转速、电流反馈控制直流V-M调速系统设计专题

转速 电流反馈控制直流转速 电流反馈控制直流 V M 调速系统设调速系统设 计专题计专题 一 课程设计目的一 课程设计目的 本次设计的主要目的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 设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器 并应用 MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的 2 设计任务与要求设计任务与要求 2 1 性能指标要求性能指标要求 1 基本设计参数 采用三相桥式晶闸管整流装置供电的转速 电流 双闭环直流调速系统 基本参数如下 直流电动机 185W 220V 1 1A 1600r min Ra 22 25 GD2 0 065N m2 允许过 载倍数 1 1 晶闸管装置放大倍数 Ks 40 电枢回路总电阻 R 52 5 电枢回路总电感 L 811 5mH 最大给定电压 U nm 5V 对应 1500r min 最大电流 Idm IN时 ASR 输出限幅 U im 5V 电流反馈滤 波时间常数 Toi 0 002s 转速反馈滤波时间常数 Ton 0 01s 取 R0 40k 2 稳态指标 转速无静差 3 动态指标 电流超调量 i 5 空载起动到额定转速时的转速超 调量 n 10 2 2 设计内容设计内容 1 按模拟控制方案设计转速 电流反馈控制直流调速系统 2 画出直流调速系统电路原理图 稳态结构图 建立数学模型 画 出动态结构图并给出分析化简过程 3 设计 ASR ACR 给出调节器结构 计算调节器参数 4 检验近似条件 计算 ASR 退饱和超调量 5 画出开环对数幅频特性曲线 6 选做 利用 MATLAB 仿真软件对所设计的系统进行仿真 并可根 据仿真结果对设计参数进行必要的修正和调整 7 选做 将设计的模拟电流调节器和转速调节器进行数字化 电流 环采样周期 Tisam 0 5ms 转速环采样周期 Tnsam 0 005s 写出其数字 PI 调节器的表达式 位置式 增量式均可 调节器输出限幅及积分限幅 均为 Um 并用已掌握的计算机语言设计实时控制程序 3 电路原理分析及电路设计电路原理分析及电路设计 3 1 基本设计思路基本设计思路 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用 可在系统中设置两个调节器 分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流 两者之间实行嵌套连接 其原理图如图一所示 图一 转速 电流反馈控制直流调速系统原理图 双闭环直流调速系统的稳态结构图如图二所示 两个调节器均采用带限幅 作用的 PI 调节器 转速调节器 ASR 的输出限幅电压 U 决定了电流给定的最大 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cmU 压 图二中用带限幅的输出特性表示 PI 调节器的作用 当输调节器达到饱dmU 和时 输出达到限幅值 输入量的变化不在影响输出 除非有反向的输入信号 是调节器退饱和 换句话说 饱和调节器暂时割断了输入和输出之间的联系 相当于使该调节环开环 当调节器不饱和时 PI 调节器工作在线性调节状态 其作用是使输入偏差电压在稳态时为零 U 图二 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速 电流双闭环调速系统属于多环控制系统 对电流双闭环调速系统而 言 先从内环 即电流环 出发 根据电流控制要求 确定把电流环校正为那 种典型系统 按照调节对象选择调节器及其参数 设计完电流环环节之后 把 它等效成一个小惯性环节 作为转速环的一个组成部分 然后用同样的方法进 行转速环的设计 每个环的设计都是把该环校正为一个典型系统 以获得预期 的性能指标 目前的 V M 调速系统多为带电流内环的速度控制系统 双闭环调 速系统的动态结构图如图三所示 图三 双闭环直流调速系统动态结构图 3 23 2 确定转速 电流反馈系数确定转速 电流反馈系数 1 电势常数 Ce V122 0 NnInRaUn 2 三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间 Ts s mf TS0017 0 5062 1 2 1 3 电流反馈系数 4 设最大允许电流 则电流反馈系数为2 dmN II 13 4 1 11 1 5 dm im I U 5 转速反馈系数 0033 0 1500 5 N Nm N U 3 33 3 电流环电流环 ACRACR 的设计的设计 1 电流环小时间常数 s0037 00017 0002 0 SoiTTT 2 电磁时间常数 s0156 0 5 52 8115 0 i R L T 3 电流调节器结构的选择 根据设计要求 且 5 i 1022 4 0037 0 0156 0 i T T 因此可按典 I 系统设计 且选用 PI 调节器 其传递函数为 s s KsW i i iACR 1 4 确定电流调节器参数 ACR 超前时间常数 sTii0156 0 电流环开环放大系数 要求时 应按二阶 最佳 系统设计 I K 5 i 1 135 037 02 1 2 1 s T KI 从而 ACR 的比例系数为 67 0 4013 4 5 520156 0 1 135 Ri i S I K KK 5 校验近似条件 电流环截止频率 135 1KIci W 晶闸管装置传递函数近似条件 S ci T3 1 ci S s T 1 1 196 0017 0 3 1 3 1 满足近似条件 小时间常数近似条件 ois ci TT 1 3 1 166 57 002 0017 0 1 3 11 3 1 OiSTT ciW 满足近似条件 忽略反电势对电流环影响的条件 1 1 3 TTm ci 3 1 3 1 0 085 0 0156 82 38 1 满足近似条件 小时间常数近似处理条件 oni cn TT 2 1 3 1 1 3 1 2 1 3 1 2 0 0037 0 002 86 64 1 满足近似条件 5 18 11 5 6 计算调节器电阻和电容 转速调节器原理图如图五所示 Rn KnR0 18 720K 40 Cn 0 103 0 12 Con 4 0 4 0 01 40 103 1 图五 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器 7 校核转速超调量 因为当 h 5 时 不能满足设计要求 实际上 由于此时是按线 37 6 性系统计算的 而突加阶跃给定时 ASR 饱和 不符合线性系统的前提 应该按 ASR 退饱和时的情况重新计算超调量 2 81 max b C C 473 36 所以 2 2 81 2 1 1 473 0 0174 0 085 5 1 10 可见 所设计的系统能满足设计要求 3 5 转速电流检测电路的设计转速电流检测电路的设计 转速 电流负反馈双闭环直流调速系统 其原理就是再开环调速系统的基 础上增加转速调节器和电流调节器通过当前的转速反馈和电流反馈以改善系统 的动态性能和稳态性能 因此反馈信号的准确度很大程度上决定了系统的性能 指标 通过康铜丝采样 再将采样电压通过电流检测芯片 通过比例调节器较准 电流检测芯片采用 TI 公司的 INA282 INA282 系列是电压输出电流并联监 控器 此监控器能够感测共模电压上 14V 至 80V 与电源电压无关 零漂移架构 的低偏移使得电流感测在整个分流器上的最大压降低至 10mV 的量程 这个电 流分流监控器由 2 7V 至 18V 电源供电 使用最大 900 A 的电源电流 此芯片 通过在 IN 和 IN 之间接入一个采样电阻 电阻值很小约 0 01 为宜 当有电阻 上有电流流过时采样电阻上将会产生压降 通过 IN 与 IN 口进入 再由芯片内 部的差分放大 抑制共模信号放大差模信号 由 OUT 口输出 通过 REF1 REF2 引脚控制输出模式 具体电路如图二所示 IN 1 GND 2 R EF2 3 NC 4 IN 8 R EF1 7 V 6 OUT 5 U1 INA282 GND GND VC C 8 1 4 3 2 1 U2A VC C GND R 2 10K R 3 10K 100k 1 2 P0 I I AC R 0 02 R 1 AC R 图六 电流检测电路 当采样电阻为测试报告如表一所示 0 02 表一 电流检测报告 输入电流 A 输出电压 V 较准电压 V 00 080 08 0 1 0 0 50 180 18 0 1 0 1 10 290 29 0 1 0 2 20 490 49 0 1 0 4 51 11 1 0 1 1 102 12 1 1 2 由表一可知 电流检测芯片检测电流 输出电压为 0 20 1 i UIV 当电流为 13 16A 时 13 16 0 20 12 732 i UV 则比例调节器的比例系数为 10 3 66 2 732 K 因此可调电位器取值应为 36 6K 为宜 3 6 转速检测电路的设计转速检测电路的设计 采用光电编码器对速度进行检测 通过 51 单片机采集光电编码器产生的 脉冲信号 并进行处理 同时通过数码管将转速显示出来 同时通过 DA 数模 转换器将速度信号转换成模拟信号输送至 ASR 调节器 测速比较准确 1 光电编码器选择 光电编码器采用 ZKT6012 空心旋转编码器 K6012 光电编码器 1024 码盘 每转产生 1200 个脉冲 工作电压为直流 DC5 12V 2 单片机选择 单片机采用 STC89C52 该单片机是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52 使用经典 的 MCS 51 内核 但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众 多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 3 DA 数模转换器选择 数模转换器采用 PCF8591 它是单片 单电源低功耗 8 位 CMOS 数据采集 器件 具有 4 个模拟输入 一个输出和一个串行 I2C 总线接口 3 个地址引脚 A0 A1 和 A2 用于编程硬件地址 允许将最多 8 个器件连接至 I2C 总线而不需 要额外硬件 器件的地址 控制和数据通过两线双向 I2C 总线传输 器件功能 包括多路复用模拟输入 片上跟踪和保持功能 8 位模数转换和 8 位数模拟转 换 最大转换速率取决于 I2C 总线的最高速率 4 运算放大器的选择 运算放大器采用 TI 公司的 LM358 LM358 内部包括有两个独立的 高增 益 内部频率补偿的双运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推荐的工作条件下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使 用运算放大器的场合 4 实验数据分析计算实验数据分析计算 由实验所得开环对数幅频特性曲线如图七 L dB 40dB dec 20dB dec 20dB dec O w s 1 40dB dec 40dB dec I n 图七 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性 五 心得体会五 心得体会 这次的课程设计运用的基本上都是在 电力电子技术 和 电力拖动与运动控 制系统 这两门课程中所学过的基本知识点 这次的设计 其中最重要的一部 分是参数的计算比较繁锁 做事情要有耐心 这是我在这次设计中所学习到的 重要的一点 这次课程设计我收获很大 通过这次设计 加深了我对电流 转 速双闭环系统这个典型的系统的认识 复习了以前学习过的基本知识 加深了 印象 这对我们以后工作中会很有帮助的 在设计过程中 与同学分工设计 和同学们相互探讨 相互学习 相互监督 学会了合作 同时 这次设计过程 中 体现出自己综合运用知识的能力 体会了学以致用 突出