直流電機雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要 近年來，自動化控制系統(tǒng)在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速系統(tǒng)作為電力拖動系統(tǒng)的主要方式之一，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著十分重要的作用。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用使控制系統(tǒng)得到簡化，體積減小，可靠性提高，而且各種經(jīng)典和智能算法也都分別在調(diào)速系統(tǒng)中得到了靈活的應(yīng)用，以此來達到最優(yōu)控制效果。 以單片機為控制核心的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)有著許多優(yōu)點：由于速度給定和測速采用了數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測速，所以擴大了調(diào)速的范圍，提高了測速控制系統(tǒng)的精度；由于硬件的高度集成化，所以使得零部件數(shù)量大大減少；由于很多功能都是由軟件實現(xiàn)的，使硬件得以簡化，因此故障率??；單片機以數(shù)

2、字信號工作，控制方法靈活便捷，抗干擾能力較強。 本論文在直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究的基礎(chǔ)上，以 80c196kc 單片機為控制核心，對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采了用 pid 控制算法、電流調(diào)節(jié)器采用了 pi 算法，設(shè)計了一套全數(shù)字直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。并且介紹了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的功能和特性，分析了雙閉環(huán) pid控制的調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的比例和積分系數(shù)。此外，本次設(shè)計采用了數(shù)字式速度給定和數(shù)字式測速方法，大大提高了速度控制的精度。關(guān)鍵詞：直流電動機；調(diào)速；pid 控制；雙閉環(huán)目錄摘要i目錄ii1 設(shè)計任務(wù)：11.1 技術(shù)數(shù)據(jù)11.2 要求完成的任務(wù)12 直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)

3、的組成12.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)總體原理結(jié)構(gòu)方案設(shè)計12.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)各組成部分電路方案設(shè)計22.2.1 晶閘管整流電路及保護電路22.2.2 觸發(fā)控制電路42.2.3 系統(tǒng)給定62.2.4 檢測電路62.2.5 調(diào)節(jié)器的選擇83.1 電流調(diào)節(jié)器133.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器154 參考文獻155 附錄151 設(shè)計任務(wù)：1.1 技術(shù)數(shù)據(jù)（1）用線性集成電路運算 放大器作為調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速、電流無靜差直流控制系統(tǒng)，主電路由晶閘管可控整流電路供電的v-m系統(tǒng)電動機：額定數(shù)據(jù) 40kw,220v,210a,1000r/min,電樞電阻ra=0.5,rrec=0.8,ks=40 飛輪轉(zhuǎn)矩:kgm*m=7.0, 過載倍

4、數(shù)1.5晶閘管可控整流電路：三相橋式整流電路，整流變壓器y/y連接，二次測線電壓u2l=230vv-m系統(tǒng)電樞回路總電阻：r=1測速發(fā)電機：永磁式，額定數(shù)據(jù)23.1w,110v,0.21a,1900r/min（2）穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍: d=10；靜態(tài)率: s%5% （3）動態(tài)性能指標(biāo) 起動超調(diào)量:n %15% %5% 擾動產(chǎn)生的動態(tài)偏差:(n-n)/n *100%10% ;恢復(fù)時間: t0.5s （4）對起動、停車的快速性無特別要求1.2 要求完成的任務(wù)1.完成直流轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)整體設(shè)計2.按性能系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計及相關(guān)計算3.在實驗室完成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的實驗4.呈交

5、一份不少于5000字課程設(shè)計說明書,一套設(shè)計圖紙, 一份實驗報告2 直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)總體原理結(jié)構(gòu)方案設(shè)計直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖及其描述圖2-1 直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是最典型的直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 雙閉環(huán)控制電流調(diào)速系統(tǒng)的特點是電機的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器分別控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電機電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電機電流增大，從而使電機獲得加速轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)實際轉(zhuǎn)速高于給

6、定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即給定電流減小，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電機電流下降，電機將因為電磁轉(zhuǎn)矩減小而減速。在當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達到限幅值時，電流環(huán)即以最大電流限制idm實現(xiàn)電機的加速，使電機的啟動時間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實現(xiàn)電機的快速制動。在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電機快速制動。2.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)各組成部分電路方案設(shè)計2.2.1 晶閘管整流電路及保護電路如下圖，為晶閘管整流電路原理圖，其中整流變壓器以y/y連接。圖2-2 三相橋式全控整流電路原理圖三相橋式全控整流電路的特點：1. 2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1

7、，且不能為同1相器件。2.對觸發(fā)脈沖的要求：按vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6的順序，相位依次差60。共陰極組vt1、vt3、vt5的脈沖依次差120，共陽極組vt4、vt6、vt2也依次差120。同一相的上下兩個橋臂，即vt1與vt4，vt3與vt6，vt5與vt2，脈沖相180。 圖2-2 三相橋式全控整流電路原理圖1.ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。2.需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）3.晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。在電力電子電路中

8、，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt保護也是必要的。保護電路：1.過電壓保護措施：圖2-3過電壓抑制措施及配置位置f避雷器d變壓器靜電屏蔽層c靜電感應(yīng)過電壓抑制電容rc1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用rc電路rc2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式rc電路rv壓敏電阻過電壓抑制器rc3閥器件換相過電壓抑制用rc電路rc4直流側(cè)rc抑制電路rcd閥器件關(guān)斷過電壓抑制用rcd電路電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。其中rc3和rcd為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。 2.過電流過載和短路兩種情況保護措施:圖2-4過電流保護

9、措施及配置位置 1.同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性。2.電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。 3.快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種 4.全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。5.短路保護：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用。6.對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進行過電流保護。7.常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快 。2.2.2 觸發(fā)控制電路1) 晶閘管觸發(fā)在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時

10、，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。應(yīng)用線性控制理論進行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。如有可能，最好先用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，圖2-5是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的特性。設(shè)計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是: (2-1)圖2-5 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如： 設(shè)觸發(fā)電

11、路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 uc = 010v 相對應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 ud = 0220v 可取 ks = 220/10 = 22 在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。 圖2-6 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定 (2-

12、2)式中 交流電流頻 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。 相對于整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間來說，ts 是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值 ts = tsmax /2，并認為是常數(shù)。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取ts = tsmax 。表2-1列出不同整流電路的失控時間。表2-1 各種整流電路的失控時間(f=50hz)用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為 (2-3)按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 (2-4)由于式（2-4）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（2-4）變成(2-5)考慮到

13、ts 很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。 (2-6)圖2-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2) 同步變壓器同步變壓器是用來為晶閘管提供同步信號來作為其控制電壓的。在晶閘管整流電路中，晶閘管需要一個觸發(fā)脈沖來控制其導(dǎo)通，而在什么時刻給可控硅發(fā)觸發(fā)脈沖是要有時間基準(zhǔn)的，而這個時間基準(zhǔn)通常便是晶閘管的陽極電壓。即要使觸發(fā)脈沖與陽極電壓同步，最直接的做法便是引陽極電壓來作為觸發(fā)脈沖。但是這其中出現(xiàn)一個問題：一般整流橋陽極電壓都比較高，不能直接引入控制裝置，因此需要利用一個變壓器來降壓，并同時起到一定的隔離作用，這個變壓器就是同步變壓器。簡言之：同步變壓器的功能是將晶閘管陽極電壓變

14、壓來作為此晶閘管的控制信號，有此作用的變壓器就叫做同步變壓器。2.2.3 系統(tǒng)給定1.電位器給定方式電位器的選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機的電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%。2.（+15v，-15v）穩(wěn)壓電源各運算放大器的供電電壓為+15v和-15v，晶閘管觸發(fā)電壓調(diào)節(jié)范圍為-15v+15v。2.2.4 檢測電路電流檢測電路圖2-8 電流檢測電路 (ta-電流互感器)在大功率電路中實用的是電流互感器檢測，如圖2-8電流互感器檢測在保持良好波形的同時還具有較寬的帶寬，電流互感器還提供了電氣隔離，并且檢測電流小損耗也小，檢測電阻可選用

15、稍大的值，如一二十歐的電阻。電流互感器將整個瞬態(tài)電流，包括直流分量耦合到副邊的檢測電阻上進行測量，但同時也要求電流脈沖每次過零時磁芯能正常復(fù)位，尤其在平均電流模式控制中，電流互感器檢測更加適用，因為平均電流模式控制中被檢測的脈沖電流在每個開關(guān)周期中都回零。為了使電流互感器完全地磁復(fù)位，就需要給磁芯提供大小相等方向相反的伏秒積。在多數(shù)控制電路拓撲中，電流過零時占空比接近100，所以電流過零時磁復(fù)位時間在開關(guān)周期中只占很小的比例。要在很短的時間內(nèi)復(fù)位磁芯，常需在電流互感器上加一個很大的反向偏壓，所以在設(shè)計電流互感器電路時應(yīng)使用高耐壓的二極管耦合在電流互感器副邊和檢測電阻之間。1.轉(zhuǎn)速檢測電路如圖2

16、-9示，采用霍爾件的轉(zhuǎn)速檢測電路，磁轉(zhuǎn)子m旋轉(zhuǎn)的同時，使霍爾元件h的磁極(n、s)產(chǎn)生變化，從而檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。從霍爾元件結(jié)構(gòu)上看，輸出端包含共模電壓uc，電壓uc與霍爾電壓毫無關(guān)系，使用時此電壓必須除去，一般采用差動輸入的運算放大器。該電路就是采用運算放大器除去共模電壓。霍爾元件的輸出端接到差動放大器的輸入端， 因此c點電壓等于d點電壓時，運算放大器無輸出；c點電壓大于d點電壓或小于d點電壓時，有差動信號輸入，這時運算放大器輸出端有較大的輸出電壓。輸出為矩形波，電路中的反饋電阻rf小時，也能獲得平穩(wěn)的輸出波形。運算放大器有較大的放大作用，霍爾元件輸出 很小也不會有問題，這時多采用輸出電壓小，

17、溫度特性非常好的gaas的霍爾元件。圖2-9 采用霍爾元件的電流檢測電路2.2.5 調(diào)節(jié)器的選擇本節(jié)將設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計對象：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖2-10 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上圖與前述的結(jié)構(gòu)圖不同之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其中t0i 電流反饋濾波時間常數(shù)t0n 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)系統(tǒng)設(shè)計原則：系統(tǒng)設(shè)計的一般原則：“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計設(shè)計分為以下幾個步驟：電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡

18、化簡化內(nèi)容：1.忽略反電動勢的動態(tài)影響 在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即de0。這時，電流環(huán)如下圖所示。圖2-11(a) 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡2.等效成單位負反饋系統(tǒng) 如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成u*i(s) /b ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)圖2-11(b) 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡小慣性環(huán)節(jié)近似處理 最后，由于ts 和 t0i 一般都比tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為ti = ts + toi (2-7)簡化的近似條件為 (2-8)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-11(c)

19、圖2-11(c) 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇典型系統(tǒng)的選擇：1.從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-23c可以看出，采用 i 型系統(tǒng)就夠了。2.從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型i型系統(tǒng)。 圖2-11(c)表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 i 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用pi型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 (2-9)式中ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ti 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了

20、讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 (2-10)則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中 (2-11)校正后電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和特性 圖2-12 校正成典型i型系統(tǒng)的電流環(huán) 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算在一般情況下，希望電流超調(diào)量si ci滿足近似條件。2.忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件ci滿足近似條件。(6)計算調(diào)節(jié)器電阻電容由圖2-13，按所用運算放大器取ro=40k，各電阻和電容值為ri=ki*ro=0.532*40k=21.28k，取21kci=i/ri=0.03/21000(f)= f=1.43uf，取1uf或2ufcoi=4toi/ro=0.2uf,取0.

21、2uf按上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為4.3%5%,滿足設(shè)計要求。3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1.已知參數(shù)2.確定時間常數(shù)3.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)4.計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)5.校驗近似條件6.計算調(diào)節(jié)器電阻電容7.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量4 參考文獻1 文亞鳳. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程設(shè)計方法的數(shù)字仿真. 現(xiàn)代電 力.2000;17(1):7681 2 陳渝光.電氣自動控制原理與系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社2004 年9 月1 日 3 趙明.直流調(diào)速系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.2003 4 馬國偉.葉平.無刷直流電動機的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng) 新.2004;17(6):68 5 王果.朱大鵬.直流電機雙閉環(huán)調(diào)

22、速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法仿真.電機技 術(shù).2005;3:2325 6 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng).北京.機械工業(yè)出版 社.2005 邵陽學(xué)院課程設(shè)計 5 附錄附錄1 直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計圖紙（1）整流電源：三相整流橋，整流變壓器，施加保護電路，觸發(fā)電路，同步變壓器，穩(wěn)壓電源（2）系統(tǒng)給定（3）檢測電路：電流檢測電路，轉(zhuǎn)速檢測電路（4）調(diào)節(jié)器：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器（附電阻電容計算結(jié)果列表）（5）電氣控制（啟動，運行，停車控制及指示，電壓表、電流表）附錄2 直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)實驗報告*要求：全部手稿，不收打印稿，不允許有復(fù)印圖片*主要參考資料1.電力拖動控制系統(tǒng)教材；2.電力電子技術(shù)教材3.電工電子手冊；4.電氣工程技術(shù)手冊表的編號：表1 *公式編號： t=a+b-c (3-1)圖形編號：圖3-2 *電機參數(shù)1.電動機：額定數(shù)據(jù)2.2kw,220v,12.5a,1000r/min,電樞電阻ra=0.2,rrec=1.5,ks=35飛輪轉(zhuǎn)矩:kgm*m=3.1, 過載倍數(shù)1.52.電動機：額定數(shù)據(jù) 2.8kw,220v,94a,1000r/mi