运动控制系统转速电流双闭环VM直流调速系统文档格式.docx
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whenitoperatessteadily,thespeednegativefeedbackfromtheouterringplaysamajorrole,toletthespeedchangeswiththegivenspeedvoltage,atthesametimethecurrentinnerringregulatesthearmaturecurrentofmotoradjustmenttobalancetheloadcurrent.Simulinkforsystemthroughmathematicalmodelingandsystemsimulation.Finallydisplaycontrolsystemmodelandtheresultsofanti-truth.
Keywords:
Double-loop;
thyristors,;
thespeedregulator;
thecurrentregulator;
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
第二章设计任务与要求2
2.1性能指标要求2
2.2设计内容2
2.3主要设计部分2
第三章原理图设计3
3.1基本设计思路3
3.2确定转速、电流反馈系数3
3.3电流环ACR的设计4
3.4转速环的设计5
3.5转速电流双闭环MATLAB仿真7
四.转速电流检测电路的设计9
4.1电流检测电路的设计9
4.2转速检测电路的设计11
4.3转速、电流检测电路的PCB设计18
第五章总结20
第六章心得体会20
参考文献21
第一章绪论
电机自动控制系统广泛应用于机械,钢铁,矿山,冶金,化工,石油,纺织,等行业。
这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。
有效地控制电机,提高其运行性能,对国民经济具有十分重要的现实意义。
20世纪90年代前地大约50年的时间里,直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场互相独立并且正交,为控制提供了便捷的方式,使得电动机具有优良的启动,制动和调速性能。
尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其他电动机的挑战,但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺候控制首选。
因为它具有良好的线性特征,优异的控制性能,高效率等优点。
直流调速仍然是目前最可靠,精度最高的调速方法。
本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制,设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。
并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。
第二章设计任务与要求
2.1性能指标要求
(1)直流电动机:
PN=1.1kW,nN=1000r/min,UN=220V,IN=6.58A,GD2=0.28kg.m2,过载倍数λ=2,电枢绕组的电阻RD=4Ω,电感LD=67mH;
(2)变压器:
副边绕组的电阻RB=0.65Ω,电感LB=4mH,额定电压U2e=145V,额定电流I2e=5.37A;
(3)平波电抗器:
电阻Rp=0.1Ω,电感Lp=214mH;
(4)采用三相全控桥式整流电路,Ks=57;
(5)电流调节器最大给定值Uimж
=10V,转速调节器最大给定值Unmж
=6V;
(6)电流滤波时间常数T0i=1ms,转速滤波时间常数T0n=5ms;
(7)设计要求稳态无静差,电流超调量σi%≤5%,空载启动到额定转速时的转速超调量σi%≤10%。
2.2设计内容
(1)结合系统组成原理图,对起动和抗扰过程进行理论分析;
(2)系统硬件电路设计(硬件电路设计:
必须完成电路原理图设计、参数计算、元器件选型,根据时间和兴趣可进一步选做PCB板的设计、制作与调试)
2.3主要设计部分
(1)电流检测电路的设计
(2)转速检测电路的设计
第三章原理图设计
3.1基本设计思路
转速,电流双闭环调速系统属于多环控制系统。
对电流双闭环调速系统而言,先从内环(即电流环)出发,根据电流控制要求,确定把电流环校正为那种典型系统。
按照调节对象选择调节器及其参数。
设计完电流环环节之后,把它等效成一个小惯性环节,作为转速环的一个组成部分。
然后用同样的方法进行转速环的设计,每个环的设计都是把该环校正为一个典型系统,以获得预期的性能指标。
目前的V-M调速系统多为带电流内环的速度控制系统。
双闭环调速系统的动态结构图如图3-1所示:
图3-1双闭环直流调速系统动态结构图
3.2确定转速、电流反馈系数
(1)电势常数Ce
(2)三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间Ts
(3)电流反馈系数
设最大允许电流
,则电流反馈系数为
(4)转速反馈系数
3.3电流环ACR的设计
(1)电流环小时间常数
(2)电磁时间常数
(3)电流调节器结构的选择
根据设计要求,
,且
因此可按典I系统设计,且选用PI调节器,其传递函数为
(4)确定电流调节器参数
ACR超前时间常数:
电流环开环放大系数
:
要求
时,应按二阶“最佳”系统设计
从而,ACR的比例系数为
(5)校验近似条件
电流环截止频率:
晶闸管装置传递函数近似条件
满足近似条件。
小时间常数近似条件
满足近似条件。
忽略反电势对电流环影响的条件
(6)
3.4转速环的设计
(1)转速环小时间常数
(2)选择转速调节器结构
根据稳态、动态性能指标的要求,应按典I系统设计转速环,为此应选用PI调节器,其传递函数为
(3)选择转速调节器参数
为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好,应采用
准则选择参数,且取h=5,因此ASR的超前时间常数为
(4)校验近似条件
转速环截止频率
电流环传递函数简化条件
而
小时间常数近似处理条件
(5)
(6)校核转速超调量
因为当h=5时
而
所以
可见,所设计的系统能满足设计要求。
3.5转速电流双闭环MATLAB仿真
(1)用MATLAB对转速电流双闭环建模,具体模型如图3-2所示,并将上列所计算好的参数代入,对其进行仿真分析。
图3-2转速电流双闭环MATLAB模型
(2)突加给定,让其工作在额定工作状态,其仿真结界如图3-3所示。
图3-3突加给定的仿真波形
四.转速电流检测电路的设计
转速、电流负反馈双闭环直流调速系统,其原理就是再开环调速系统的基础上增加转速调节器和电流调节器通过当前的转速反馈和电流反馈以改善系统的动态性能和稳态性能,因此反馈信号的准确度很大程度上决定了系统的性能指标。
4.1电流检测电路的设计
方案一:
由于电路通过可控整流给直流电机供电,主电路流过的电流为直流,因此可在主电中串入康铜丝采样电阻,取出采样电阻两端的电压,串入比例调节器加以放大,其具体计算如下:
康铜丝采样电阻取
,电路中流过最大电流为
此时采样电阻两端电压为
则比例调节器的比例系数为
此方法虽然原理简单,但是由可控整流电路中的谐波较大,因此测量结果不是很准确,且容易受到电阻阻值温漂的影响。
方案二:
通过康铜丝采样,再将采样电压通过电流检测芯片,通过比例调节器较准,这样设计电路稍微复杂一些,但是测得电流较为准确。
因此采用方案二
电流检测芯片采用TI公司的INA282,INA282系列是电压输出电流并联监控器,此监控器能够感测共模电压上-14V至+80V与电源电压无关。
零漂移架构的低偏移使得电流感测在整个分流器上的最大压降低至10mV的量程。
这个电流分流监控器由+2.7V至+18V电源供电,使用最大900μA的电源电流。
此芯片通过在+IN和-IN之间接入一个采样电阻(电阻值很小约0.01Ω为宜)当有电阻上有电流流过时采样电阻上将会产生压降,通过+IN与-IN口进入,再由芯片内部的差分放大,抑制共模信号放大差模信号,由OUT口输出,通过REF1,REF2引脚控制输出模式。
具体电路如图4-1所示:
图4-1电流检测电路
当采样电阻为
测试报告如表4-1所示
表4-1电流检测报告
输入电流(A)
输出电压(V)
较准电压(V)
0.08
0.08-0.1=0
0.5
0.18
0.18-0.1=0.1
1
0.29
0.29-0.1=0.2
2
0.49
0.49-0.1=0.4
5
1.1
1.1-0.1=1
10
2.1
2.1-1=2
由表4-2可知:
电流检测芯片检测电流,输出电压为
当电流为13.16A时,
因此可调电位器取值应为36.6K为宜。
4.2转速检测电路的设计
采用直流测速发电机,将转速转化为电压值,通过分压电阻分压后再反馈到ACR。
该方案电路比较简单,但是测量不够精确。
测速发电机采用ZCF系列,具体参数如表4-2所示
表4-2ZCF直流发电机
选取ZCF221A直流发电机,根据表中参数,当然
,
,可调电阻总阻值取50K,则采样分压电阻阻值
具体电路如图4-2所示:
图4-2测速发电机转速检测电路
采用光电编码器对速度进行检测,通过51单片机采集光电编码器产生的脉冲信号,并进行处理,同时通过数码管将转速显示出来,同时通过DA数模转换器将速度信号转换成模拟信号输送至ASR调节器,该方案电路比较复杂,但测速比较准确。
因此选择该方案较好。
4.21器件选型
(1)光电编码器选择
光电编码器采用ZKT6012空心旋转编码器K6012光电编码器,1024码盘,每转产生1200个脉冲,工作电压为直流DC5-12V。
(2)单片机选择
单片机采用STC89C52,该单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
(3)DA数模转换器选择
数模转换器采用PCF8591,它是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件,具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。
3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址,允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。
器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。
器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位数模拟转换。
最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。
(4)运算放大器的选择
运算放大器采用TI公司的LM358,LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
4.22总体转速检测电路设计
采用光电编码器对转速进行检测,检测及显示电路如图4-3所示,数模转换反馈电路如图4-4所示
图4-3转速检测及显示电路
图4-4数模转换电路
4.23转速检测的Proteus仿真
(1)转速检测仿真电路设计如图4-5所示
图4-5转速检测仿真电路
(2)具体参数计算
假定转速检测能测最大转速为1500r/min,数模转换器为8位,最多能测出
个点,数模转换器供电电压为
,当
时,
,仿真结果如图4-6所示
4-6转速为
时的仿真波形
由图中可以看出现当转速为
时,通过数模转换得到的模拟电压为3.32V,与理论计算值一致。
此时比例调节器的比例系数为
,因此可调电阻值应设为18K
4.24转速检测电路软件设计
/***************显示程序****************/
display()
{
uchari;
gw=x%10;
//求速度个位值,送到个位显示缓冲区
sw=(x/10)%10;
//求速度十位值,送到十位显示缓冲区
bw=(x/100)%10;
//求速度百位值,送到百位显示缓冲区
qw=x/1000;
//求速度千位值,送到千位显示缓冲区
for(i=0;
i<
4;
i++)
{
P2=led[i];
if(i==0)//显示个位
{
P0=smg[gw];
delays();
}
elseif(i==1)//显示十位
P0=smg[sw];
elseif(i==2)//显示百位
P0=smg[bw];
elseif(i==3)//显示千位
P0=smg[qw];
}
}
}
/*******************************************************************
DAC变换,转化函数
*******************************************************************/
bitDACconversion(unsignedcharsla,unsignedcharc,unsignedcharVal)
Start_I2c();
//启动总线
SendByte(sla);
//发送器件地址
if(ack==0)return(0);
SendByte(c);
//发送控制字节
SendByte(Val);
//发送DAC的数值
Stop_I2c();
//结束总线
return
(1);
4.3转速、电流检测电路的PCB设计
(1)转速、电流检测电路原理图设计如图4-7所示
4-7转速、电流检测电路原理图
(2)转速、电流检测电路PCB板制作如图4-8所示
4-8转速、电流检测电路PCB板
(3)转速、电流检测电路PCB板3D模型如图4-9所示
4-9转速、电流检测电路PCB板3D模型
第五章总结
本次设计主要内容是按要求设计一个转速电流双闭环直流调速系统,先根据设计要求,算出现具体参数,通过MATLAB仿真建模分析,验证其动态性能和稳态性能,在一切性能指标都符合要求条件下,然后进行各个部分进行相应的硬件设计和软件设计,硬件电路设计主要包括
(1)主电路的设计;
(2)触发电路的设计;
(3)转速、电流调节器及其限幅电路的设计;
(4)转速、电流检测电路的设计;
(5)保护电路的设计;
(6)辅助电源电路的设计。
本人主要设计关于转速、电流检测电路设计,转速检测电路和电流检测电路设计都至少给出两种以上方案,并将各方案之间进行比较和认证,得出最优设计方案,通过对相关部分软件编程和Proteus仿真,得出与理论分析比较一致的结果,然后将相关硬件电路作为模块设计制作成PCB板,终于完成相关硬件部分设计。
第六章心得体会
这次的课程设计运用的基本上都是在《电力电子技术》和《电力拖动与运动控制系统》这两门课程中所学过的基本知识点。
并通过MATLAB仿真加深了对相关知识的理解
这次的设计,其中最重要的一部分是参数的计算比较繁锁。
做事情要有耐心,这是我在这次设计中所学习到的重要的一点。
在进行硬件电路图的设计时,电流调节器和转速调节器都可以在课本上找到,而触发电路,主电路在电力电子课程中学习过,也不难画出他们的硬件连接图。
就是在MATLAB进行仿真时,总是出错,花费了很多时间才把所有问题都解决,还有就是软件方面,也是查阅了很多资料,但最后终于把所有问题都解决了。
这次课程设计我收获很大。
通过这次设计,加深了我对电流,转速双闭环系统这个典型的系统的认识。
复习了以前学习过的基本知识,加深了印象。
这对我们以后工作中会很有帮助的。
参考文献
[1]王兆安.电力电子技术[M].北京:
机械工业出版社,2004.
[2]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:
机械工业出版社,2006.
[3]李宁,陈桂.运动控制系统.高等教育出版社,2004.
[4]童福尧.电力拖动自动控制系统习题例题集.北京:
机械工业出版社,1992.
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