直流伺服双闭环控制系统

1、直流伺服双闭环控制系统设计1伺服系统介绍1.1伺服系统的特征伺服系统的功能是使输出快速而准确的复现给定，所以伺服系统具有稳定性好、精度高、动态响应快、抗干扰能力强等特点。同时还需要具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号(2)功率放大器及控制系统都必须可逆(3)足够大的调速范围及足够强的低速带载性能（4）快速的响应能力和较强的抗干扰能力1.2伺服系统的组成及性能指标伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成，除了位置传感 器可能还需要电压、电流和速度传感器。伺服系统的性能指标分为稳态性能指标和动态性能指标，两者之间既有区别又有联 系。当系统达到稳定运行时，伺服系统实际位

2、置与目标值之间的误差，称做系统的稳态跟 踪误差。由系统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分为三类：位置误差、速度误差和加速 度误差。伺服系统在动态调节的过程中的性能指标称为动态性能指标，如超调量、跟随速 度及跟随时间、调节时间、振荡次数、抗扰能力等。1.3伺服系统控制对象的数学模型根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类。本次课程设计主要介绍 直流伺服控制系统。直流伺服系统的执行元件是直流伺服电动机，中小功率的伺服系统采用直流永磁式伺 服电动机，当功率较大时，可以采用电励磁的直流伺服电动机，直流无刷电动机与直流电 动机。其控制对象的数学模型将在后面具体介绍。2.设计内容介绍直流调速是指

3、人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统。转速负反馈环为外环, 其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制, 同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定 下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。速度与电流双闭环调速系统是 20世纪60年代在国外出现的一种新型的调速系统。70年

4、代以来,在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的发展，伺服控制直流电 动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器。本次设计主要就是设计一个直流伺服 双闭环的控制系统。其基本结构图如下*图2-1双闭环伺服系统结构示意图3直流伺服系统控制3.1直流伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统的执行元件是直流伺服电动机，中小功率的伺服系统采用直流永磁式伺服电动机，当功率较大时，可以采用电励磁的直流伺服电动机，直流无刷电动机与直流电 动机。直流伺服电动机的数学模型与调速电动机无本质的区别。控制对象的数学模型为:d mdtjdCtd

5、tJdId1dtTdUd0IdIdCel"dt式中J -系统的转动惯量TUdoI sLKsTs Uc-Ud0Tl系统的负载转矩机械传动及凑的传动比电枢回路电磁时间常数由上式知，电枢电流Id受到感应电动势E或转速的影响，采用电流闭环控制可以有效抑制感应电动势或转速的扰动，改善系统的动态响应,限制最大的起、制动电流。电流闭环控制的作用和电流环的设计与直流调速系统相同。3.2转速、电流双闭环直流调速系统的动态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，因速度伺服系统与调速系统没有本质上的区别，因此直流伺服系统的模型可以参考双闭环直流调速系 统的动态结构图，而且以后分

6、析电流和速度调节器时，均借助直流双闭环调速系统的结构 图。如下图为双闭环直流调速系统的动态结构图。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。图3-1双闭环直流调速系统的动态结构图3.3直流伺服双闭环控制系统结构3.3.1伺服电动机与功率驱动器伺服电动机是伺服系统的执行机构，在小功率伺服系统中多采用永磁式伺服电动机, 在大功率或较大功率的情况下也可采用电励磁的直流或交流伺服电机。从电动机结构与数学模型看来，伺服电动机和调速电动机无本质上的区别，一般来说，伺 服电动机的转动惯量小于调速电动机，低速和零速带载能力优于调速电动机。3.3.2控制器控制器

7、是伺服系统的关键所在，伺服系统的控制规律体现在控制器上，控制器应根据 位置给定信号和反馈信号，经过必要的控制算法，产生功率驱动器的控制信号。与调速系 统一样，伺服系统也经历了从模拟控制到数字控制的发展过程。3.3.3位置传感器精确而可靠地发出速度给定信号并检测被控对象的实际速度是速度伺服系统工作良 好的基本保证。位置传感器将具体的直线或转角位移转换成模拟的或数字的电量，再通过 信号处理电路或相关的算法，形成与控制器输入量相匹配的速度信号，然后根据速度偏差 信号实施控制，最终消除偏差。3.3.4调节器的设计内环调节器（电流调节器）：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

8、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。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。外环调节器(转速调节器)(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。由此可以得到双闭环速度伺服系统的结构图如下:图3-2双环速度伺服系统4系

9、统参数设计4.1电机参数Pn=2.6kw,Un=220V,ln=5A,Nn=980r/min，允许过载倍数1.5Ce 0.210v/min/r他励电压：220V 时间常数：Tl 0.028s,Tm 0.17s三相桥式整流电路，晶闸管装置前置放大系数： Ks 38速度反馈系数:0.0102/ min/r电流反馈系数：O.OW/A4.2电流调节器参数设计在设计电流调节器的时候，首先要考虑应该把系统校正成哪一类的典型系统。稳态要求上看，我们希望电流无静差， 以得到理想的堵转特性。 根据系统设计的要求,电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。所以其传递函数是:Wacr（S）Ki( i 1)其中K

10、i为电流调节器的比例系数i为电流调节器的超前时间常数(1)确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts。按照晶闸管整流器的失控时间表，知三相桥式电路的平均 失控时间Ts 0.0017s。电流滤波时间常数T0i。三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为了基本滤平波头,应有（12）T0i 3.33ms，因此取 J 2.3ms 0.0023s。i Ts Toi0.004s。电流环小时间常数之和。按小时时间常数近似处理，取T i T(2) 参数计算电流调节器超前时间常数iTl0.028s。电流环开环增益：要求i 10%时，按表“典型I系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系”，应取KiT iKi0.5，

11、因此0.50.511s 125s T i 0.004于是，ACR的比例系数为:iKi 3Ks125 O.。28 2.84.3038 0.06(3) 校验近似条件电流环截止频率:ci K,125s1校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件1 1196.1s 1 Wei3Ts 3 0.0017s 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3 V 0.17s 0.028s 43.48Sei满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件丄 1 : 168.6s 1 ei3VTsToi3 V 0.0017s 0.0023s满足近似条件。(5) 计算调节器电容和电阻按所用运算放大器取R3=40k，各电阻

12、和电容值为CiKiR04.3 40 k 172k ,i0.028 L cc L3 F 0.2 FRi 172 10取 172K取 0.2 FC4Toi4 0.0023 厂Coi/ 小3 厂40 10R00.23F,取 0.23 F4.3%5%，满足设计要求。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为4.3速度调节器参数设计(1)确定时间常数电流环等效时间常数1/Ki。由前述已知，K,Ti0.5，2T i 2 0.004s0.008sKi转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，取Ton 0.01s.转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取Ton 0.008s 0.01s0

13、.018s(2)选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为Ki( i 1)Wasr(S)(3)计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取 h=5,则ASR勺超前时间常数为n hT n 5 0.018s0.09s则转速环开环增益K h 1K N222h2T n22 s 1370.4s 12 52 0.0182可得ASR的比例系数为K (h 1) CeTmn 2h RT n6 0.006 0.210 0.172 50.0102 2.8 0.018 2.5式中电动势常数CeUn I N RgnN220 5 2.80.210V.min/r。980(4)检验近似条件转速截止

14、频率为：Kcn Kn n 370.4 0.09s 11电流环传递函数简化条件为：33.3s 1船 3/ 58'9s'转速环小时间常数近似处理条件为：cn满足简化条件。1 叵 1 25 1 3忆 3|001S37.3s 1cn满足近似条件。(5)计算调节器电阻和电容取Ro 40k ，则RnKnR。2.540K100K ,CnnRn，0.09100 103 F0.9 FCon4Ton4 0.01 厂3厂R040 103(6) 校核转速超调量当h=5时，查表典型II型系统阶跃输入跟随性能指标可得n 36.7%，不能满足设计要求。但是实际情况是,上表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时

15、,ASR饱和,不符合线性系统的前提，应该按 ASR退饱和的情况重新计算超调量。(7) 退饱和超调量的计算设理想空载起动时，负载系数Z 0，已知In 5A，nN 980r/min，1.5 ,R 2.8，0.018s。当h 5时，由附表6.4查得,81.2%Ce 0.210Vmin/r ,Tm 0.17s , T nCmax / CbZ) nN T n n* Tm而调速系统开环机械特性的额定稳态速降C max nb 2 Cmax(Cb n *Cb调速系统开环机械特性的额定稳态速降nNI nR 5 2.8Ce0.21066.7r/mi n;n为基准值,对应为额定转速nN 980r/min。计算得2

16、81.2% 1.5鬻需 1.7% 10%满足设计要求。5电路设计5.1电流调节器设计如图所示，图中的U*i为电流给定电压,Id为电流负反馈电压，调压器的输出就是电力电子变换器的控制电压U根据运算放大器的电路原理，可以很容易导出KiToi旦RoRiCiRoCoi4从而计算调节器的具体电路参数。UfO-OI-0/d图5-1含给定滤波与反馈滤波的5.2转速调节器设计balPI型电流调节器如图所示，图中Un为转速给定电压, 电流调节器的给定电压 U *in为转速负反馈电压，调节器的输出是与电流调节器相似，转速调节器参数与电容的关系为从而计算调节器的具体参数。OKnTonICon2 学ono一 cm瓦RnCnR0 Con4nR 口1;111>U；AA+bal图5-2含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器6小结，心得及体会通过这次课程设计让我更加了解了运动控制系统这门专业课在实际解决问题时候.这一系列的经历.对以后的工作和学习也有的应用，通过对实际的问题转化为模型分析进而运用软件进行分析 让我体会到了自己动手解决问题的重要和收获知识的喜悦 着巨大的激励作用。虽然课程设计只有短短的 2周，但是让我收获良多。 通过对课设问题的解决过程,在不知不觉之中锻炼了我的实际运用知识的能力。也强化了我对课本知识的认识，在设计的过程中，通过查阅资