运动控制系统

1、1 绪论 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。 1.1直流电机的调速方法和可控直流电源 直流调速系统是自动调速系统的主要形式, 它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围

2、内实现平滑调速，较快的动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性，尽管直流调速系统中的直流电动机不如交流电动机那样结构简单、制造和维护方便、价格便宜。但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通讯设备、雷达设备，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来

3、看，它又是交流调速系统的基础。因此，本书先着重讨论直流调速系统。1.2课程设计目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。运动控制系统课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 运动控制系统课程设计是继电子技术、电力电子技术和运动控制系统课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程电子技术基础、电力电子技术、运动控制系统的基本知识，独立进行运动控制系统应用技术和开发工作,掌握运动控制系统设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。1.3课程设计课题：带电流截止负反馈的转速闭环的数

4、字式直流调速系统的仿真与设计。（1）直流电动机控制系统设计参数 直流电机： 输出功率为: 7.5Kw 电枢额定电压：220V 电枢额定电流：36A 额定励磁电流：2A 额定励磁电压：110V 功率因数：0.85 电枢电阻：0.2欧姆 电枢回路电感：100mH 电机机电时间常数：2S 电枢允许过载系数：1.5 额定转速：1430rpm 环境条件： 电网额定电压：380/220V； 电网电压波动：10%；环境温度：-40+40摄氏度； 环境相对湿度：1090%。（2）任务和要求1、根据控制系统的技术参数进一步细化技术要求。首先确定控制系统方案，确定每一级的具体技术指标（如放大倍数，输入输出电阻，电

5、源电压等）；2、电流超调量i5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n30%，调速范围D=20，转差率Sn0.03，稳速精度0.03；3、建立控制系统的数学模型，并基于Matlab或其他仿真软件的仿真设计；2反馈调速及控制系统2.1闭环调速控制系统将开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用PI调节器，就既保证动态性能，又能作到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定,其系统结构框图如图2.1所示触发电路整流电路电动机转速反馈电 源UdsU-图2.1 单闭环转速负反馈

6、系统框图2.2带电流截止负反馈闭环控制系统在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题，在启动、制动过程和堵转状态时，电枢电流会过大。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。电流

7、截止负反馈环节如图2.2中的（a）(b)(c)图： . （a）利用独立直流电源作比较电压 （b） 利用稳压管产生比较电压（c）封锁运算放大器的电流截止负反馈环节 图2.2电流截止负反馈的环节 图（a）中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。图（b）中利用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压，线路要简单得多，但不能平滑的调节电流值。图（c）是反馈环节与运放的连接电路。由系统稳态结构可写出该系统两段静特性的方程式： 当时，引入电流负反馈，静特性变为： 图2.3带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性静特性的几个特点：（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻

8、 Kp Ks Rs ，因而稳态速大，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致， 好像把理想空载转速提高到 （3）两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（1）中，令 n = 0，得一般,因此（4）最大截止电流由给定条件知堵转电流 Idbl=2IN =35A, 截止电流 Idcr=1.5IN=26.25A（5）带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图及结构图如图2.4及图2.5KpKs1/CeRsRUfnUfiUgnIdRs-UbjnUcUnUdoUbj图2.4带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态

9、系统结构框图图2.5含电流截止负反馈的转速负反馈原理图2.3调节器设定 如图2.6微PI调节器即比例积分调节器既结构图用于实现系统的无静差调速系统 图2.6 PI调节器的结构图 比例积分调节器的控制传递函数为： =/ 为PI调节器的比例放大系数= / 为PI调节器超前时间常数。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时Un =0，只要历史上有过Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。如图2-7为采用PI调节器单闭环调速系统动态校正特性 图2.7采用PI调节器单闭环调速系统3主电路工作设备选择3.1 闭环系统

10、的开环放大系数的判断1) 为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降为： 2）闭环系统应有的开环放大系数： 电动机的电动势系数： 则开环系统额定速降为： 则闭环系统的开环放大系数应为： 3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数 在转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器RP2的分压系数2，即=2Cetg 根据测速发电机的额定数据有： 试取2=0.15，则在电动机最高转速1430r/min时，转速反馈电压为 稳态时很小，只要略大于即可，现有直流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压的需要。因此，取=0.15是正确的。 于是，转速负反馈系数的计算结果为： 电位器RP2的选

11、择方法如下：为了使测速发电机的电枢电压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则 此时RP2所消耗的功率为： 为了不致使电位器温度很高，实选电位器的瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可将RP2选为10w，2k的可调电位器。3.2 调节器的选择与设计在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，用PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的，如图4.1所示：图 4.1 PI调节器计算运算放大器的放大系数和参数 根据调速指标要求，前已

12、求出闭环系数应为K108，则运算放大器的放大系数Kp应为 ，取Kp为43 运算放大器的参数计算如下： 根据所用运算放大器的型号，取，则 晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压，电压放大系数。确定时间常量：三相桥式电路平均失控时间 ，机电时间常数，电磁时间常数，。因此 _4系统仿真4.1搭建仿真图图4.1 系统仿真图4.2仿真结果转速和电流的仿真结果如下：图4.2 转速仿真结果图4.3 电流仿真结果 有图可看出，转速的响应比较迅速，稳定后加入负载，转速先变小再迅速恢复稳定。电流受到截止作用，开始时维持较大数值使得转速迅速增长，转速快要达到稳定时电流急剧下降直到

13、0，效果较为理想。5总结本文主要对转速闭环直流电机的调速系统进行分析并在MATLAB/SIMULINK 建立起仿真图并进行仿真。介绍了转速负反馈的闭环直流调速系统的原理, 完成了转速闭环调速系统的优点并建立其原理框图和仿真图。将建立的仿真图在MATLAB软件里面仿真得出直流电动机各物理量的波形。对波形进行分析得出转速负反馈闭环调速系统的优点和不足。本论文具有很强的理论与实际意义。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。参考文献1陈伯时.自动控制原理【M】.北京：机械工业出版社，1981.2陈伯时. 电力拖动自动控制系统【M】.2版。北京：机械工业出版社，1992.3陈伯时. 电力拖动自动控制系统【M】.4版。北京：机械工业出版社，20094王兆安. 电力电子技术【M】.5版.北京：机械工业出版社，2013致谢 在这次课程设计的撰写过程中，我学到了很多书本上学不到的知识。在这也要感谢一部分人，正是他们