电网电压的波动起及时抗扰的作用 3 在转速动态过程中 保证获得电机允许的最大电流 从而加快 动态过程 4 当电机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起快速的自 动保护作用 一旦故障消失 系统立即自动恢复正常 这个作用对系 统的可靠运行来说是十分重要的 图2 8 双闭环直流调速系统的静特性 1 转速调节器不饱和 2 3 nn0 UUnn 2 4 iid UUI 式中 转速和电流反馈系数 由第一个关系式可得 2 5 n 0 U nn 直流电机调速系统控制器设计 15 从而得到上图静特性的 CA 段 1 静特性的水平特性 与此同时 由于 ASR 不饱和 从上述第二个关系式可 i U im U 知 d I dm I 这就是说 CA 段静特性从理想空载状态的 0 一直延续到 d I d I 而 一般都是大于额定电流 的 这就是静特性的运行 dm I dm I dN I 段 它是水平的特性 2 转速调节器饱和 这时 ASR 输出达到限幅值 转速外环呈开环状态 转速的 im U 变化对系统不再产生影响 双闭环系统变成一个电流无静差的单电流 闭环调节系统 稳态时 2 6 im ddm U II 式中 最大电流是由设计者选定的 取决于电机的容许过载能 dm I 力和拖动系统允许的最大加速度 静特性的垂直特性式 2 2 所描述的静特性是上图中的 AB 段 它是 垂直的特性 这样的下垂特性只适合于 n 则 0 n 0 n n U ASR 将退出饱和状态 n U 3 两个调节器的作用 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差 dm I 这时 转速负反馈起主要调节作用 当负载电流达到后 转速调节器饱和 电流调节器起主要调节 dm I 作用 系统表现为电流无静差 得到过电流的自动保护 这就是采用了两个 PI 调节器分别形成内 外两个闭环的效果 这样的 静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好 然而实际上 运算放大器的开环放大系数并不是无穷大 特别是为了避免零点飘移 而采用 准 PI 调节器 时 静特性的两段实际上都略有很小的静差 如上图中虚线所示 直流电机调速系统控制器设计 16 3 设计系统分析设计系统分析 3 1 系统分析及功能要点系统分析及功能要点 针对被控电机特点以及所采用调速方法 控制系统设计中需要考 虑的问题 1 一般供电系统中必然存电压波动问题 控制系统必须能够适应 供电电压大幅度波动 2 弱磁调速方法存机械特性偏软问题 结合转速闭环弱磁调速方 法则能有效改善系统机械特性 3 飞车是弱磁调速存最大问题 最小弱磁限制是非常重要 供电 电压不变时 最小弱磁限制为常数 当电压波动时 显然最小弱磁限 制是一条随供电电压变化曲线 4 当供电电压过低 而电机又要稳定额定转速 输出转矩不变 此时电机工作电流会增大 为抑制电流变化使电机不出现过流 电流 截至负反馈也是非常必要 5 控制系统设计中 还必须解决电机启动电流问题 软启动无疑 是一种很好办法 此外 采用软关断来停止电机工作 对系统也是一 种有效保护 以上分析可知 所设计控制系统需具有以下功能 软启 动 软关断 最小弱磁限制 转速闭环 PI 调节 电流截止负反馈和系 统工作异常保护等 3 2 系统结构框图及基本工作原理系统结构框图及基本工作原理 所采用控制系统结构如图 3 1 所示 整个系统可分为两个部分 虚线框外主功率电路部分和框内控制 部分 主功率电路为电机提供电流电压 控制部分提供开关管 T1和 T2控制信号 采集电流电压和转速信号实现控制功能 图 3 1 中功率开关管 T1 与电动机励磁绕组串接 控制励磁回路电 压 T2与电枢绕组串接 主要解决电机启动问题 二极管 D1与励磁绕 直流电机调速系统控制器设计 17 组并接 开关管 T1关断时为励磁绕组回路提供释放电感储能续流回路 二极管 D2与电机电枢绕组并接 开关管 T2关断时为电枢回路提供续 流回路 系统中转速信号由光盘编码器检测 电枢电流 电压信号则 由霍尔传感器来测量 图 3 1 控制系统结构图 直流电动机启动时 必须先保证先有磁场 而后加电枢电压 启 动时首先由 T1管输出一个具有固定占空比 PWM 信号 然后控制开关 管 T2倒通关断 使其占空比从零快速平滑变化倒百分之百 这样对电 枢电压控制 实现了电机软启动 启动完毕后开关管 T2直通 系统进 入闭环状态 此时转速反馈信息 由 DSP 构成数字 PI 调节器来控制 T1 输出 PWM 信号占空比 改变励磁电压 使转速稳定到给定值 3 2 1 软启动和软关断软启动和软关断 当 DSP 控制系统检测到外部启动信号 则发出 PWM 信号启动系 统 软启动实现方法系统基本工作原理中已有说明 采用同样方法 我们也可以电机停止时软关断 即开关管输出脉宽从大到小快速减小 直流电机调速系统控制器设计 18 到零 必须注意关断时应先关断电枢电压然后切断励磁 否则会导致 电机飞车 3 2 2 最小弱磁限制最小弱磁限制 直流电机转速特性 3 1 2 ma em UCR T n C C 其中 U 为供电电压 电枢电压 R 为电枢绕组 T 为电磁转矩 和为电机结构决定的电势常数和转矩常数 为励磁磁通 e C m C 不计饱和影响的条件下 磁通 与励磁电压 V 的关系可表示为 2 其中为励磁绕组阻抗 为比例常数 ff K VR f R f K 本系统中 励磁电压是供电电压通过 PWM 变换器得到的 故两 者间应存在这样的关系 V U 3 为系统输出的 PWM 信号占空比 由 3 1 2 和 3 式 及 可得下式 9 55 me CC 3 2 2 2 11 4 9 55 fefa RnC knR TU 图 3 2 某电机最小弱磁曲线 转速稳定系统 转速与电磁转矩为常数 这样 由 3 2 式可知 PWM 变换器输出占空比与供电电压间关系 可以用一条曲线来表示 显然这就是最小弱磁限制曲线 当系统工作 3 2 式对应曲线以上时 安 全工作区 其转速不可能超过 直流电机调速系统控制器设计 19 实际工作中 电机参数很难准确取 由 4 式到最小弱磁曲线与实 际曲线存一定误差 但初始设计阶段 我可以对电机参数进行简单测 量和估算 测量值设计一条初始曲线 然后实验来校正 直到达到满 意控制效果 图 2 是我们实际测某电机最小弱磁曲线 最小弱磁限制另一个功能是 当转速环节出现问题 相当于系统工 作开环状态 系统仍能够正常工作 此时斩波器输出就是最小弱磁曲 线计算出占空比 3 2 3 转速闭环转速闭环 PI 调节调节 图 3 3 PI 调节器工作区 转速稳定由 DSP 构成数字 PI 调节器完成 调节器输入为转速误 差信号 输出为 PWM 占空比 这是一个具有限幅输出 PI 调节器 如 前所述 PWM 信号占空比不能小于最小弱磁限制 显然对 PI 调节器 作了下限幅 保证 PI 调节器有足够调节余量 并考虑到开关管占空比 损失 系统工作实际最小弱磁曲线比理想曲线 转速 n 对应曲线 应更低 一些 如图 3 3 所示 为提高系统响应特性 对 PI 调节器进行上限幅 也是必要 如图 3 3 所示上限幅曲线 这样实际 PI 调节器是工作一个 带型区域内 其上下限幅点供电电压决定最小弱磁点动态变化 这样 直流电机调速系统控制器设计 20 供电电压波动作为一个可测量扰动信号 前馈方式参与系统工作 既 有效防止了电机飞车 又提高转速闭环 PI 调节器性能 3 2 4 电流截止负反馈电流截止负反馈 监测电机电流 当其大于某一值时 引入电流反馈 使 PI 调节器 输入减小 功率开关管输出电压下降 抑制电流增长 这种当电流大 于某规定值后 才引入电流负反馈控制 既防止了主电路电流过大 又能保证调速系统限定电流以内工作时 电流反馈不起作用 使调速 系统具有较硬静态特性 3 2 5 系统工作异常保护系统工作异常保护 控制系统保护处理分为硬件保护和软件保护 过流 过压等对系 统可能产生损坏状态 硬件保护才能足够快保护系统 而欠压 功率 超速等对电机和控制系统影响太致命状态 DSP 控制器采样速度足够 高 可采集到数据软件处理 直流电机调速系统控制器设计 21 4 Simulink 环境中的系统模型 仿真结果及分环境中的系统模型 仿真结果及分 析析 双闭环控制系统在实际工程中应用极其广泛 现对一个直流拖动 双闭环 V M 调速系统的进行仿真设计 晶闸管 直流电机双闭环调速系统 V M 系统 的 Simulink 动态结 构图 如图 4 1 所示 图中直流电机数据有 10kW 220V 53 5A 1500r min 电枢电阻 nom P nom U nom I nom n 0 31 路总电阻 R 0 4 电枢回路电磁时间常数 0 0128s 三相 a R a T 桥平均失控时间 0 00167s 触发整流装置的放大系数 20 系统 s T s K 运动部分飞轮矩相应的机电时间常数 0 042s 系统测速反馈系数 m T 0 0067Vmin r 系统电流反馈系数 0 072V A 电流环滤波时间 t K i K 常数 0 002s 转速环滤波时间常数 0 01s 忽略非线性 分别 oi T on T 对系统的电流内环与转速外环进行稳态与动态的计算及仿真如下 图 4 1 双闭环调速系统的 Simulink 动态结构图 直流电机调速系统控制器设计 22 首先 计算额定磁通下的电机电动势转速比 4 1 0 1356 nomnoma e nom UIR C n min Vr 然后选择电流环和转速环类型 在双闭环直流调速系统中 电流 环的主要作用就是保证电机起动时获得允许的最大电流 保持电枢电 流在动态过程中不超过允许值 突加控制作用时超调量越小越好 根 据自动控制理论 将电流环设计成典型 I 型系统 因为典型 I 型系统动 态跟随性能的超调量很小 符合电流环的设计要求 而转速环在系统 中主要发挥其抗扰动作用 根据自动控制理论 将转速环设计成典型 II 型系统 因为典型 II 型系统动态抗扰性能的动态速降小 符 max n 合转速环的设计要求 为保证电流调节器和转速调节器的运算放大器工作在线性特性段 以及保护调速系统的各个元件 部件与装置不致损坏 在电流调节器 和转速调节器的输出端都设置了限幅装置 4 1 电流环的电流环的 MATLAB 计算及仿真计算及仿真 4 1 1 电流环校正前后给定阶跃响的电流环校正前后给定阶跃响的 MATLAB 仿真仿真 因为电流检测信号中常含有交流分量 所以须添加低通滤波器 但是由低通滤波器产生的反馈滤波同时也给反馈信号带来延迟 为平 衡这一延滞作用 在给定信号通道也添加一个与反馈滤波相同时间数 的惯性环节 使得给定信号与反馈信号经过同样的延滞 其传递函数 为 4 2 1 1 sToi 按照把电流环设计成 I 型系统的要求 根据自动控制理论 电流 调节器应选择比例积分调节器 即 PI 调节器 其传递函数为 s 4 3 ACR W pi K sT sT i i 1 s s 04 0 10128 0 直流电机调速系统控制器设计 23 0 32 0 0128 pi K i T a T 电流环的校正主要是对晶闸管整流与移相触发装置的放大倍数 进行校正 校正前 20 构成动态结构图模型 mx010 mdl 校正 s K s K 后 30 构成动态结构图模型 mx010a mdl 其他参数不变 校正前 s K 后的动态结构图模型只是的值不一样 所以在此只给出校正后的 s K mx010a mdl 文件的动态结构图的模型 如图 4 1 所示 图 4 2 带参数电流环的 Simulink 的模型为 mx010a mdl 文件 在程序文件方式下执行以下的 MATLAB 程序 L157 m MATLAB PROGRAM L157 m a1 b1 c1 d1 linmod mx010 s1 ss a1 b1 c1 d1 figure 1 step s1 hold on a2 b2 c2 d2 linmod mx010a s2 ss a2 b2 c2 d2 figure 2 step s2 y t step s1 mp tf max y cs length t yss y cs sgm 100 mp yss yss tp t tf 运行该程序可得模型 mx010 mdl 与 mx010a mdl 的单位阶跃响应曲 线如图 4 2 的所示 并对于图 4 2 图求出性能指标 超调量 4 4403 峰值时间 0 0209s p t 直流电机调速系统控制器设计 24 图 4 3 电流环阶跃响应 Simulink 曲线 图 4 3 是 20 时的系统单位阶跃响应 阶跃响应曲线单调上升 s K 完全无超调 并且在 0 04s 内响应即结束 这样的电流环阶跃响应很理 想 但是电机的加速起动不够快 图 4 4 电流环阶跃响应 Simulink 曲线 直流电机调速系统控制器设计 25 图 4 4 是 30 时的系统单位阶跃响应 响应曲线略有超调 s K 4 5403 符合 I 型系统超调量小的特点 系统曲线迅速上升 峰值时 间 0 0209s 非常短 电流立即下降至恒定并在 0 04s 内响应即结束 这 样的阶跃响应是很理想的 对于电流环 比较此二者 电流稍微超调 的可取 因为这有利于电机的加速起动 电机又不受什么影响 4 1 2 绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标绘制单位阶跃扰动响应曲线并计算其性能指标 在图 4 4 中两个扰动信号作用点分别施加单位阶跃信号 绘制其 扰动响应曲线 并求其最大动态降落与最大动态降落的时间及恢复时 间 为进行仿真 在信号综合点 1 与 2 施加扰动信号是分别构成 MATLAB 里的结构图模型 mx010b mdl 与 mx010c mdl 这两个结构 图模型中的数据和图 4 4 相同 只是扰动信号作用点不同 单位阶跃 扰动信号的极性为负 在程序文件方式下执行以下调用函数 dist 的 MATLAB 程序 L157a m MATLAB PROGRAM L157a m a1 b1 c1 d1 linmod mx010b s1 ss a1 b1 c1 d1 figure 1 step s1 hold on a2 b2 c2 d2 linmod mx010c s2 ss a2 b2 c2 d2 figure 2 step s2 y1 t1 step s1 detac tp tv dist 1 y1 t1 detac0 tp0 tv0 dist 2 y1 t1 t 0 0 01 0 2 y2 t2 step s2 t detac1 tp1 tv1 dist 1 y2 t2 detac2 tp2 tv2 dist 2 y1 t1 程序执行后 可得图 4 4 所示电流环在信号综合点 2 施加单位阶 跃信号的扰动响应曲线 并有性能指标 最大动态降落 acdet 0 9061 最大动态降落时间 0 0092s 基准值 5 范围的恢复时间 p t 0 0459s 基准值 2 范围的恢复时间 0 0580s v t v t 直流电机调速系统控制器设计 26 图 4 5 电流环单位阶跃信号扰动响应曲线 将程序中的模型 mx010b mdl 改为 mx010c mdl 执行后得图 4 5 所示电 流环在信号综合点 1 施加单位阶跃信号的扰动响应曲线如图 并有性 能指标 最大动态降落 26 3855 最大动态降落时间 acdet 0 0106s 基准值 5 范围的恢复时间 0 0900s 基准值 2 范围 p t v t 的恢复时间 0 1000s v t 由两个扰动响应曲线及抗扰性能指标值可知 改系具有良好的抗 扰性能 对比两组性能指标值可知 系统对施加在信号综合点 2 扰动 信号的抗扰作用比施加在信号综合点 1 扰动信号的抗扰作用强 表明 施加扰动作用点离被调量越近 电流环对扰动信号的抗扰能力越好 4 1 3 单位冲激信号扰动的响应曲线单位冲激信号扰动的响应曲线 在图 4 5 中两个单位冲激扰动信号作用点分别施加单位冲激信号 绘制起冲激扰动响应曲线 在动态结构图中单位冲激信号的信号叠加 点极性为正 在程序文件方式下执行以下的 MATLAB 程序 L157b m MATLAB PROGRAM L157b m 直流电机调速系统控制器设计 27 a1 b1 c1 d1 linmod mx010b s1 ss a1 b1 c1 d1 figure 1 impulse s1 hold on a2 b2 c2 d2 linmod mx010c s2 ss a2 b2 c2 d2 figure 2 impulse s2 程序执行后 可得电流环在信号综合点 2 与信号综合点 1 施加单 位冲激信号时的扰动响应曲线如图 4 5 与图 4 6 所示 图 4 6 电流环单位冲激信号扰动响应曲线 直流电机调速系统控制器设计 28 图 4 7 电流环单位冲激信号扰动响应曲线 电流环冲激扰动响应过程呈单调衰减如图 4 7 所示或者呈一次衰 减振荡如图 4 7 所示都在 0 06s 内就结束了 抗扰动时间非常短 系统 几乎察觉不出扰动的作用 说明电流环的抗扰性能好 4 1 4 电流环频域分析的电流环频域分析的 MATLAB 计算及仿真计算及仿真 频域分析的主要内容是画 Bode 图与计算频域性能指标 电流闭环 系统的开环结构图如图 4 8 所示 它对应着 Simulink 动态结构图模型 mx007d mdl 图 4 8 电流闭环系统的开环结构图 直流电机调速系统控制器设计 29 在程序文件方式下执行以下的 MATLAB 程序 L157c m MATLAB PROGRAM L157c m n1 1 d1 0 002 1 s1 tf n1 d1 n2 0 0128 1 d2 0 04 0 s2 tf n2 d2 n3 30 d3 0 00167 1 s3 tf n3 d3 n4 2 5 d4 0 0128 1 s4 tf n4 d4 n5 0 072 d5 1 s5 tf n5 d5 sys s1 s2 s3 s4 s5 margin sys 执行语句后 可得电流环的 Bode 图如图 4 9 所示 在图上就附有 经计算出电流环的频域性能指标 模稳定裕度 18 2dB 穿越频率 547rad s h L g W 相稳定裕度 剪切频率 128rad s 6 63 c W 图 4 9 电流环的 Bode 图 工程上 一般要求模稳定裕度 6dB 相稳定裕度 可见电 h L 40 流环有足够的稳定裕量 其频域性能是优良的 反映了电流环具有良 好的相对稳定性 直流电机调速系统控制器设计 30 4 2 转速环的转速环的 MATLAB 计算及仿真计算及仿真 4 2 1 转速环校正前后给定阶跃响应的转速环校正前后给定阶跃响应的 MATLAB 仿真仿真 与电流环添加低通滤波器措施一样 在转速环反馈通道与给定信 号通道都添加了滤波惯性环节 其传递函数为 4 4 1 1 sTon 按照把转速环设计成 II 型系统的要求 根据自动控制理论 转速 调节器也应选择比例积分调节器 其传递函数为 s ASR W pn K sT sT n n 1 0867 0 n T 转速环的校正主要是对转速调节器的参数以及对晶闸管整流 pn K 与移相触发装置的放大倍数进行校正 s K 校正前 100 转速调节器的传递函数为 pn K3 55 s K s ASR