转速、电流反馈控制直流V-M调速系统设计专题

转速、电流反馈控制直流V-M调速系统设计专题一、课程设计目的本次设计的主要目的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。二、设计任务与要求2.1性能指标要求（1）基本设计参数：采用三相桥式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环直流调速系统，基本参数如下：直流电动机185W，220V，1.1A，1600r/min，Ra=22.25，GD2=0.065N·m2，允许过载倍数=1.1，晶闸管装置放大倍数Ks=40，电枢回路总电阻R=52.5，电枢回路总电感L=811.5mH，最大给定电压U*nm=5V对应1500r/min，最大电流Idm=IN时，ASR输出限幅U*im=5V，电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s，取R0=40k，（2）稳态指标：转速无静差（3）动态指标：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%2.2设计内容（1）按模拟控制方案设计转速、电流反馈控制直流调速系统；（2）画出直流调速系统电路原理图、稳态结构图，建立数学模型，画出动态结构图并给出分析化简过程；（3）设计ASR、ACR，给出调节器结构，计算调节器参数；（4）检验近似条件，计算ASR退饱和超调量；（5）画出开环对数幅频特性曲线；（6）（选做）利用MATLAB仿真软件对所设计的系统进行仿真，并可根据仿真结果对设计参数进行必要的修正和调整。（7）（选做）将设计的模拟电流调节器和转速调节器进行数字化，电流环采样周期Tisam=0.5ms，转速环采样周期Tnsam=0.005s，写出其数字PI调节器的表达式（位置式、增量式均可），调节器输出限幅及积分限幅均为±Um，并用已掌握的计算机语言设计实时控制程序。三、电路原理分析及电路设计3.1基本设计思路为了使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，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，两者之间实行嵌套连接其原理图如图一所示。图一：转速、电流反馈控制直流调速系统原理图双闭环直流调速系统的稳态结构图如图二所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压U*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU，图二中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当输调节器达到饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不在影响输出，除非有反向的输入信号是调节器退饱和。换句话说，饱和调节器暂时割断了输入和输出之间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压U在稳态时为零。图二：双闭环直流调速系统的稳态结构图转速，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三所示：图三：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=122.0/)(NnInRaUnV（2）三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间TssmfTS0017.05062121（3）电流反馈系数（4）设最大允许电流2dmNII，则电流反馈系数为13.41.11.15dmimIU（5）转速反馈系数0033.015005NNmNU3.3电流环ACR的设计（1）电流环小时间常数0037.00017.0002.0SoiTTTs（2）电磁时间常数0156.05.528115.0iRLTs（3）电流调节器结构的选择根据设计要求，%5i，且1022.40037.00156.0iTT因此可按典I系统设计，且选用PI调节器，其传递函数为ssKsWiiiACR1)(（4）确定电流调节器参数ACR超前时间常数：sTii0156.0电流环开环放大系数IK：要求%5i时，应按二阶“最佳”系统设计-1.135037.02121sTKI从而，ACR的比例系数为67.04013.45.520156.01.135RiiSIKKK（5）校验近似条件电流环截止频率：135.1KIciW晶闸管装置传递函数近似条件SciT31ciSsT11.1960017.03131满足近似条件。小时间常数近似条件oisciTT131166.57002.0017.0131131OiSTTciW满足近似条件。忽略反电势对电流环影响的条件113TTmci3√1𝑇𝑚𝑇𝑙=3×√10.085×0.0156=82.38𝑠−1𝑤𝑐𝑖（6）SWASR9.4267.0（7）计算调节器的电阻和电容电流调节器原理图如图四所示,各电阻电容参数计算如下：𝑅𝑛=𝐾𝑖𝑅0=0.67×40𝑘Ω=26.8𝑘Ω𝐶𝑛=𝜏𝑖𝑅𝑖=0.015640000=0.39𝜇𝐹𝐶𝑜𝑖=4𝑇𝑜𝑖𝑅0=4×0.00240×103=0.2𝜇𝐹8图四：含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器3.4转速环的设计（1）转速环小时间常数s0174.02ionnTTT（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ssKsWnnnACR1)(（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minMr准则选择参数，且取h=5，因此ASR的超前时间常数为s087.00174.05nnhT𝐾𝑛=（h+1）β𝐶𝑒𝑇𝑚2ℎ𝛼𝑅𝑇=6×4.13×0.122×0.182×5×0.0033×52.5×0.0174≈18𝐾𝑁=ℎ+12ℎ2𝑇Σ2≈396.4（4）校验近似条件转速环截止频率𝑊𝑐𝑛=𝐾𝑁𝑤1=𝐾𝑁𝜏𝑛=396.4×0.087≈34.5𝑆−1电流环传递函数简化条件icnT51而1𝑇Σ𝑖=15×0.0037=54𝑠−1𝑤𝑐𝑛满足近似条件。小时间常数近似处理条件onicnTT213113√12𝑇Σ𝑖𝑇𝑜𝑛=13×√12×0.0037×0.002=86.64𝑠−1𝑤𝑐𝑛满足近似条件。（5）𝑊𝐴𝑆𝑅=18+11.5𝑆（6）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图五所示Rn=KnR0=18×40kΩ=720KωCn=𝜏𝑛𝑅𝑛=0.087720×103=0.12𝜇𝐹Con=4𝑇𝑜𝑛𝑅0=4×0.0140×103=1𝜇𝐹图五：含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器（7）校核转速超调量因为当h=5时𝜎𝑛=37.6%不能满足设计要求。实际上，由于此时是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和时的情况重新计算超调量。%2.81%maxbCC∆𝑛𝑁=𝑅𝐶𝑒𝐼𝑁=473.36𝑟/𝑚𝑖𝑛所以𝜎𝑛=2(Δ𝐶𝑚𝑎𝑥𝐶𝑏)(𝜆−𝑧)Δ𝑛𝑁𝑛∗𝑇Σn𝑇𝑚=2×81.2%×1.1×473.361600×0.01740.085≈5.1%10%可见，所设计的系统能满足设计要求。3.5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。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。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。具体电路如图二所示：图六：电流检测电路当采样电阻为0.02测试报告如表一所示表一电流检测报告输入电流（A）输出电压（V）较准电压(V)00.080.08-0.1=00.50.180.18-0.1=0.110.290.29-0.1=0.220.490.49-0.1=0.451.11.1-0.1=1102.12.1-1=2由表一可知：电流检测芯片检测电流，输出电压为(0.20.1)iUIV-IN1GND2REF23NC4+IN8REF17V+6OUT5U1INA282GNDGNDVCC814321U2AVCCGNDR210KR310K100k12P0I-I+ACR0.02R1ACR当电流为13.16A时，13.160.20.12.732iUV则比例调节器的比例系数为103.662.732K因此可调电位器取值应为36.6K为宜。3.6转速检测电路的设计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，测速比较准确。（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。四、实验数据分析计算由实验所得开环对数幅频特性曲线如图七L/dB-40dB/dec-20dB/dec-20dB/decOw/s-1-40dB/dec-40dB/decIn图七：双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性五、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。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