运动控制课程设计.docx
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运动控制课程设计
课程设计说明书
名称PWM直流调速系统的设计与仿真
目录
第一章、绪论5
1.1直流调速系统的背景及意义5
1.2直流调速系统的国内外研究现状6
第二章调速系统基本原理分析6
2.1双闭环直流调速系统简介6
2.1.1控制要求6
2.1.2闭环系统的静特性7
2.2PWM变换器7
2.3脉宽调制系统的开环机械特性8
第三章主电路设计9
3.1电路设计及分析9
3.2电流调节器10
3.2.1电流环的简化10
3.2.2电流调节器的设计11
3.2.3电流调节器的实现12
3.3转速调节器13
3.3.1转速调节器的结构选择13
3.3.2转速调节器的实现14
3.4桥式可逆PWM变换器14
第四章系统的参数设置15
4.1主电路建模和参数设置15
4.1.1直流电动机的参数设置15
4.1.2不可控二极管整流桥的参数设置16
4.1.3滤波电容的参数设置16
4.1.4可控开关的参数设置16
4.2控制电路的建模和参数设置16
4.3系统的仿真参数设置16
第五章仿真波形分析17
5.1仿真电路图17
5.2波形及分析17
第六章心得体会20
第七章参考文献20
课程设计任务书
一、课程设计课题
直流脉宽调速系统的设计与仿真(需要具有Matlab仿真环境的机房)
二、系统方案的确定
自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能(动、静)→电机参数→主电路→控制方案”(系统方案的确定)→“系统设计→仿真研究→参数整定→直到理论实现要求→硬件设计→制版、焊接、调试”等过程,其中系统方案的确定至关重要。
为了发挥同学们的主观能动作用,且避免方案及结果雷同,在选定系统方案时,规定外的其他参数由同学自己选定。
1、主电路采用二极管不可控整流。
2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器。
三、设计任务
a)总体方案的确定;
b)主电路原理及波形分析、元件选择、参数计算;
c)系统原理图、稳态结构图、动态结构图、主要硬件结构图;
d)控制电路设计、原理分析、主要元件、参数的选择;
e)调节器、PWM信号产生电路的设计;
f)检测及反馈电路的设计与计算;
四、课程设计报告的要求
1.理论上掌握直流电动机的PWM调速原理的原理,包括基本的主电路和常用的控制电路
2.掌握脉宽调制变换器的基本结构。
3.设计一种直流脉宽调制电路。
4.选择PWM调速系统的控制电路。
5.对所设计的系统进行仿真。
第一章、绪论
1.1直流调速系统的背景及意义
电气传动技术以电动机控制为控制对象,以微电子装置为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。
因电机种类的不同分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简称交流传动)、步进电机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传动)等等。
众所周知,与交流调速系统相比,由于直流调速系统的调速精度高,调速范围广,变流装置控制简单,长期以来在调速传动中占统治地位。
在要求调速性能较高的场合,一般都采用直流电气传动[1]。
目前,通过对电动机的控制,将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域。
三十多年来,直流电机传动经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代,以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
同时,控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化,在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。
由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步,应用相当普遍,尤其是全数字直流系统的出现,更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
所以,今后一个阶段在调速要求较高的场合,如轧钢厂、海上钻井平台等,直流调速仍然处于主要地位。
早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成,由于模拟器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低[2]。
随着计算机控制技术的发展,直流传动系统已经广泛使用微机,实现了全数字化控制。
由于微机以数字信号工作,控制手段灵活方便,抗干扰能力强。
所以,全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。
1.2直流调速系统的国内外研究现状
电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器,电力电机技术的迅猛发展,促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。
从20世纪60年代第一代电力电子器件—晶闸管(SCR)发明至今,已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件—GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场控器件—IGBT、MCT等,如今正蓬勃发展的第四代产品—功率集成电路(PIC)。
每一代的电力电子元件也未停顿,多年来其结构、工艺不断改进,性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相竞争,新的应用不断出现。
同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。
正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。
早期直流传动的控制器由模拟分离器件构成,由于模拟器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。
20世纪70年代以来,利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用,如AT89C51等。
在单片机控制系统中,单片机作为系统控制的核心,主要用来完成一些算法,同时还要处理一些输入/输出、显示任务等,单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。
第二章调速系统基本原理分析
2.1双闭环直流调速系统简介
2.1.1控制要求
在现代化工业生产中,生产机械都不停地运动着,几乎无处不使用电力传动装置。
由于各种不同的生产机械运动规律不一样,对传动装置性能的要求也不一样。
为了提高产品质量,增加产量,提高生产效率,越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制,并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。
(1)调速——在一定的最高转速和最低转速范围内,分档地(有级)或平滑地(无级)调节转速;
(2)稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行,在各种干扰下不允许有过大的转速波动,以确保产品质量;
(3)加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快,以提高生产率;不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起,制动尽量平稳。
2.1.2闭环系统的静特性
图2.1闭环调速系统的给定作用和扰动作用
闭环系统可以获得比开环系统硬得多的特性,从而保证在一定静差率的要求下,能够提高调速范围。
在闭环系统中降低速降的实质是:
在开环系统中,当负载电流增大时电枢压降也增大,转速就降下来了;闭环系统有反馈装置,转速稍有降落,反馈电压就感觉出来了,通过比较和放大,提高脉宽调制的输出电压
,使系统工作在新的机械特性上,因而转速有所回升,速度降落降低。
2.2PWM变换器
采样理论中的一个重要理论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲家在具有惯性环节上时,其效果基本相同。
这个原理成为面积原理,它是PWM控制[5]的重要理论基础。
若将半个周期的正弦波分成N等份,就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。
这些脉冲宽度相等为
,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平的,各脉冲幅值按正弦规律变化。
若将上述脉冲换成同等数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲代替,是矩形脉冲和相应的正弦脉冲的面积相等,这就是PWM形。
可以看出,其幅值相等,而宽度按正弦规律变化,PWM系统的优点为
(1)主电路线路简单,需用的功率器件少;
(2)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽;
(3)动态响应相对较快,动态抗扰能力强;
(4)功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,装置效率较高;
(5)直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流器高。
PWM变换器的作用是:
用PWM调制的方法,把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列,从而可以改变平均输出电压的大小,以调节电机转速。
2.3脉宽调制系统的开环机械特性
电动机所承受的电压仍为脉冲电压,因此尽管有高频电感的平波作用,电枢电流和转速还是脉动的。
所谓稳态,只是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态,电枢电流实际上是周期变化的,只是算作“准稳态”。
脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是平均转速与平均转矩(电流)的关系。
在双极式可逆PWM电路中,具有反向电流通路,在同一转向下电流可正可负,无论是重载还是轻载,电流波形都是连续的,这就使机械特性的关系式简单得多。
图2.2绘出了第一、第二象限的机械特性,它适用于带制动作用的不可逆电路。
可逆电路的机械特性与此相仿,只是扩展到第三、第四象限而已。
图2.2脉宽调速系统的稳态性能
图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。
图中仅绘出了第一、二象限的机械特性,它适用于带制动作用的不可逆电路,双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿,只是更扩展到第三、四象限了。
对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路,轻载时会出现电流断续现象,把平均电压抬高,在理想空载时,Id=0,理想空载转速会翘到n0s=Us/Ce。
目前,在中、小容量的脉宽调速系统中,由于IGBT已经得到普遍的应用,其开关频率一般在10kHz左右,这时,最大电流脉动量在额定电流的5%以下,转速脉动量不到额定空载转速的万分之一,可以忽略不计。
第三章主电路设计
3.1电路设计及分析
根据设计任务可知,要求系统在稳定的前提下实现无静差调速,并要求较好的动态性能,可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统,以完全达到系统需要。
转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1-1所示。
图3-1转速、电流双闭环调速系统系统框图
两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。
双闭环直流调速系统原理框图如下图3-2所示:
图3-2双闭环直流调速系统原理框图
3.2电流调节器
3.2.1电流环的简化
电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压(即外环调节器的输出量)变化。
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。
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。
图3-3系统实际动态原理框图
在图3-3虚线框内的电流环中,饭电动势与电流反馈的作用相互交叉,这将给设计工作带来麻烦。
实际中,对电流环来说,反电动势是一个变化比较慢的扰动,在电流的瞬变过程中,可以认为反电动势基本不变。
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内,同时把给定信号改为
,则电流环便等效成单位负反馈系统,如图3—3b所示,从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。
(a)
(b)
(c)
图3—3电流环的动态结构框图及其简化
(a)忽略反电动势的动态影响(b)等效成单位负反馈(c)小惯性环节近似处理
3.2.2电流调节器的设计
电流环的控制对象由电枢回路组成的大惯性环节与晶闸管整流装置、触发器、电流互感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成。
电流环可以校正成典型I型系统,也可以校正成典型II型系统,校正成哪种系统,取决于具体系统的要求。
由于电路环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,因而在突加给定时,不希望有超调,或者超调越小越好。
从这个观点来说,应该把电流环校正成典型I型系统。
但典型I型系统在电磁惯性时间常数较大时,抗扰性能较差,恢复时间较长。
考虑到电流环还对电网电压波动有及时的调节功能,因此,为了调高其抗绕性能,又希望把电流环校正成典型的II型系统。
在一般情况下,当控制系统的两个时间常数之T1T∑i≤10比时,典型的II型系统的恢复时间还是可以接受的,因此。
一般按典型I型系统设计电流环。
此外,为了按典型系统设计电流环,需要对电流环进行必要地工程近似和等效处理。
3.2.3电流调节器的实现
含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图3—4所示。
图中
为电流给定电压。
为电流负反馈电压,调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压
。
图3—4含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图
3.3转速调节器
3.3.1转速调节器的结构选择
把电流环的等效环节接入转速环后,整个转速控制系统的动态结构框图如图3—5a所示。
和电流环中一样,把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内,同时将给定信号改成
,再把时间常数为
和
的两个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为
的惯性环节
由于需要实现转速无静差,而且在后面已经有一个积分环节,因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节,所以应该设计成典型Ⅱ型系统,这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
由此可见,ASR也应该采用PI调节。
(a)
(b)
(c)
图3—5转速环的动态结构框图及其简化
(a)用等效环节代替电流环(b)等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理
(c)校正后成为典型Ⅱ型系统
3.3.2转速调节器的实现
含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器的原理图如图3—6所示,图中
为转速给定电压,
为转速负反馈电压,调节器的输出是电流调节器的给定电压
。
图3—6含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
3.4桥式可逆PWM变换器
脉宽调制器的作用是:
用脉冲宽度调制的方法,把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列,从而平均输出电压的大小,以调节电机转速。
桥式可逆PWM变换器电路如图3-7所示。
这是电动机M两端电压
的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。
图3-7桥式可逆PWM变换器电路
双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图3-8所示。
图3-8PWM变换器的驱动电压波形
第四章系统的参数设置
4.1主电路建模和参数设置
4.1.1直流电动机的参数设置
额定电压UN=220V,额定电流IN=136A,额定转速nN=1460r/min,电动势系数Ce=0.132V*min/r,允许过载倍数λ=1.5,励磁电阻RA=UN/If=220Ω,电枢电感和励磁电感之间的互感Laf=Cm/If=30/π*Ce/If=0.7969H。
4.1.2不可控二极管整流桥的参数设置
桥臂数为3,端口A、B、C设为输入端,RS=50000Ω,CS=inf,Ron=1.3Ω,Lon=0,Uf=0V,将电力电子设备选为二极管即可。
4.1.3滤波电容的参数设置
打开滤波电容器参数设置对话框,将参数设置为R=0,L=0,C=10F。
4.1.4可控开关的参数设置
将PowerElectronicDevice选择为IGBT/Diodes,其他的参数为默认值。
4.2控制电路的建模和参数设置
1.直流脉宽调速系统的控制电路包括:
给定环节、速度调节器ASR、限幅器、速度反馈环节、PWM信号发生器等。
2.PWM信号发生器参数设置:
PWM信号发生器要求的输入范围为-1~1,ASR的输出范围为-200~200,限幅器限制范围是0~200,放大器倍数为-0.01,则输出的数为-2~0,后接一加法器,加1之后的输出就是-1~1了。
3.相关参数设置:
转速给定为10rad/s;速度反馈系数α=0.00417;转速调节器ASR和电流调节器ACR均采用PI控制器,其参数设置为Kpn=23.5,τn=0.5;
上下限幅值为-200~200;其它未作说明则为默认值。
4.3系统的仿真参数设置
仿真中所选择的算法为ode23tb,仿真开始时间(Starttime)设为0,仿真结束时间(Stoptime)设为2.5s。
第五章仿真波形分析
5.1仿真电路图
图5-1仿真图
5.2波形及分析
5-2电枢电流波形
由图可以看出,电枢电流变化是刚开始时最大,随着时间的推移,电动机趋于稳定,电枢电流的变化也就趋于一个固定的值。
5-3转速波形
由图可以看出,转速是从零开始慢慢变化,直至最后的额定转速,由于刚开始启动的时候,电动机要有一个启动的过程,在这个过程中转速是随着时间的推移而慢慢变大,等到电动机稳定的时候,转速也就趋于一个固定的值达到额定的值。
5-4励磁电流波形
由图可以看出,励磁电流在整个过程中都是不变化的,由于励磁电流是由另外的110V的直流电源供电的,因而其大小不受电机的影响,因而它在整个过程中都是一个恒定不变的值。
5-5转矩波形
由图可以看出,转距也是从刚开始的最大,慢慢地趋于稳定的值,由于在电机刚开始启动的时候,电枢电流最大,而转矩与电枢电流成正比,因而转矩也是最大,随着电机的启动过程继续,电枢电流减小,从而使得转矩也慢慢变小,直至电机启动完成,达到额定的值,转矩也就趋于稳定。
5-6电压波形
由图可以看出,电压波形是一个动态的过程,它的大小随着时间的变化,总是在一定的值范围内变化着,由于谐波以及电网的影响,甚至电机运行过程中也会对电压有一定的影响,因而导致电压是一个动态的值,不可能趋于固定的某个值。
第六章心得体会
1.通过该课程设计,使我对运动控制系统这门课有了进一步的理解与认识,让我有机会学以致用,并且查缺补漏,将老师在课堂上讲述过的内容应用到具体实践中来。
2.使我对于抽象的知识有了具体而生动的认识,更加意识到实践与理论的区别,在实际生产中要考虑许多外界因素,而在理论学习时则更多的是在理想环境下进行的,这是我今后从事这一领域的工作时应该特别注意的一点;
3.其次,它教会我如何合作,向老师请教疑难,与同学探讨问题,互相帮助,共同进步,听听不同的看法有助于我们更好地掌握知识与技能,所以在这里非常感谢帮助我的老师和同学。
4.另外,信息搜集与整合也是十分重要的,遇到疑难时首先求助于书本和网络,所以,在设计期间,我在图书馆查了许多相关资料,并在网络上搜索了一些有用的信息,掌握了许多课堂之外的知识,这是意外的收获。
5.通过这一周的课程设计,使我明白我们不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。
可以说,本次课程设计令我获益匪浅。
第七章参考文献
[1]张晓青.直流电动机数字PWM调速系统设计[M].北京机械工业学院学报,2000,15(4):
44-45
[2]李萍,刘畅.基于单片机的直流电机控制实验装置设计[J].交通科技与经济,2009,(3):
96-98
[3]李群芳,张士军.单片微型计算机与接口技术[M].北京:
电子工业出版社,2005
[4]林金阳,王明福.基于MC51单片机的直流电机PWM调速系统[J].长春工程学院学报(自然科学版),2009,(3):
32-35
[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京:
机械工业出版社,2003
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