西安科技大学运动控制系统作业基于单片机的直流双闭环调速系统

1电控学院运动控制系统期中作业院（系）：电气与控制工程学院专业班级：姓名：学号：2015年5月29日2一、设计要求1.1已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电已知基本数据如下：（1）电动机参数：nomP=500KW,nomU=750V,nomI=760A,nomn=375r/min,电动势系数eC=1.82V.min/r，电枢回路总电阻R=0.14Ω，允许过载倍数=1.5；（2）触发整流环节的放大倍数sK=75，电磁时间常数lT=0.031，机电时间常数mT=0.112s，电流反馈滤波时间常数oiT=0.002s，转速反馈滤波时间常数onT=0.02s。设调节器输入输出电压*nmU=*imU=nmU=10V，调节器输入电阻oR=40KΩ。1.2设计指标：稳态无静差，电流超调量i≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n≤10%。1.3设计要求：（1）运用调节器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR与ACR的结构与参数。电流环设计为典1系统，并取参数KT=0.5，转速环设计为典2系统；（2）用MATLAB对上述设计的直流双闭环调速系统进行仿真，给出仿真结果；（3）设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用软件Protel画图；（4）给出原理图每个元件的型号与值，并说明选值依据；（5）系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现，要说明软件实现流程以及核心软件的算法；二、参数设计2.1总述虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成3的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，6个触发脉冲相位依次相差60度。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。晶闸管VT2、VT4、VT6接成共阳极组，晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*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Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。用工程设计方法来设计调速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，本题要求电流环设计为典系统，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。4图1双闭环调速系统的动态结构图oiT---电流反馈滤波时间常数onT---转速反馈滤波时间常数2.2电流环设计（1）确定时间常数①整流装置滞后时间常数oiT。经查课本表2-2可得，三相桥式电路的平均失控时间sT=0.0017s。②电流滤波时间常数oiT。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1～2）oiT=3.33ms,因此取oiT=2ms=0.002s。③电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取iT=oiT+sT=0.0037s。（2）选择电流调节器结构设计要求电流超调量i≤5%，且无稳态静差。因此采用典型1型系统设计电流调节器。电流控制对象是双惯性型的，所以ACR采用PI型调节器。其传递函数如下：ssKsWiiiACR1)(检查对电源电压的抗性性能：38.80037.0031.0ilTT，参看课本表3-2的典1系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。5（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：sTli031.0电流环开环增益：要求电流超调量i≤5%时，查课本表3-1，有较好的静动态性能，取KT=0.5,因此：11.1350037.05.05.0sTKiI电流反馈系数：0088.07605.11010*dNdmimIIU于是，ACR的比例放大系数:888.00088.07514.0031.0200siIiKRKK（4）检验近似条件电流截止频率：11.135sKIci①校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件②校验忽略电动机反电动势变化对电流环动态影响的条件cilmsTT191.500031.0112.01313满足近似条件③校验电流环小时间常数近似处理条件cioissTT188.180002.00017.0131131满足近似条件2.3转速环设计ci11.1s196s017.003131sT6图2转速环的动态结构图及其简化(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近似处理(c)校正后成为典型2系统(1)确定时间常数①电流环等效时间按常数IK1。由上述可得，在电流环中已取KT=0.5，则sTKiI0074.00037.0221②由题设，转速反馈滤波时间时间常数：sTon02.0③转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取sKTTIonn0274.002.00074.01(2)确定转速调节器结构转速环设计为典2型系统，由于要求转速无静差，因此ASR应选用PI调节器，传递函数如下：IdL(s)n(s)1/ßs+1ASRUi*(s)KN(tns+1)s2(TΣns+1)(c)ASRId(s)(b)a/ßTSns+1aTons+11Tons+1Un*(s)(a)1KIRCeTmsRCeTmsIdL(s)Id(s)Un*(s)aUn*(s)an(s)n(s)7ssKWnnnASR1（3）计算电流调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR超前时间常数为shTnn137.00274.05转速环开环增益为222228.1590137.052621sThhKnN转速反馈系数：0267.037510nomimnU于是，ASR比例系数为39.100274.014.0027.052112.082.10088.062)1(2)1(22nmenmennRThTChRThTChK(4)校验近似条件转速环截止频率为111.290137.08.159sKKnNNcn①电流环传递函数简化条件cniIsTK17.630037.01.1353131满足条件②转速环小时间常数近似处理条件cnonIsTK14.2702.01.1353131满足条件2.4核对转速超调量ASR经历快速饱和和退保和情况，不符合线性条件，不可直接查表3-4得超调量。应按退保和超调计算：mNbnTTnnzCCn*max))((2设计设时若取h=5，查表3-5有%2.81maxbCC超调量要求为空载启动时的参数取0z8额定稳态速降min/46.58min/82.114.0760rrCRInednomnom满足要求代入公式得%10%29.9112.00274.037546.585.1%2.812n满足要求三、系统仿真本次系统仿真采用控制系统仿真软件MATLABR2011a，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种：一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究；另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用PowerSystem工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用前一种方法。3.1转速电流双闭环调速系统的数学模型图3转速电流闭环控制系统仿真模型3.2仿真步骤①构建仿真模型：根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，提取各元件的仿真模块，连接模块，得到按传递函数仿真的双闭环控制直流调速系统仿真模型，如图3所示。②调节器参数计算和设定：按工程设计方法设计和选择转速和电流调节器参数，ASR和ACR都采用PI调节器，具体参考上文参数设计。③设定模型仿真参数：仿真时间5.0s。④启动仿真及结果：如图4所示。⑤改变负载端，观察波形变化。9(a)(b)(c)图4仿真结果10(a)理想空载0A运行（绿线—电流，红线—转速）(b)负载360A运行（绿线—电流，红线—转速）(c)满载760A运行（绿线—电流，红线—转速）⑥得出结论：⑴利用转速调节器的饱和特性，使系统保持恒定最大允许电流，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。⑵由于构成了无静差系统，在负载变化和电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。⑶转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化和电压波动等扰动影响，特别是电压波动点在电流环内，多数情况可以再电流环内就克服，而不会造成电机转速的波动。四、系统硬件电路设计直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在扎钢机、矿井卷扬机、挖掘机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动领域应用历史悠久。大功率直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足生产要求，但是因为元件容易老化，在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及标准性得不到保证，甚至出现事故。随着单片机技术的发展和应用，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，使系统的性能更优。其中MSP430系列的单片机是TI公司1996年开始生产的一种16位的超低功耗混合信号处理器。主控制器是系统的核心，对整个系统的性能起着决定性的作用。从低功耗和稳定性方面考虑，我们采用了TI公司的MSP430F149单片机作为主控制器。该单片机是16位单片机，可在1.8-3.6V的电压下工作，耗电电流视工作模式不同为0.1-400uA，这实现了系统的低功耗。该单片机还具有60KB的Flash存储器、2KB的RAM和大量的I/O端口等，完全满足系统的各项程序要求。此外该系列单片机还集成了较丰富的片内外设，他们分别是看门狗(WDT)，模拟比较器A，定时器A，定时器B，串口0/1，硬件乘法器，1011位ADC，端口(P0～P6)，基本定时器等一些外围模块的不同组合。其中看门狗使程序失控时迅速复位；16位定时器(TimerA和TimerB)具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数