电力拖动自动控制系统设计

电气工程及其自动化专业课程设计150kW电力拖动自动控制系统设计学生学号：12345678学生姓名：知行合一班级：123456班指导教师：王阳明起止日期：哈尔滨工程大学自动化学院一、设计要求：(一)基本要求根据所要求指标自选直流调速控制系统进行设计。1.调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽地转速调速范围（10D），系统在工作范围内能稳定工作。2.系统静特性良好，理论上实现无静差。3.动态性能指标：转速超调量小于5%，电流超调量小于5%，动态最大转速降小于10%。4.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5.调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且能够实现制动运行。6.给定信号对应范围控制在10V之间。(二)被控对象参数所设计控制系统被控对象参数参考MATLAB/Simulink提供直流电机所提供直流电机的模型的参数。第10组所选择的直流电机序号20号。参见下列各图。(三)硬件电路图设计要求要求实现电流和转速值的显示，转速给定的设置（具有起动、停止、加速、减速、突加给定、正反转切换功能）基于89c58单片机（双列直插40针）设计一套微机数字监控系统硬件结构，并采用PROTUES进行单片机系统仿真校验，搭建相应的硬件电路并校验。外围条件：电力拖动控制系统需要单片机控制系统提供转速给定模拟控制信号(最大转速对应电压信号为5V或10V）；单片机控制系统从电拖控制系统获得5V（或者10V）之间的转速和电流测量信号。具体要求如下：硬件结构中包括89c58单片机最小系统；外加AD转换（采用TLC2543一片）和DA转换(采用DAC0832一片)；两组四位数码管（采用SM420564四位七段数码管）分别用于显示转速（4位有效数字）和电流值(负号和3位有效数字)，可以辅助led灯显示正反转状态，则速度无需显示正负号；设置对应按键（采用小4脚按键），实现起动、停止、加速、减速、突加给定（包括突加给定设置）、正反转切换控制；如果需要调理电路，可自行设计添加。二、设计方案根据设计要求以及电力拖动、电力电子等理论知识，采用双极式控制直流PWM-M可逆调速系统。此种系统模型是在普通直流PWM-M主电路模型上增加了转速调节器ASR和电流调节器ACR，其中ASR和ACR都采用带输出限幅的PI调节器。因此此系统综合了PWM脉冲宽度调制和转速电流双闭环的优点，可以很好地满足设计要求：1、通过调节PWM输出电压占空比改变输出的平均电枢电压，从而能进行平滑地速度调节。采用全控型电力电子器件（MOSFET），电流可以正反流动，因此输出转矩可逆，可以实现调速系统的四象限运行。采用转速电流双闭环控制，保证了实时控制和快速跟随（ACR不要进入饱和状态），保证了具有比较宽的调速范围（ASR），系统在工作范围内能稳定工作。2、双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大值时，转速负反馈起主要调节作用，可以在理论上实现转速无静差。当负载电流达到最大值时，对应于转速调节器ASR为饱和输出电压最大值，此时电流调节器ACR起主要调节作用，系统表现为电流无静差。，起到了过电流自动保护作用。3、动态性能指标可以通过调整调节器参数达到要求。4、系统抗负载扰动性能良好，在一定负载变化范围内，电流始终保持连续。5、采用带有饱和限幅的PI调节器，可以实现过电压，过电流保护，四象限运行，方便地进行调速，反向，制动。6、给定信号对应范围控制在10V之间。三、设计内容1、调速系统软件仿真(1)采用双极式控制直流PWM-M可逆调速系统。MATLAB/Simulink仿真原理图如下：其中，PWM内部结构如下：说明：脉宽调制由两个PWM发生器模块进行，上方的PWM发生器产生VT1,VT3,VT5的驱动信号，下方的产生VT4,VT6,VT2的驱动信号，为了使PWM发生器输出的驱动信号顺序与电桥顺序一致，模型中加入一个选择模块，调整脉冲序列。因为MOSFET有导通和关断时间，为了避免上下桥壁直通，需要有“死时”限制，这里采用的办法是使下方的PWM发生器输入的控制信号为（Uct+0.001），即将Uct略微抬高，使下方的PWM发生器输出信号变窄一些，避免直通。ASR内部结构为：ACR内部结构为均采用PI调节器，都带有输出限幅。2)调节器参数的计算以及检验校正：给定参数说明及计算：1、电枢端：额定电压VUaN500,电枢电阻aR=0.0597Ω，电枢电感aL=0.0009H2、励磁端：额定电压fNU=150V,励磁电阻fR=150Ω，励磁电感fL=112.5H3、其他：额定输出功率NP=200HP=200*735.49875W≈147.1KW定转速Nn=1750rpm,互感afL=2.621H，转动惯量J=2.5kg.㎡4.必要参数推算；取电机的机械效率95.0,AIPIIUPNNNNNN68.309，额定电流22100*4mNJgGD，飞轮力矩rVnIRUCNaNaaNemin/275.0，电动势常数mNICTNeLN3.81355.9，额定负载转矩控制方式：双极式直流PWM-M可逆调速系统采用转速电流双闭环控制，其中电流环（内环）采用典型I系统，转速环（外环）采用典型II系统，按照“先内后外”的原则，运用工程设计法设计电流调节器ACR，转速调节器ASR，ACR，ASR均采用PI型，给定信号为V10。调节器参数设计：1.电流调节器ACR：取过载系数5.1，电流反馈系数022.068.309*5.110*omimIU电机转矩时间常sCRGDCCRGDTeameam022.055.9*375375222（忽略整流桥电阻）电机电磁时间常数sRLTaal0151.0（忽略整流桥内阻级电感）三项晶闸管整流平均失控时间sTs0017.0三项晶闸管放大倍数40sk取电流反馈滤波时间常数sToi002.0电流环的小时间常数sTTToisi0037.0根据要求电流超调量%5%i，电流环按典型I型系统设计，ACR采用PI调节器其传递函数为ssKsKKsWiiiIipiACR11其中，sTli0151.014.02siaiiKTRK11.0iiIikK电流调节器超前时间常数：sTli0151.0电流环开环增益：17.1360597.0*0151.0022.0*40*14.0sRKKKisiI校验近似条件电流环截止频率：17.136sKIci1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件cisssT111.1960017.0*3131满足近似条件2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件cilmssTT111.520151.0*022.01*313满足近似条件3）校验电流环小时间常数近似处理条件cioisssTT118.180002.0*0017.01*31131满足近似条件计算调节器电阻电容按所用运算放大器kR400kkRKRii6.540*14.00FFRCiii7.256000151.02.转速调节器ASR：转速反馈系数00571.0175010*nomnomnU为了加快转速转速调节速度，转速环按典型II系统进行设计，选取中频段宽度h=5，ASR采用PI调节器，取转速反馈滤波时间常数sTon01.0ASR传递函数为：ssKsKKsWnnnInpnASR11其中，sTTTonin0174.02shTnn087.046.132)1(namenTRhTChK0065.0nnInkKASR的超前时间常数为：sshTnn087.00174.0*5转速环开环增益为222224.3960174.0*5*2621sThhKnN检验近似条件：根据cK1可知：转速环截止频率为：1115.34087.0*4.396ssKKnNNcn1）电流环传递函数简化条件cnIIsTK11.640037.07.1363131，满足简化条件2）转速环小时间常数近似处理条件cnonIsTK197.3801.07.1363131，满足近似条件计算调节器电阻电容取kR400,则KkRKRnn4.53840*46.130，取k540FFRCnnn16.0540000087.0FFRTConon14000001.0*440参数汇总：参数转速调节器ASR电流调节器ACR放大倍数pK46.13pnKpiK0.14积分时间常数IK85.1530065.0/1nK1.911.0/1iK调节器输出限幅V10V10转速反馈系数α0.00571电流反馈系数β0.0222.硬件电路原理分析设计思路：由于51单片机I/O数量有限，而本次设计外设芯片较多，故先从I/O口占用最多的外设入手设计，然后再一步步向着占用最少I/O口的芯片，逻辑上先设计采样显示部分，然后设计模拟输出控制环节。分模块进行设计：数码管显示模块：四位数码管段选加位选总共有12位，两个四位数码管最多可占用24个I/O口，这既不方便控制，也导致资源占用过度。可采用采用分时动态扫描，将数码管段选共用一组I/O口，位选分时扫描，可让资源利用最大化，缺点是占用I/O口较多。A/D输出模块：TLC2543是一款12位精度的串行输出的A/D转换芯片，可以大大节省I/O资源，并且还可以选择双极性输出，其工作时序图如下：D/A输出模块：DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。在单片机应用系统中，D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。其最大优点是有一种直通输出模式，只需将数字输入端与51单片机接口相连，其控制端该接地的接地，接VCC的接VCC就可以根据输入的数字量输出相应的模拟量，又可以节省I/O资源又可以方便编程。其连接图如下：键盘输出模块：经过以上的设计，单片机还剩下4个可用I/O口，而本次设计需要有6种输入（起动，停止，加速，减速，突加给定，正反转切换），如果一个按键实现一个功能，I/O口明显不够，如果采用编码器输入的方式会使得设计难度大大增加而且成本也会增加。后来经分析发现正反转切换可由DAC0832的基准电压的改变来实现，而启动停止可由一个常闭开关实现。故设计电路图如下：硬件电路在Proteus中原理图见下:说明：此为电流单闭环的原理图，器件为89c58单片机（双列直插40针）注：相应的软件电路和硬件电路以及相应的程序在附加文件中。四、调试结果分析及结论仿真结果及分析：1、额定负载启动：a.励磁电流波形分析：励磁电流稳定在1Ab.电枢电流波形分析：电枢电流在满载启动时，约1.2s达到稳定，平均值稳定在额定电流在309.68A上下，因为采用直流PWM控制，所以会产生脉动。电流最大值大约610A，实际过载系数为96.168.3096102,满足要求，可以接受。c.输出转矩T波形分析：转矩与电枢电流类似，两者成正比例关系，转矩有脉动，输出平均值稳定在额定转矩813.3N.m。d.转速n波形分析：转速有超调，大约1.2s后稳定在额定转速1750RPM，因为采用直流PWM控制，转矩必定要有脉动。2.满载载启动4s后加负载mNmNPPN.67.40.05.0*3.813%5*仿真结果及分析a.励磁电流仍然稳定在1Ab.电枢电流波形分析：电枢电流在4s加负载后，连续，且平均值略有上升，满足要求。c.输出转矩T波形分析：加负载后，输出转矩为了与负载平衡，略有上升，平均值最终稳定在负载转矩813.3N.m+40.67N.m=853.97N.m。d.转速n波形分析：转速在4s加负载后下降，然后逐渐稳定，与加负载前相比，平均值略有下降。3.满载启动后，给定信号变为-10，a.励磁电流稳定在1Ab.电枢电流波形分析：电枢电流变为负号，数值与正向给定相等，稳定时平