运动控制系统讲解
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1 绪论
电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备,所以需要根据工艺要求调节其转速,而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。
目前调速系统分为交流调速和直流调速系统,由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能,因此在相当长的时间内,高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统,但近年来,随着电子工业与技术的发展,高性能的交流调速系统也日趋广泛。
单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛,其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。
1.1直流电机的调速方法和可控直流电源
直流调速系统是自动调速系统的主要形式, 它具有良好的起、制动性能,可以在较宽的调速范围内实现平滑调速,较快的动态响应过程,并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性,尽管直流调速系统中的直流电动机不如交流电动机]那样结构简单、制造和维护方便、价格便宜。
但是长期以来,直流调速系统一直占据垄断地位。
当然,近年来,随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展,交流调速系统发展很快,在许多场合正逐渐取代直流调速系统。
但是就目前来看,在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通讯设备、雷达设备,仍然广泛采用直流调速系统。
而且,直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟,从控制技术的角度来看,它又是交流调速系统的基础。
因此,本书先着重讨论直流调速系统。
1.2课程设计目的
课程设计是在校学生素质教育的重要环节,是理论与实践相结合的桥梁和纽带。
运动控制系统课程设计,要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案,解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 《运动控制系统课程设计》是继《电子技术》、《电力电子技术》和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程,其目的和任务是训练学生综合运用已学课程电子技术基础、电
力电子技术、运动控制系统的基本知识,独立进行运动控制系统应用技术和开发工作,掌握运动控制系统设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。
1.3课程设计课题:
带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计。
(1)直流电动机控制系统设计参数
直流电机:
输出功率为: 7.5Kw 电枢额定电压:220V
电枢额定电流:36A 额定励磁电流:2A
额定励磁电压:110V 功率因数:0.85
电枢电阻:0.2欧姆电枢回路电感:100mH
电机机电时间常数:2S 电枢允许过载系数:1.5
额定转速:1430rpm
环境条件:
电网额定电压:380/220V;电网电压波动:10%;
环境温度:-40~+40摄氏度;环境相对湿度:10~90%。
(2)任务和要求
1、根据控制系统的技术参数进一步细化技术要求。
首先确定控制系统方案,确定每一级的具体技术指标(如放大倍数,输入输出电阻,电源电压等);
2、电流超调量σi≤5%,空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤30%,调速范围D=20,转差率Sn≤0.03,稳速精度0.03;
3、建立控制系统的数学模型,并基于Matlab或其他仿真软件的仿真设计;
2反馈调速及控制系统
2.1闭环调速控制系统
将开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统,并采用PI调节器,就既保证动态性能,又能作到转速的无静差,较好的解决开环系统的不足,此闭环系统的工作原理是:将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节,来自动增大或减小触发角α来自动调节整流输出电压Uds,即可达到稳定,其系统结构框图如图 2.1所示
图2.1 单闭环转速负反馈系统框图
2.2带电流截止负反馈闭环控制系统
在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题,在启动、制动过程和堵转状态时,电枢电流会过大。
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题,系统中必须有自动限制电枢电流的环节。
根据反馈控制原理,要维持哪一个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。
那么,引入电流负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。
通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。
考虑到,限流作用只需在起动和堵转时起作用,正常运行时应让电流自由地随着负载增减,采用电流截止负反馈的方法,则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流,而电流正常时仅
有转速负反馈起作用控制转速。
电流截止负反馈环节如图2.2中的(a )(b)(c)图:
.
(a )利用独立直流电源作比较电压 (b ) 利用稳压管产生比较电压
(c )封锁运算放大器的电流截止负反馈环节
图2.2电流截止负反馈的环节
图(a )中用独立的直流电源作为比较电压,其大小可用电位器调节,相当于调节截止电流。
图(b )中利用稳压管VS 的击穿电压U br 作比较电压,线路要简单得多,但不能平滑的调节电流值。
图(c )是反馈环节与运放的连接电路。
由系统稳态结构可写出该系统两段静特性的方程式:
当d dcr I I >时,引入电流负反馈,静特性变为:
)
1()()1()(e
d s s p e
com *
n s p K C I R K K R K C U U K K n ++-++=)
1()1(e d
e *
n s p K C RI K C U K K n +-+=
图2.3带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性
静特性的几个特点:
(1)电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ,因而稳
态速大,
特性急剧下垂。
(2)比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致, 好像把理想空载转速提高到
(3)两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。
当挖土机遇到坚硬的石块而
过载电 动机停下,电流也不过是堵转电流,在式(1)中,令 n = 0,得 一般p s s K K R R >>,因此 (4)最大截止电流
由给定条件知堵转电流 I dbl =2I N =35A, 截止电流 I dcr =1.5I N =26.25A
(5)带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图及结构图如图2.4及图
2.5
)
1()('e
com *
n s p 0K C U U K K n ++=s s p com *
n s p dbl )
(R K K R U U K K I ++=
s
com *n dbl
R U U I +≈
图2.4带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图
+
-
+
-图2.5含电流截止负反馈的转速负反馈原理图
2.3调节器设定
如图2.6微PI调节器即比例积分调节器既结构图用于实现系统的无静差调速系统
图2.6 PI调节器的结构图
比例积分调节器的控制传递函数为:
pi
K=
1
R/
2
R
pi
K为PI调节器的比例放大系数
1
C= τ/
Rτ为PI调节器超前时间常数。
比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状,而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
积分调节器到稳态时ΔUn=0,只要历史上有过ΔUn,其积分就有一定数值,足以产生稳态运行所需要的控制电压。
如图2-7为采用PI调节器单闭环调速系统动态校正特性
图2.7采用PI调节器单闭环调速系统
s
K
s
K
s
W
K
P
pi
pi
P
τ
τ1
)
(
1+
=
3主电路工作设备选择
3.1 闭环系统的开环放大系数的判断
1) 为满足调速系统的稳态性能指标,额定负载时的稳态速降为:
m in
/2.2)
03.01
*(2003
.0*1430)1(1r s n S D nc N
=≤
=∆--
2)闭环系统应有的开环放大系数: 电动机的电动势系数:
r V n C N N
N N R I U e min/15.0==- 则开环系统额定速降为:
min
/24015.01*36r e N C R I nop ===∆
则闭环系统的开环放大系数应为:
108112.22401
=-=-=
∆∆nc nop
K
3)计算转速负反馈环节的反馈系数和参数
在转速反馈系数α包含测速发电机的电动势系数C etg 和其输出电位器RP 2的分压系数α2,即α=α2C etg
根据测速发电机的额定数据有:
试取α2=0.15,则在电动机最高转速1430r/min 时,转速反馈电压为
稳态时
很小,
只要略大于
即可,现有直流稳压电源为15V ,完全能够满足给定电压的需要。
因此,取
=0.15是正确的。
于是,转速负反馈系数的计算结果为:
电位器RP 2的选择方法如下:为了使测速发电机的电枢电压降对转速检
测信号的线性度没有显著影响,取测速发电机输出最高电压时,其电流约为额定值的20%,则
此时RP 2所消耗的功率为:
为了不致使电位器温度很高,实选电位器的瓦数应为所消耗功率的一倍以上,故可将RP 2选为10w ,2k Ω的可调电位器。
3.2 调节器的选择与设计
在电力拖动自动控制系统中,最常用的是串联校正和反馈校正。
串联校正比较简单,也容易实现。
对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统,用PI 调节器构成的滞后校正,可以保证稳定精度,却是以对快速性的限制来换取系统稳定的,如图4.1所示:
图 4.1 PI 调节器
计算运算放大器的放大系数和参数
根据调速指标要求,前已求出闭环系数应为K 108,则运算放大器的放大系数K p 应为
4315
.044
*00869.0108=≥=e
C Ks K
p
K α,取K p 为43
运算放大器的参数计算如下: 根据所用运算放大器的型号,取
,则
Ω===K R K R o p 172043*401
晶闸管触发整流装置:三相桥式可控整流电路,整流变压器Y/Y 联结,二次线电压
,电压放大系数。
确定时间常量:
三相桥式电路平均失控时间s T s 0017.0= ,机电时间常数s T m 2=,电磁时间常
数s T l
03.0=,s T l i 03.0==τ。
因此
pF R C i 74.1172000003
.01
1===τ
4系统仿真
4.1搭建仿真图
_
图4.1 系统仿真图4.2仿真结果
转速和电流的仿真结果如下:
图4.2 转速仿真结果
图4.3 电流仿真结果
有图可看出,转速的响应比较迅速,稳定后加入负载,转速先变小再迅速恢复稳定。
电流受到截止作用,开始时维持较大数值使得转速迅速增长,转速快要达到稳定时电流急剧下降直到0,效果较为理想。
5总结
本文主要对转速闭环直流电机的调速系统进行分析并在MATLAB/SIMULINK 建立起仿真图并进行仿真。
介绍了转速负反馈的闭环直流调速系统的原理, 完成了转速闭环调速系统的优点并建立其原理框图和仿真图。
将建立的仿真图在MATLAB软件里面仿真得出直流电动机各物理量的波形。
对波形进行分析得出转速负反馈闭环调速系统的优点和不足。
本论文具有很强的理论与实际意义。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,着是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”,通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
参考文献
[1]陈伯时.自动控制原理【M】.北京:机械工业出版社,1981.
[2]陈伯时. 电力拖动自动控制系统【M】.2版。
北京:机械工业出版社,1992.
[3]陈伯时. 电力拖动自动控制系统【M】.4版。
北京:机械工业出版社,2009
[4]王兆安. 电力电子技术【M】.5版.北京:机械工业出版社,2013
致谢
在这次课程设计的撰写过程中,我学到了很多书本上学不到的知识。
在这也要感谢一部分人,正是他们的指导与支持,才有了这篇论文的诞生。
首先我要感谢李辉老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助,这是我能顺利完成这次报告的主要原因,更重要的是老师帮我解决了许多设计上的难题,让我能把系统做得更加完善。
在此期间,我不仅学到了许多新的知识,而且也开阔了视野,提高了自己的设计能力。
其次,我要感易涛同学,他为我解决了不少我不太明白的程序调试方面的难题。
同时也感谢学校为我提供良好的做课程设计的环境。
最后,衷心的感谢他们。