西安科技大学运动控制系统大作业

运动控制系统期中设计班级：自动化1202学号：1201010202姓名：刘西洋1设计任务1.1初始条件采用晶闸管三相桥式整流，电机参数：nomP500kW,375/min,750,760,0.14nomnomnomnrUVIAR,1.82min/,75esCVrK，系统无静差。电流过载倍数5.1，电流滤波时间常数0.002oiTs，转速滤波时间常数0.02onTs，0.112mTs，电流超调量5%i，空载启动到额定转速时的转速超调量10%n。调节器输入输出电压**10nmimnmUUUV。1.2设计任务1.运用工程设计法设计ASR和ACR，达到系统指标，得到ASR与ACR的结构和参数，电流环设计成典1，并取KT=0.5，转速环设计成典2系统；2.运用MATLAB进行仿真，得到仿真结果；3.设计硬件原理图，并用Protel画图；4.给出原理图上每个元件的型号与值，并说明选型依据；5.系统采用模拟电路或微处理器实现。若微处理器，说明软件流程，并写出核心算法；2直流双闭环调速系统原理图设计2.1系统的组成为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。图2转速、电流双闭环直流调速系统图1转速、电流反馈控制直流调速系统原理图3直流双闭环调速系统调节器设计运用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。3.1获得系统设计对象在实际设计过程中，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数oiT按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，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换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用onT表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为onT的给定滤波环节。所以直流双闭环调速系统应当增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。如图2所示。图2直流双闭环调速系统的实际动态结构框图3.2数字控制的双闭环直流调速系统的设计3.2.1数字控制的双闭环直流调速系统模型系统的动态模型。数字控制的双闭环PWM调速系统如图3所示。图3PWM控制的双闭环调速系统的结构框图3.2.2调节器的离散化参数计算1.确定时间常数1）整流装置滞后时间常数sT。三相桥式电路的平均失控时间0.00167sTs。2）电流滤波时间常数oiT。根据初始条件有0.002oiTs。3）取电流环调节器采样周期0.001siTs。4）电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取/20.0042isoisiTTTTs。2.选择电流调节器结构根据设计要求5%i，并保证稳态电压无差，按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数：检查对电源电压的抗扰性能：0.0310.00427.38liTTss，参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3.计算电流调节器参数电流反馈系数101.50.009/NVIVA。电流调节器超前时间常数：0.031ilTs。电流开环增益：要求5%i时，按表3，取0.5iKT，因此于是，ACR的比例系数为：4.校验近似条件电流环截止频率：1119.0ciKs1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。3）电流环小时间常数近似处理条件(1)()iiACRiKsWss10.50.5119.00.0042iKsTs1190.0310.140.766750.009iisKRKK111196.1330.0017cissTs1113350.910.1120.031cimlsTTss11111180.8330.00170.002cisoisTTss111146.533/2/cioisisisoisSTTTTTT满足近似条件。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%5%i，满足设计要求。5.ACR的离散化。由以上计算，可得ACR的S域传递函数方程为：已经确定采样周期为0.001siTs，将11211szSTz代入ACR，计算：得ACR的Z域传递函数方程为：3.2.3电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，忽略高次项，()cliWs可降阶近似为近似条件:式中cn——转速开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为()iUs，因此电流环在转速环中应等效成11()10.008411cliIWsSsK11111956330.0042IcniKST1()()1()1dcliiIIsWsUssK(1)24.71(0.0311)(s)iiACRiKSSWSS22*0.0310.0010.96822*0.0310.001isiiisiTaT22*0.0310.98422*0.0310.001iiisibT1111110.968(z)1.4611iiACRiKaZZWbZZ*(k)I(k)I(k)iaae(k)(k1)1.46[e(k)0.968e(k1)]ddiiUU这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效成只有较小时间常数1IK的一阶惯性环节。3.2.4转速调节器的参数计算1.确定时间常数1）电流环等效时间常数1IK。根据上文中0.5IiKT，则2）转速滤波时间常数onT。根据初始条件0.02onTs。3）取转速环调节器采样周期0.001siTs。4）转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为3.计算转速调节器参数转速反馈系数100.027min/NVnVr。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h，则ASR的超前时间常数为50.01740.142nnhTss转速开环增益则ASR的比例系数为4.检验近似条件转速环截止频率为1）电流环传递函数简化条件为，满足简化条件。1220.00420.0084iITssK10.00840.020.0284nonITTsssK(1)()nnASRnKsWss222222151148.782250.0284NnhKsshT(1)60.0091.820.11210.252250.0270.140.0284emnnhCTKhRT11`1159.860.13721.9NcnNnKKss111111956.1330.0042IcniKssT2）转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。5.ASR的离散化。由以上计算，可得ASR的S域传递函数方程为：已经确定采样周期为0.001siTs，将11211szSTz代入ACR，计算：得ASR的Z域传递函数方程为：6.校核转速超调量当5h时，查表得，37.6%10%n，不能满足设计要求。实际上，由于是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR退饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况计算超调量。由表查得max81.2%bCC，则满足设计要求。表1典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910maxbCC72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%mtT2.452.702.853.003.153.253.303.40vtT13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85111111925.7330.02IcnonKssTmax7600.141.820.02742()()281.2%1.59.29%10%3750.112nNnbmTCnzCnT(1)72.2(0.1421)(s)nnASRnKSSWSS22*0.1420.0010.99322*0.1420.001nsninsnTaT22*0.0310.98422*0.0310.001ninsnbT1111110.993(z)10.2911nnACRnKaZZWbZZ*(k)(k)(k)nenn(k)(k1)10.29[e(k)0.993e(k1)]aannII4系统仿真运用Matlab的Simulink来对系统进行模拟仿真。根据图2以及上面计算出的系统参数，可以建立直流双闭环调速系统的动态仿真模型，如图4所示。系统运行，得到系统电流和转速的仿真曲线，分别如图5、6、7所示。图4直流双闭环调速系统动态仿真模型图5理想空载条件下的仿真曲线图6负载电流为300A是的仿真曲线图7额定负载是的仿真曲线4.1仿真结果分析直流双闭环调速系统突加给定电压nU时由静止状态起动时，转速和电流的动态过程图如图5～7所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况。5软件设计调速系统的软件设计由三部分组成：主程序、初始化程序和中断服务子程序。下面将介绍各部分程序的流程图。5.1主程序主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新处理与上位计算机和其他外设通信等功能。如图8.1所示主程序系统初始化键处理刷新显示系统初始化设定定时器、PWM、数字测速工作方式参数及变量初始化设定I/O、通信接口及显示、键盘工作方式返回数据通信有键按下吗？YN图8.1主程序框图图8.2初始化子程序框图5.2初始化子程序初始化程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。其流程图如图8.2所示。5.3中断服务子程序中断服务子程序主要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。它包括了三种中断服务，其中转速调节中断服务子程序流程图如图9.1所示，电流调节中断服务子程序流程图如图9.2所示，故障保护中断服务子程序流程图如图9.3所示通过分析这些程序流程图，可以为后面的软件设计理清思路，把准备工作做好那么在后面的软件设计中，将要对模拟PI调节器进行数字化，再分析对通用定时器、比较单元、增量式光电编码器接口与捕获单元等功能模块进行介绍和分析。5.4数字PI调节器的微机实现方法在3.3小节中