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直流双闭环调速系统运动控制
摘要
在电气时代的今天,电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。
直流电机是最常见的一种电机,在各领域中得到广泛应用。
研究直流电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。
不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求,因此,不同的调速方法有着不同的应用场合。
本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究,并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。
首先描述了变频器的发展历程,提出了PWM调速方法的优势,指出了未来PWM调速方法的发展前景,点出了研究PWM调速方法的意义。
应用于直流电机的调速方式很多,其中以PWM变频调速方式应用最为广泛,而PWM变频器中,H型PWM变频器性能尤为突出,作为本次设计的基础理论,本文将对PWM的理论进行详细论述。
在此基础上,本文将做出SG3525单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计,然后对各个部分分别进行论证,力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。
关键词:
直流调速;双闭环;PWM;SG3525;直流电机
目录
第一章直流调速系统的方案设计2
1.1设计技术指标要求2
1.2现行方案的讨论与比较2
1.3选择PWM控制系统的理由3
1.4采用转速电流双闭环的理由4
第二章控制电路设计6
2.1调节器的选择与调整6
2.2触发电路的确定7
2.3总体设计方案图7
第三章原始数据与参数计算10
3.1原始数据10
3.2电流调节器的设计10
3.3速度调节器设计11
第四章双闭环直流调速系统仿真15
课程设计总结16
参考文献17
第一章直流调速系统的方案设计
1.1设计技术指标要求
1.直流电动机:
型号:
DJ15
功率:
485W
电枢电压:
220V
电枢电流:
1.2A
额定转数:
1600rpm
2.调速范围:
1:
1200
3.起动时超调量:
电流超调量:
;转速超调量:
1.2现行方案的讨论与比较
直流电动机的调速方法有三种:
(1)调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小,能快速响应,但是需要大容量可调直流电源。
(2)改变电动机主磁通
。
改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机额定转速向上调速,属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同
变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。
(3)改变电枢回路电阻R。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,设备简单,操作方便。
但是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围的升速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。
因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法,调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种:
(1)旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。
(2)静止可控整流器。
用静止的可控整流器,如汞弧整流器和晶闸管整流装置,产生可调的直流电压。
(3)直流斩波器或脉宽调制变换器。
用恒定直流电源或不可控整流电源供电,利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
1.3选择PWM控制系统的理由
脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司(SiliconGeneral)的第二代产品SG3525,这是一种性能优良,功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。
由于它简单、可靠及使用方便灵活,大大简化了脉宽调制器的设计及调试,故获得广泛使用。
PWM系统在很多方面具有较大的优越性:
1) PWM调速系统主电路线路简单,需用的功率器件少。
2) 开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小。
3) 低速性能好,稳速精度高,调速范围广,可达到1:
10000左右。
4) 如果可以与快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强。
5) 功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高。
6) 直流电源采用不可控整流时,电网功率因数比相控整流器高。
变频调速很快为广大电动机用户所接受,成为了一种最受欢迎的调速方法,在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。
由此可见,变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。
在变频调速方式中,PWM调速方式尤为大家所重视,这是我们选取它作为研究对象的重要原因。
1.4采用转速电流双闭环的理由
同开环控制系统相比,闭环控制具有一系列优点。
在反馈控制系统中,不管出于什么原因(外部扰动或系统内部变化),只要被控制量偏离规定值,就会产生相应的控制作用去消除偏差。
因此,它具有抑制干扰的能力,对元件特性变化不敏感,并能改善系统的响应特性。
由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。
单闭环速度反馈调速系统,采用PI控制器时,可以保证系统稳态速度误差为零。
但是如果对系统的动态性能要求较高,如果要求快速起制动,突加负载动态速降小等,单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。
另外,单闭环调速系统的动态抗干扰性较差,当电网电压波动时,必须待转速发生变化后,调节作用才能产生,因此动态误差较大。
在要求较高的调速系统中,一般有两个基本要求:
一是能够快速启动制动;二是能够快速克服负载、电网等干扰。
通过分析发现,如果要求快速起动,必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩,即最大的恒定允许电枢电流,当电枢电流保持最大允许值时,电动机以恒加速度升速至给定转速,然后电枢电流立即降至负载电流值。
如果要求快速克服电网的干扰,必须对电枢电流进行调节。
以上两点都涉及电枢电流的控制,所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量,组成转速、电流双闭环调速系统。
第二章控制电路设计
2.1调节器的选择与调整
作为系统校正环节的调节器,是控制电路的关键部件,在系统中使用各种类型的调节器可实现输入输出的P、I、D、PI、PD、PID等多种运算关系。
调节器的选择与参数整定是系统设计中极其重要的一环,它对系统静、动态性能指标的优劣起着决定作用。
调速系统对调节器的一般要求是:
1)节器须能够调零,如果调节器在比例状态下不能调零,当输入为零时,输出较大,则应更换器件。
2)过调整消振电路参数,能消除高频振荡。
3)节器的正、负输出电压不能过小,一般要求输出电压接近直流稳压电源电压(±15v)。
对于PI调节器一般都要求输出限幅。
4)调速系统中具有积分作用的电流和转速调节器,必须设置调节器锁零环节。
5)节器的工作电源为直流稳压电源(±15v或±12v)。
调速系统中,为了保护电气设备和机械设备的安全,须限制电动机的最大电流、最大电压以及晶闸管变流装置的
和
角等,一般都要求对调节器输出限幅。
调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中十分重要的环节。
实现限幅的方法大体有两类,即外限幅和内限幅,电路图如图4-10所示。
图4-9就是利用二极管箝位的内限幅电路。
前已述及,系统中引入PI调节器,即使系统在停车期间,未加给定信号,由于其积分作用,调节器在干扰信号作用下也会有较大的输出电压。
这个输出信号送给触发装置,就会使触发脉冲从初始相位(
90º)前移而使电动机起动,这在控制上是不允许的。
所以在系统给出起动指令之前,必须对具有积分作用的调节器锁零,即把它的输出锁到零电位上。
2.2触发电路的确定
在晶闸管直流调速系统中,触发装置是十分重要的控制单元。
目前触发装置的种类很多,具体电路各式各样,设计者必须根据系统实际需要合理地选择触发电路。
系统对触发电路的要求是设计和选择触发电路的依据,我们在选用时应考虑下列一些问题:
1)触发电路的工作一定要十分可靠。
这一点对可逆系统来说尤为重要
2)移相范围应满足系统要求。
对于不同整流型式,不同负载性质,其移相范围要求也不同。
晶闸管直流调速系统,电感性负载(电流连续),若采用三相零式或三相全控桥线路,对不可逆系统,要求α=0~900;对可逆系统,则要求α=0~1800。
实际系统中,因有αmin和βmin角的限制,故移相范围小于1800。
同步信号为锯齿波的触发电路,移相范围可超过1800;同步信号为正弦波的触发电路,其移相范围小于1800;单结晶体管触发电路的移相范围只有1500左右。
3)不同整流电路对脉冲宽度的要求不同。
对单相、三相半波和三相桥式半控整流电路,应选择单脉冲触发电路;对于三相桥式全控整流电路,应选择双窄脉冲或宽脉冲触发电路。
对于一些容量不大、对触发要求不高的系统,选用结构简单的触发电路;一般情况下可使用由分立元件组成的触发电路或集成移相触发电路;必要时可采用微机触发电路。
4)触发电路输入输出特性线性度要好,以提高系统的静态和动态性能。
同步信号为锯齿波的触发电路线性度好,适用于要求调速范周宽的系统;同步信号为正弦波的触发电路线性度稍差;单结晶体管触发电路,其线性度更差,且有一段死区,一般用于小容量单相晶闸管系统中。
5)要求触发器工作对电网电压敏感。
同步信号为锯齿波的触发电路和同步信号为正弦波的触发电路相比较,前者较后者好。
6)触发脉冲信号应有足够的功率(电压、电流)和一定的宽度。
7)在大功率装置中,当晶闸管采用串、并联时,应采用强触发,提高脉冲前沿陡度,保证同臂元件导通的同时性。
8)最好采用集成电路触发装置,使元件、焊点、接插件、走线数量减少,简化控制线路,提高系统可靠性。
9)在实际应用中一般应采取防止误触发的具体措施。
10)对于共阴极接法的零式(半波)整流电路或半控桥式整流电路,可采用一套触发装置对所有的晶闸管同时进行触发控制。
其余的整流电路形式,一个触发脉冲只能触发一个晶闸管。
2.3总体设计方案图
图2-1总体设计方案图
第三章原始数据与参数计算
3.1原始数据
直流他励电动机:
功率Pe=22KW,额定电压Ue=220V,额定电流Ie=116A,磁极对数P=2,ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=0.112Ω,主电路总电阻R=0.32Ω,L∑=37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和),电磁系数Ce=0.138Vmin/r,Ks=22,电磁时间常数TL=0.116ms,机电时间常数Tm=0.157ms,滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s,过载倍数λ=1.5,电流给定最大值
,速度给定最大值
3.2电流调节器的设计
按所用运算放大器取
=20K
,
,电枢回路总电阻R=20
ACR积分时间常数
,
电流环开环增益:
要求
时应取
因此
于是,ACR的比例系数为
计算控制器的电阻电容值
取50K
如图3-1所示,为电流调节器的结构图。
图3-1电流调节器的结构图
3.3速度调节器设计
在设计转速调节器时,可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。
为此,需求出它的等效传递函数:
近似条件:
用电流环的等效环节代替电流闭环后,整个转速调节系统的动态结构图如3-2(a)所示。
把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内,同时将给定信号改为U*n(s)/α;再把时间常数为Ton和2T∑i的两个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为T∑n的惯性环节,且T∑n=Ton+2T∑I,,则转速环结构图可转化成图3-2(b)。
图3-2转速环的动态结构图
要把转速环校正成典型Ⅱ型系统,ASR也应采用PI调节器,其传递函数
为
式中Kn—转速调节器的比例系数;
τn—转速调节器的超前时间常数。
转速调节环选用典型Ⅱ型系统的原因:
1).系统在负载扰动作用下,动态速降要小。
2).ST饱和时,速度环退饱和超调量不大。
3).速度环基本上是恒值系统。
参数计算:
按所用运算放大器取
=20K
电流反馈系数:
=0.5v/A
转速反馈系数:
=0.007v·min/r
=0.132v·min/r
=0.18s
电枢回路总电阻R=20
=0.0234s
0.01s
—转速控制器的积分时间常数
一般选h=5
根据公式
经计算得出
=2.17;
转速控制器电阻电容值
取50K
如图3-3所示,为转速调节器的结构图。
图3-3转速调节器的结构图
第四章双闭环直流调速系统仿真
仿真结果如下:
图4-1转速电流曲线
图蓝线为电机转速曲线,绿线为电机电流曲线。
加电流启动时电流环将电机速度提高,并且保持为最大电流,而此时速度环则不起作用,使转速随时间线性变化,上升到饱和状态。
进入稳态运行后,转速换起主要作用,保持转速的稳定。
课程设计总结
通过两周的课程设计,首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识,加深了理解,是对课堂所学知识的一次很好的应用。
通过这次课程设计,我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高,在求学和研究的心态上也有不小的进步。
我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获,这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。
以前一直觉得理论知识离我们很远,经过课程设计,才发现理论知识与生活的联系。
这大大激发了我学习书本知识的兴趣。
再者我们学习的是工科,不单纯只是理论方面的的工作,还应该考虑到实际情况。
总之,在设计过程中,我不仅学到了以前从未接触过的新知识,而且学会了独立的去发现,面对,分析,解决新问题的能力,不仅学到了知识,又锻炼了自己的能力,使我受益非浅。
参考文献
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机械工业出版社,2009
[2]夏得砛,翁贻方.自动控制理论.第2版.机械工业出版社,2007
[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统.第2版.机械工业出版社,2003
[4]杨兴姚.电动机调速的原理及系统.北京水利电力出版社,2003
刘军.孟祥忠.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,2007
[5]王华强.直流电机调速系统的工程设计方法的探讨.荆门职业技术学院学报.2002
[6]吴守箴,藏英杰.电气传动的脉宽调制控制技术[M].机械工业出版社,1995
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