运动控制中期作业

运动控制系统中期试题学院：电气与控制工程学院班级：自动化1206姓名：学号：一：设计要求与参数1、已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，已知基本数据如下：kWPnom500，VUnom750，AInom760，min/375rnnom，电动势系数rVCemin/.82.1，电枢回路总电阻：14.0R，允许过载倍数5.1，触发整流环节的放大倍数75sK，电磁时间常数sTl031.0，机电时间常数sTm112.0，电流反馈滤波时间常数sToi002.0，转速反馈滤波时间常数sTon02.0。设调节器输入输出电压VUUUnmimnm10，调节器输入电阻kR400。2、设计指标：稳态无静差，电流超调量%5i，空载起动到额定转速时的转速超调量%10n。3、设计要求：（1）运用调节器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR与ACR的结构与参数。电流环设计为典1系统，并取参数5.0KT，转速环设计为典2系统；（2）用MATLAB对上述设计的直流双闭环调速系统进行仿真，给出仿真结果；（3）设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用Protel软件画图；（3）说明原理图实现上述直流调速系统的原理；（4）给出原理图每个元件的型号与值，并说明选值依据；（5）系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现，要说明软件实现流程以及核心软件的算法；（6）整个设计报告采用A4纸打印，标题采用宋体四号，正文采用宋体小四；二：设计原理1.带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的，因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现无静差调速。对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负反馈作限流保护，但这并不能控制电流的动态波形。按反馈的控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变，采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程。另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。按照电机理想运行特性，应该在启动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反馈起主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用，得到电流的自动保护。2.双闭环调速系统的组成：（1）系统电路原理图图2-1为转速、电流双闭环调速系统的原理图。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。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。MTG+_+UnR0R0Ufn_+_+RnCnASRUiR0R0+UfiRiCiACR_++UcGTV+_RP2+_UdIdLMLM+_图2－1双闭环调速系统电路原理图（2）系统动态结构图图2-2为双闭环调速系统的动态结构框图，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。ASRACR11sTon11sToi1sTkss1/1sTRlsTRmeC11sTon1sToiUn(s)+_UfnUi(s)+_UfiUc(s)Ud0(s)+_E(s)+_Idl(s)Idn(s)电流环图2－2双闭环调速系统的动态结构图Toi—电流反馈滤波时间常数Ton—转速反馈滤波时间常数2.3双闭环调速系统优点一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图2.3所示。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。即为双闭环调速系统优点。图2.3理想启动过程三：参数计算（一）电流环设计1.确定时间常数。1）整流装置滞后时间常数TS：查表可知三相桥式电路平均失控时间TS=0.0017s。2）电流滤波时间常数Toi：Toi=2ms=0.002s。3）电流环小时间常数之和TΣi：按小时间常数近似处理，取TΣi=TS+Toi=0.0037s。4）电磁时间常数Tl：Tl=0.031s0ndmidlint2.选择电流调节器结构。（1）确定系统型式及其传递函数：根据设计要求σi≤5%，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。又电流环控制对象是双惯性的（电磁惯性和机械惯性），故可用PI型电流调节器，其传递函数为()(1)iiACRsiKsWs（2）检查对电源电压的抗扰性能：Tl/TΣi≈0.031/0.0037=8.37。参照附表3-2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。故基本确定电流调节器按典型I型系统设计。3.计算电流调节器参数。（1）电流调节器超前时间常数：τi=Tl=0.031s。（2）电流环开环增益：要求σi≤5%时，应取KITΣi=0.5，因此KI=0.5/TΣi=0.5/0.0037=135.1s-1。又电流反馈系数β=Ui*/1.5IdN=10/(1.5×760)=0.00877，则ACR的比例系数Ki=KIτiR/KSβ=135.1×0.031×0.14/(75×0.0088)=0.88838。4.校验近似条件。（1）电流环截止频率：ωci=KI=135.1s-1。（2）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：1/3TS=1/3×0.0017=196.1s-1ωci满足近似条件（3）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：3√（1/TmTl）=3×√（1/0.112×0.031）=50.915ωci满足近似条件（4）校验电流环小时间常数近似处理条件：1/3√（1/TSToi）=1/3×√（1/0.0017×0.002）=180.8ωci满足近似条件5.计算调节器电阻和电容。电流调节器原理图如图3-1所示。按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值计算如下：Ri=KiR0=0.888×40k=35.53kΩ。取35kΩCi=τi/Ri=0.031/35=0.886μF。取0.9μFCoi=4Toi/R0=4×0.002/40k=0.2μF。取0.2μF按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为：σi=4.3%5%满足设计要求。Ui*-βIdRo/2CoiRiRbalRo/2Ro/2Ro/2CoiUe图3-1电流调节器原理图（二）转速调节器设计1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI：已取KITΣi=0.5，故1/KI=2×0.0037=0.0074s。（2）转速滤波时间常数Ton：Ton=0.02s。（3）转速小时间常数TΣn：按小时间常数近似处理，取TΣn=1/KI+Ton=0.0074+0.02=0.0274s。2.选择转速调节器结构。（1）确定系统型式及其传递函数：按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为(1)()nnASRnKsWss3.计算转速调节器参数。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则（1）ASR的超前时间常数为：τn=hTΣn=5×0.0274=0.137s。（2）转速环开环增益为：KN=（h+1）/2h2TΣn2=6/2×52×0.02742≈159.8s-1。又转速反馈系数α=Un*/nN=10/375=0.0267V/rpm，则（3）ASR比例系数为：Kn=（h+1）βCeTm/2hαRTΣn=6×0.0088×1.82×0.112/(2×5×0.0267×0.14×0.0274)=10.5。4.校验近似条件。（1）转速截止频率：ωcn=KN/ω1=KNτn=159.8/0.137=21.89s-1。（2）电流环传递函数简化条件：（1/3）√（KI/TΣi）=（1/3）√（135.1/0.0037）=63.7s-1ωcn满足简化条件。（3）转速环小时间常数近似处理条件：（1/3）/√（KI/Ton）=（1/3）/√（135.1/0.02）=27.4ωcn。满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容。转速调节器原理图如图3-2所示。取R0=40kΩ。则Rn=KnR0=10.5×40k=420kΩCn=τn/Rn=0.137/420000=0.326μFCon=4Ton/R0=4×0.02/40=2μFRo/2RbalRo/2Ro/2Ro/2Un*αnConRnUi*Con图3-2转速调节器原理图6.校核转速超调量。当h=5时，得σn=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，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退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载启动时z=0，当h=5时，得△Cmax/Cb=81.2%，则σn=2×81.2%×1.5×（（760×0.14/1.82）/375）×（0.0274/0.112）=9.29%10%。能满足设计要求。四：protel软件设计1.转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图4.1所示。图4.1转速检测电路原理图2.控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图4.2所示。图4.2双环调速系统原理图为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。图4.3双闭环调速系统稳态结构图图4.4双闭环调速系统动态结构图3.电流调节器的设计4.转速调节器的设计5.转速调节器和电流调节器的硬件原理图五：matlab仿真图和仿真结果六：体会与总结这次期中考试别处心裁，培养了我综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我实际操作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，双闭环直流调速已经成为当今电机调速系统应用中空前活跃的领域，在生活中可以说是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握双闭环直流调速技术是十分重要的，尤其是对我们自动化专业的学生。通过双闭环电流转速系统的设计，我意识到只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相