直流電機(jī)位置隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 題 目： 直流電機(jī)位置隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （第六組） 指導(dǎo)教師： 職稱: 副教授 2013 年 12 月 9 日 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 2013-2014 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 課程設(shè)計(jì)題目： 直流電機(jī)位置隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （第六組） 起 迄 日 期： 12月 9 日 12月20日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 德懷樓七層實(shí)驗(yàn)室 指 導(dǎo) 教 師： 下達(dá)任務(wù)書日期: 2013年 12月 9日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書1

2、設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，使用工程設(shè)計(jì)方法，使其達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：一、設(shè)計(jì)參數(shù)第一組第二組第三組第四組第五組第六組靜阻力矩MH(Nm)3550658095100轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JH(kgm2)6090100110120110最大跟蹤速度 m(1/s)1.41.61.51.41.51.6最大跟蹤加速度 m(1/s2)1.751.751.751.751.651.6靜態(tài)位置誤差 ec(deg)0.30.30.30.30.30.3靜態(tài)速度誤差 er(deg)0.50.50.50.50.50.5最大跟蹤誤差em (deg)0.81.01

3、.01.11.21.2電流環(huán)超調(diào) (%)555555速度環(huán)超調(diào)(%)101010101010位置環(huán)超調(diào)(%)303030303030位置環(huán)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間 ts(s)0.60.60.60.80.81.0短期干擾力矩 MT(Nm)506570758085系統(tǒng)位置檢測(cè)元件采用變壓器式自整角機(jī)組合Kbs=50V/rad，相敏整流器采用二極管環(huán)形整流器，Kph由計(jì)算確定，Tph=0.002s，功率放大器采用橋式PWM變換器，Ks=20， Ts=0.0004s, 系統(tǒng)采用位置、速度、電流三環(huán)結(jié)構(gòu)，電流反饋系數(shù)=2V/A ，Toi=0.001s速度反饋系數(shù)=0.064V.s/rad,Ton=0.001s。二、

4、供選擇的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)Pnom(W)V nom(V)Inom(A)nnom(r/min)Jd(kgm2)Z2-214001105.5910000.023Z2-226001107.6910000.026Z2-3180011010.0210000.029Z2-32100011013.2310000.0323設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：三、設(shè)計(jì)要求 1、計(jì)算并選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)及調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)； 2、畫出系統(tǒng)的電氣原理圖（標(biāo)明各環(huán)節(jié)參數(shù)，計(jì)算機(jī)制圖，推薦使用Protell軟件）； 3、畫出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（標(biāo)明各環(huán)節(jié)參數(shù)）； 4、利用MATLAB軟件對(duì)所

5、設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，給出仿真結(jié)果； 5、利用Bode圖近似畫法，繪制系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻域漸近特性； 6、對(duì)比（4）、（5）的圖形并說(shuō)明其異同； 7、提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書4主要參考文獻(xiàn)：1 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).第三版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2003:11144 2 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).第二版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2000:151-1723 黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及防真.北京.國(guó)防工業(yè)出版社.2001:11-3274 胡壽松.自動(dòng)控制原理.北京.科學(xué)出版社.2001:32-1325 徐以榮，冷增祥.電力電子技術(shù).南京.東南大學(xué)出版社.1999:15

6、3-1656 趙昌穎，宋世光.電力拖動(dòng)基礎(chǔ).哈爾濱.哈爾濱人民出版社.1996:86-987 李正熙，白晶主.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京.冶金工業(yè)出版社.1997:184-1968 陳伯時(shí).自動(dòng)控制系統(tǒng).北京.機(jī)械工業(yè)出版社.1981:55-1859 王兆安，黃俊主.電力電子技術(shù).第四版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2000:64-86 5設(shè)計(jì)成果形式及要求：提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書，并給出計(jì)算過(guò)程以及各種電路圖，仿真圖結(jié)果。6工作計(jì)劃及進(jìn)度：2013 年 12 月 9 日 12 月 10 日 查閱與設(shè)計(jì)相關(guān)的資料 12 月 11 日 12 月 12 日 學(xué)習(xí)和理解找到的資料 12 月 13 日 12 月 1

7、5 日 根據(jù)設(shè)計(jì)要求開始設(shè)計(jì) 12 月 16 日 12 月 19 日 用計(jì)算機(jī)制圖和仿真，完成設(shè)計(jì) 12 月 20 日 12 月 20 日 答辯或成績(jī)考核基層教學(xué)組織審查意見： 簽字： 年 月 日 位置隨動(dòng)系統(tǒng)的概述一位置隨動(dòng)系統(tǒng)的概念 位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)又名伺服控制系統(tǒng)。其參考輸入是變化規(guī)律未知的任意時(shí)間函數(shù)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是使被控量按同樣規(guī)律變化并與輸入信號(hào)的誤差保持在規(guī)定范圍內(nèi)。這種系統(tǒng)在軍事上應(yīng)用最為普遍.如導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)，雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等。其特點(diǎn)是輸入為未知。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Servo System）簡(jiǎn)稱伺服系統(tǒng)，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等

8、。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大等特點(diǎn)，這類專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。當(dāng)然，其基本工作原理和普通的交直流電機(jī)沒有什么不同。該類電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)單元稱為伺服驅(qū)動(dòng)單元，有時(shí)簡(jiǎn)稱為伺服，一般其內(nèi)部包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。二位置隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成1.電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)的組成下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明位置隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖1-1所示。這是一個(gè)電位器式的小功率位置隨動(dòng)系統(tǒng)，有以下五個(gè)部分組成：圖1-1 電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖（1）位置傳感器 由電位器和組成位置傳感器。是給定位置傳感器,其轉(zhuǎn)軸與操縱輪連接，發(fā)出轉(zhuǎn)角給定信號(hào)；是反饋位置傳感器，其轉(zhuǎn)軸

9、通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與負(fù)載的轉(zhuǎn)軸相連，得到轉(zhuǎn)角反饋信號(hào)。兩個(gè)電位器由同一個(gè)直流電源供電，使電位器輸出電壓和，直接將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓量。誤差電壓反映了給定與反饋的轉(zhuǎn)角誤差，通過(guò)放大器等環(huán)節(jié)拖動(dòng)負(fù)載，最終消滅誤差。（2）電壓比較放大器（A） 兩個(gè)電位器輸出的電壓信號(hào)和在放大器A中進(jìn)行比較與放大，發(fā)出控制信號(hào)。由于是可正可負(fù)的，放大器必須具有鑒別電壓極性的能力。輸出的控制電壓也是可逆的。(3)電力電子變換器（UPE） 它主要起功率放大的作用（同時(shí)也放大了電壓），而且必須是可逆的。在小功率直流隨動(dòng)系統(tǒng)中多用P-MOSFET或IGBT橋式PWM變換器。對(duì)于大功率位置隨動(dòng)系統(tǒng)，會(huì)用到可逆的脈寬調(diào)制式PWM變換器

10、。(4)伺服電機(jī)（SM） 在小功率直流隨動(dòng)系統(tǒng)中多用永磁式直流伺服電機(jī)，在不同情況下也可采用其它直流或交流伺服電機(jī)。大功率隨動(dòng)系統(tǒng)中也可采用永磁式直流伺服電機(jī)，由伺服電機(jī)和電力電子變換器構(gòu)成可逆拖動(dòng)系統(tǒng)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(5)減速器與負(fù)載 在一般情況下負(fù)載的轉(zhuǎn)速是很低的，在電機(jī)與負(fù)載之間必須設(shè)有傳動(dòng)比為的減速器。在現(xiàn)代機(jī)器人、汽車電子機(jī)械等大功率設(shè)備中，為了減少機(jī)械裝置，傾向于采用低速電機(jī)直接傳動(dòng)，可以取消減速器。以上五個(gè)部分是各種位置隨動(dòng)系統(tǒng)都有的，在不同情況下，由于具體條件和性能要求的不同，所采用的具體元件、裝置和控制方案可能有較大的差異。2.位置隨動(dòng)系統(tǒng)的分類隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出

11、現(xiàn)了各類隨動(dòng)系統(tǒng)由于位置隨動(dòng)系統(tǒng)的特征體現(xiàn)在位置上，體現(xiàn)在位置給定信號(hào)和位置反饋信號(hào)及兩個(gè)信號(hào)綜合比較方面，因此可根據(jù)這個(gè)特征將它劃分為兩個(gè)類型，一類是模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)，一類是數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)又可分為數(shù)字相位隨動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)字脈沖隨動(dòng)系統(tǒng)。由于本次設(shè)計(jì)研究的是模擬隨動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)就不做介紹。對(duì)于模擬隨動(dòng)系統(tǒng)可按閉環(huán)系統(tǒng)分為三類。多環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)這里只詳細(xì)介紹經(jīng)典的位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，這類系統(tǒng)適用廣泛。多環(huán)系統(tǒng)還包括只有位置環(huán)、電流環(huán)，沒有轉(zhuǎn)速環(huán)；或是只有位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)，沒有電流環(huán)，其實(shí)同三環(huán)系統(tǒng)大同小異，分析和設(shè)計(jì)方法相同。位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)系統(tǒng)在電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)雙

12、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，外邊再加一個(gè)位置控制環(huán)，便形成一個(gè)三環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1-2所示。三環(huán)的調(diào)節(jié)器分別稱為位置調(diào)節(jié)器（APR）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）、電流調(diào)節(jié)器（ACR）。其中位置環(huán)屬外環(huán)，是最主要的環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)即是位置環(huán)的內(nèi)環(huán)，又是電流環(huán)的外環(huán)，電流環(huán)是系統(tǒng)內(nèi)環(huán)。在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器可按原雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整定方法來(lái)解決。其中位置調(diào)節(jié)器APR就是位置環(huán)校正裝置，它的類型和參數(shù)決定了位置隨動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動(dòng)態(tài)跟隨性能，其輸出限幅值決定了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。位置、轉(zhuǎn)速、電流三個(gè)閉環(huán)都畫成單位反饋，反饋系數(shù)都已計(jì)入各調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)中去。和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣，多環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

13、方法也是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個(gè)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器。按此規(guī)律，對(duì)于如圖1-2所示的三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR，然后將電流環(huán)簡(jiǎn)化成轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的控制對(duì)象，再設(shè)計(jì)ASR。最后，再把整個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)簡(jiǎn)化為位置環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，從而設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)器APR。逐環(huán)設(shè)計(jì)可以使每個(gè)控制環(huán)都是穩(wěn)定的，從而保證整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的對(duì)象參數(shù)變化或擾動(dòng)時(shí)，電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋都能夠起到及時(shí)的抑制作用，使之對(duì)位置環(huán)的工作影響很小。同時(shí)每個(gè)環(huán)節(jié)都有自己的控制對(duì)象，分工明確，易于調(diào)整。但這樣的逐環(huán)設(shè)計(jì)的多環(huán)控制系統(tǒng)也有明顯的不足，即對(duì)外環(huán)的控制作用的響應(yīng)不會(huì)很

14、快。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)每個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)，都要將內(nèi)環(huán)等效成其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，而這種等效環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之所以能夠成立，是以外環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)為前提的。在一般模擬控制的隨動(dòng)系統(tǒng)中，電流環(huán)的截位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖BQ-光電位置傳感器 DSP-數(shù)字轉(zhuǎn)速信號(hào)形成環(huán)節(jié)止頻率約，轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率約在2030之間，最高不超過(guò)50，照此推算，位置環(huán)的截止頻率只有左右。位置環(huán)的截止頻率被限制的太低，會(huì)影響系統(tǒng)的快速性，因?yàn)檫@類三環(huán)控制的位置隨動(dòng)系統(tǒng)只適用于對(duì)快速跟隨性能要求不高的場(chǎng)合，例如點(diǎn)位控制的機(jī)床隨動(dòng)系統(tǒng)。在近代數(shù)字控制的隨動(dòng)系統(tǒng)中，控制對(duì)象的快速響應(yīng)性能已經(jīng)大大提高，各控制環(huán)的采樣周期也可以大大

15、縮短，其轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率達(dá)，因而位置環(huán)的截止頻率也可以提高，在要求高動(dòng)態(tài)性能的數(shù)控機(jī)床軌跡控制和機(jī)器人控制中都取得了很好的應(yīng)用效果。在位置、轉(zhuǎn)速 、電流三環(huán)系統(tǒng)中，位置調(diào)節(jié)器的輸出是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，速度調(diào)節(jié)器是電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出直接控制功率變換單元，也就是脈寬調(diào)制系統(tǒng)。這三個(gè)環(huán)的反饋信號(hào)都是負(fù)反饋，三個(gè)環(huán)都是反相放大器。三環(huán)相制約，使控制達(dá)到極其完美的地步。三三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成及其數(shù)學(xué)模型的建立 1.三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成：系統(tǒng)可分為以下八個(gè)部分：1位置環(huán)我們只分析它的數(shù)學(xué)模型，不會(huì)把它作具體介紹?？梢越茷橐浑A慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 2位置傳感器 模擬隨動(dòng)系統(tǒng)的位置傳感器

16、如前所述，大體可以分為兩種，電位器和基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器。基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等，是應(yīng)用比較廣泛的模擬式位置傳感器，可靠性和精度都比較高。本次設(shè)計(jì)采用的位置傳感器是自整角機(jī)。自整角機(jī)是角位移傳感器，在隨動(dòng)系統(tǒng)中總是成對(duì)應(yīng)用的。與指令軸相聯(lián)的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，與執(zhí)行軸相聯(lián)的稱作接收機(jī)。按用途不同，自整角機(jī)可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)兩類。力矩式自整角機(jī)可以不經(jīng)中間放大環(huán)節(jié)，直接傳遞轉(zhuǎn)角信息，一般用于微功率同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。對(duì)功率較大的負(fù)載，力矩式自整角機(jī)帶動(dòng)不了，可采用控制式自整角機(jī)，將自整角接收機(jī)接成變壓器狀態(tài)，其輸出電壓通過(guò)中間放大環(huán)節(jié)

17、帶動(dòng)負(fù)載，組成自整角機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)單分析本次設(shè)計(jì)使用的控制式自整角機(jī)的工作原理和使用。先看單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。它具有個(gè)單相勵(lì)磁繞組和一個(gè)三相整步繞組，單相勵(lì)磁繞組安置在轉(zhuǎn)子上，通過(guò)兩個(gè)滑環(huán)引入交流勵(lì)磁電流，勵(lì)磁磁極通常做成隱極式。這樣可使輸入阻抗不隨轉(zhuǎn)子位置而變化。整步繞組是三相繞組，一般為分布繞組，安置在定子上，它們被此在空間相隔，并接成Y形。BST為自整角發(fā)送機(jī)，BSR為自整角接收機(jī)。本次模型中采用的自整角機(jī)的放大系數(shù)。自整角機(jī)本身的檢測(cè)誤差。傳遞函數(shù)為式（4-2），是簡(jiǎn)單的線性函數(shù)在數(shù)學(xué)模型將不會(huì)出現(xiàn)，但在計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)將會(huì)用到自整角機(jī)的參數(shù)。自整角機(jī)還包括相敏整流器URP

18、，可以把它當(dāng)作自整角機(jī)的一部分，相當(dāng)于一個(gè)電壓放大器，并反映的極性，放大系數(shù)2，當(dāng)然它在數(shù)學(xué)模型中也不會(huì)出現(xiàn)。3電壓比較放大器（A）這是位置隨動(dòng)系統(tǒng)所必須有的裝置。它的作用是發(fā)出控制信號(hào)，由于可正可負(fù)。放大器必須具有鑒別電壓極性的能力，輸出的控制的電壓也是可逆的。放大系數(shù)，函數(shù)關(guān)系。這個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系也不會(huì)在數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)。4電力電子變換器（UPE） 起功率放大作用，而且是可逆的。PWM變換器有可逆和不可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等。在本次大功率隨動(dòng)系統(tǒng)中選取雙極式控制的橋式可逆PWM變換器，因?yàn)槭谴蠊β氏到y(tǒng)變換器采用可關(guān)斷晶閘管。采用PWM的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展越來(lái)越成熟，用途

19、也很廣，與單純的晶閘管調(diào)速系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點(diǎn)1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小；3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 橋式可逆PWM變換器的原理圖本次設(shè)計(jì)采用的PWM變換器的開關(guān)頻率=2500，即失控時(shí)間=0.4，失控時(shí)間已經(jīng)非常小，大大提高了系統(tǒng)的快速性，所以時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可

20、以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（其中=），傳遞函數(shù)為 5電流調(diào)節(jié)器（ACR）按工程設(shè)計(jì)法選擇典型I型系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）按工程設(shè)計(jì)法選擇典型I型系統(tǒng)，選用PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 7位置調(diào)節(jié)器（AWR）按工程設(shè)計(jì)法和位置系統(tǒng)的校正，典型II型系統(tǒng)，選用PID調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 8伺服電機(jī)（SM）基于本次設(shè)計(jì)的大功率隨動(dòng)系統(tǒng)選擇永磁式直流伺服電機(jī)，即直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z2-32，銘牌參數(shù)，。伺服電機(jī)可視為一個(gè)二階系統(tǒng)，分為兩個(gè)傳遞函數(shù),，一部分為電機(jī)電樞近似成一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 一部分為傳動(dòng)裝置近似為積分環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 9負(fù)載負(fù)載就不做具體介紹，它也是系統(tǒng)

21、是整個(gè)系統(tǒng)的被控位置對(duì)象，我們主要研究它的數(shù)學(xué)模型。傳遞函數(shù)近似為積分環(huán)節(jié) 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)功率大，采用低轉(zhuǎn)速的直流伺服電機(jī)，所以本設(shè)計(jì)取消減速器。 2.三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算已知直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z2-32，銘牌參數(shù)，。電力電子變換器的增益，電壓放大器的增益，相敏整流器的放大系數(shù)由計(jì)算決定。自整角機(jī)的放大系數(shù)。計(jì)算過(guò)程如下：電動(dòng)機(jī)的額定效率為 電動(dòng)機(jī)的電樞電阻為 電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為 位置隨動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（未考慮校正裝置）四按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器5.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化 在圖4

22、-4中，在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 。這樣在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，可以證明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流作用的近似條件是 式中電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 由于比小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 電流環(huán)簡(jiǎn)化的近似條件為 2電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，

23、以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，可以看出，采用I型就夠了。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選擇典型I型系統(tǒng)。 如圖4-6所示,為電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖4-6表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成典型形式，其中 繪出了校正后的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性。上述結(jié)果是在假定條件下得到的，現(xiàn)將用過(guò)的假定條

24、件歸納如下，以便具體設(shè)計(jì)時(shí)校驗(yàn)。電力電子變換器純滯后近似處理 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響 電流環(huán)的小慣性群的近似處理 如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，參數(shù)當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和其中已選定，待定的只有比例系數(shù)可根據(jù)所要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取。在三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)中，已知有，,電流反饋系數(shù)。希望電流超調(diào)量，可以使動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。 所以電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為所以有 于是，ACR的比例系數(shù)為 4校驗(yàn)的近似條件已知電流環(huán)的截止頻率電力電子變換器純滯后近似條件為 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響的近似條件為 電流環(huán)的小慣性群的近似處理的條件為 所以計(jì)算出的電流調(diào)節(jié)器的傳遞函

25、數(shù)為 =但有兩個(gè)校驗(yàn)條件不滿足，可知系統(tǒng)的參數(shù)需要整定。我們可以看出計(jì)算得到的電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)與給定的一致但時(shí)間常數(shù)不一致。我們要通過(guò)仿真分析出兩個(gè)電流環(huán)的不同。6.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，我們可以求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù) 忽略高次項(xiàng)， 可降階近似為 近似條件為 式中轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效的輸入量為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，這就表明，電流的閉環(huán)控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)控制的一個(gè)重

26、要功能。 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇 在第三章已經(jīng)提到，同直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器選擇不同，在電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)環(huán)之外還有位置環(huán)，所以轉(zhuǎn)速環(huán)也應(yīng)設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)，選擇PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為 3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算此時(shí)的轉(zhuǎn)速環(huán)可以等效為所示的結(jié)構(gòu)圖。同樣選擇，可滿足系統(tǒng)的快速響應(yīng)，。所以有轉(zhuǎn)速環(huán)的時(shí)間常數(shù)為 , 按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 所以轉(zhuǎn)速環(huán)的比例系數(shù)為 131.7檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 所以經(jīng)工程計(jì)算法得到的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型為 =計(jì)算后得到的轉(zhuǎn)

27、速調(diào)節(jié)器與給定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比比例系數(shù)一樣，但是時(shí)間常數(shù)不一樣，同時(shí)不滿足電流環(huán)簡(jiǎn)化的近似條件，我們也會(huì)在仿真中兩套參數(shù)下的系統(tǒng)做出比較。五三環(huán)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的MATLAB仿真 給定參數(shù)的三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 5-9 電流環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖與奈奎斯特圖轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖與奈奎斯特圖三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖用MATLAB仿真結(jié)果如圖5-10所示。如圖5-10 所示三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線?？v坐標(biāo)表示位移，單位為米。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為秒。圖5-10 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真圖 由圖5-10可知系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)為：超調(diào)量13.95%，調(diào)節(jié)時(shí)間0.0335，峰值時(shí)間0.0423。如圖5-12所示三

28、環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。縱坐標(biāo)表示位移，單位為米。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為秒。 由圖5-12可知系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)： 超調(diào)量12.5%，調(diào)節(jié)時(shí)間0.042，峰值時(shí)間0.046。經(jīng)計(jì)算的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5-11所示。圖5-11 經(jīng)計(jì)算的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖用MATLAB仿真結(jié)果如圖5-12所示。圖5-12 經(jīng)計(jì)算的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真圖5.4 MATLAB仿真結(jié)果分析首先比較電流環(huán)的仿真圖，圖5-2的階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量要比圖5-4的要大，而前者的調(diào)節(jié)時(shí)間要比后者小，峰值時(shí)間相差不大。可知給定的電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要比經(jīng)計(jì)算得到的電流環(huán)的要慢，而且后者有系統(tǒng)誤差，可見前者的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響都要好于后者。驗(yàn)證計(jì)算時(shí)不滿足校驗(yàn)近似條件的正確性。再比較直流雙閉環(huán)的仿真圖，明顯看出經(jīng)計(jì)算得到的雙閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩次數(shù)多，穩(wěn)定性不好，而且調(diào)節(jié)時(shí)間也比給定的雙閉環(huán)系統(tǒng)的要大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也相對(duì)慢。也可以驗(yàn)證經(jīng)計(jì)算得到的直流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)的不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間需要調(diào)整。最后比較整個(gè)三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)PID校正后。兩個(gè)系統(tǒng)都是穩(wěn)定的，抗擾性能滿足要求，但給定參數(shù)的三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要更快些，峰值時(shí)間短一些說(shuō)明靈敏度和穩(wěn)定性也要好一