数字化直流调速系统设计

数字化直流调速系统设计 计算机控制系统课程设计,研究意义,直流电动机具有良好的起制动性能，在广泛范围内可实现平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。从生产机械要求控制的物理量来看，各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。,一、系统方案选择,调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。 本系统采用直流双闭环调速系统能实现转速无静差调节（受扰后，前后稳速不变）；能获得较好的动态性能指标（超调量、调节时间等）。,1、电动机供电方案选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组适用于调速要求不高、要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低。静止可控整流器可通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。, PWM(脉宽调制变换器)或称直流斩波器利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压与VM系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路简单需要的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度该，调速范围宽；若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；功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。综上所述，本设计应选择脉宽调速，即采用直流PWM调速。,2、晶体管PWM功率放大器方案选择方案一 单极性控制方式；这种控制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压方案二 双极性调制方式；其特点是4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，双极性控制的桥式可逆PWM变换器有更多的优点所以本设计选用双极性控制的桥式可逆PWM变换器。,二、系统硬件设计 双闭环调节器电路原理 1 调速系统起动过程的电流和转速波形 启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程,2 调速系统电路原理,图1 双闭环直流调速系统电路原理图,图1为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。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。电流环称之为内环；转速环称之为外环。,3 电流环调节器 由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。 如右图，含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器,4 转速环调节器 由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。 如右图，含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器,数字控制双闭环直流调速系统方框图根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。,数字式双闭环直流调速系统硬件结构图,PWM信号发生电路设计,三、系统软件设计,数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。1 主程序设计,2 中断子程序流程图,中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。1转速调节中断服务子程序2电流调节中断服务子程序3故障保护中断服务子程序,3、PI控制流程图,为了安全起见，系统对转速调节器和电流调节器进行限幅。当转速调节中断服务子程序或电流调节中断服务子程序进行到“转速调节”或“电流调节”时，便进入PI控制子程序,四、系统仿真,直流电动机的数学模型在本设计中讨论的是直流电动机拖动恒转巨负载的自动控制系统，直流电动机本身是一个电-磁相互作用的非线性系统，在这里将其近似为一个线性系统，得到直流电动机的传递函数为：,转速电流双闭环调速系统的数学模型求取双闭环调速系统的数学模型一般采用由内到外，逐环求取。对转速电流双闭环系统，首先求取电流环传递函数，再将其视为转速环中的一个环节，在求取转速环的传递函数，由于检测信号中含有交流分量或其他高频干扰。故对转速电流信号均经过 型滤波，再加到调节器的输入端，为了补偿这些滤波环节带来的惯性作用，在给定信号中也加入一个相同时间常数的给定滤波环节。电流环的闭环传递函数为,系统仿真图形,仿真结果图,在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后， 极性发生了变化， ，则ASR推出饱和。其输出电压立即