运动控制双闭环设计

运动控制系统期中作业

学院：电气与控制工程学院

专业：自动化

姓名：高昆

学号： 1206050226

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进行

供电，已知以下基本数据：Pnom=500KW, Unom=750V, Inom=760A, nnom=375r/min;电动势系数Ce=1.82V·min/r,电枢回路总电阻：R=0.14Ω，允

许过载倍数λ=1.5；触发整流环节的放大倍数Ks=75，电磁时间常数T?=0.031s，

机电时间常数Tm=0.112s；电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,转速反馈滤波时

间常数Ton=0.02s；调节器输入输出电压Unm*=Uim*=Unm=10V，调节器输入

电阻R0=40KΩ；

2设计指标：

稳态无静差，电流超调量δi≤5%；空载启动至额定转速时的转速超调量

δn≤10%。

3设计要求：

（1）运用调节器工程设计法设计ASR和ACR，达到系统设计指标，得到ASR和

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对上述涉及的直流桑珠能闭环调速系统进行仿真，给出仿真结

果。

（3）设计出上述涉及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Protel软件画图。

（4）说明原理图实现上述电流调速系统的原理。

（5）给出原理图的每个元件的型号与值，并说明选值依据。

（6）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。

1、设计分析

1.1双闭环调速系统的结构图

直流双闭环调速系统的结构图如图1-1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管

图1-1 双闭环调速系统结构图

1.2调速系统起动过程的电流和转速波形

如图1-2所示，这时，启动电流成方波，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

图1-2 理想启动的转速电流波形

1.3 8051单片机简介

本系统要求微型计算机完成电流环、速度环和位置环的控制算法运算以及相应的反馈信号数字化测量和采样,接收和处理上位微型计算机送给伺服系统的指令,采集伺服系统的有关信息并反馈到上位微型计算机等。其中,电流环控制要求微型计算机有很快的响应速度,其采样频率比较高。另外,为了保证足够的控制精度和运算速度,对微型计算机字长和指令功能也有更高的要求。本系统选用我们比较熟悉的8051作为微型计算机。

1.3.1 8051单片机的基本组成

8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：

1.3.2 CPU及8个部件的作用功能介绍如下

中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。

特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H—FFH。

内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现

数据的并行输入输出。

串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。

定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。

振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz

2、电路设计

2.1电流调节器和转速调节器的设计

双闭环调速系统的动态结构如图2-1所示，由于电流检测信号中常含有交流分量须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

图2-1 双闭环调速系统的动态结构图

其中Toi为电流反馈滤波时间常数；Ton为转速反馈滤波时间常数。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常

数用Ton 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton 的给定滤波环节。

2.2电流调节器

由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数

s T oi 002.0=，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通

道加上同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。 (1)首先确定时间常数

1)由三相桥式电路的平均失控时间s s 0017.0T =。 2)电流环小时间常数之和0.0037s

=+=∑T T T oi s i

，其中

0088

.0760

*5.110

i ≈=

=

I

U N

λβ

(2)由已知条件要求电流环为典I 系统：

S

S K i i ACR τ

τi

)

1(W +=

,

由典I 系统应取，0.5

i

I =∑T K ，

s

T

l

031.0i

==τ，由

τβi

s

i

K

R K K I

=

，解得

89

.0≈K

i

,135

.135≈K I

(3)校验近似条件，电流环截止频率为135

.135w ci ≈=K I

1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

W T ci

≥≈=

196.10.0017

*31

31s

；

2)校验忽略反电动势变化对电流环的影响条件：

W T

T ci

l

≤≈=61.1112

.0*031.01

31

3

m

；

3)校验电流环小时间常数近似处理条件：

W T

T ci

oi

≥≈=

8.180002

.0*0017.01

311

3

1s

；

(4)调节器电阻和电容参数的计算，取Ω=K R 400,

则： Ω=Ω==K K R K R i i 6.3540*89.00

F

K C R

μτ87.035.60.031

i

i i ≈Ω

=

= ;

F

K R

T oi

μ2.0402

00.0*440

oi c =Ω

=

=

图2-1 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为：5%4.3%i ≤=σ，满足设计要求。

2.3转速调节器

转速反馈电路如图2-4所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数s T on 20.0=。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。 （1）确定时间常数

1）电流环等效时间常数s

T K i i

0074.021

==∑，

2）转速环小时间取s T n

0274.002.00074.0=+=∑, ，

027.0375

10

n

≈=

=N

N

U α

s

h T n n

137.00274.0*5*===∑τ

（2）由题意知，转速环应设计为典II 系统，即：

s

s n

n

n

ASR K W τ

τ

)

1(+=

，故

)

1()

1(2++=

∑s s s K T W n n N n τ

解得：

1600.03753862

2h 1h n

2≈=

+=

∑T

K N ，39

.102)1(≈+=∑T T C K n

m

e n R h h αβ.

（3）校验近似条件:转速环截至频率92

.21137.0*160===n N cn

k w τ

1）电流环传递函数简化条件

W T

K cn

I

≥≈=

∑63.70.0037

135.135

313

1

i

2）转速环小时间常数近似处理条件w K

cn

on

I

T ≥≈=

9.3202

.0135

.135313

1

（4）计算转速调节器电阻和电容 按运算放大器取

Ω

=K R

O

40.

Ω=Ω==K K R K R 415.6

40*10.890n n

F K R

T o μ24002

.0*440

n

on c =Ω

=

=

F

K C R

μτ33.0415.60.137

n

n n ≈Ω

=

=

图2-3 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电转速调节器

（5）校核转速超调量

当h=5时，由表查得，37.6%n =σ，不能满足设计要求。实际上，由于表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，转速调节器饱和，不符合线性系统的前提，应该按转速调节器退饱和的情况重新计算超调量。 则：设理想空载起动时，负载系数z=0。

m n

nom b T T n n z C C ∑*??-??=)(2%)(

max n λσ

当h=5时， %2.81%max

=?b

C C

而 min 58.46min 1.8214.0760max r

r

C R I n e dnom =?==?

%10%9.237558.46

121.00274.05.12%2.81<=??

??=n σ 因此满足设计要求

3、仿真设计 3.1电流环的仿真设计

已知各个参数的值可以用matlab 画出传递函数结构图

图4-1 电流环的仿真模型

由此可以得到电流环的仿真结果

由图形可以看出电流环的超调量很小，所以设计满足要求

图4-2 电流环仿真结果

3.2 转速环的仿真设计

转速环的动态结构图如图4-3，用matlab画出动态结构图为带额定负载

图4-3 转速环的仿真模型

由此可以得到转速环的仿真结果

由图形可以看出转速环的超调量很小，所以设计满足要求

图4-4 转速环的仿真结果

在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块（Saturation）,它来自于

Discontinuities组，双击该模块，把饱和上界（Upper limit）和下界（Lower limit）参数分别设置为本例题的限幅值+10和-10，如图4-5所示。

图4-5 参数给定

4、仿真结果分析

图上部为电机电流曲线，下部为电机转速曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。

4．1 电机转速曲线

在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR 的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，Un极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。

4．2 电机电流曲线

直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速

调节器ASR 饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR 的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR 起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR 电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR 饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR 的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR 电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。

5、主电路的设计及参数

5.1变压器二次侧电压；u 2的确定原则是要保证在电动机的整个起动过程中，

整流装置都能够提供要求的最大电流I 1.5dm ，忽略IGTB 压降和换相重叠压降后可列出下列公式：电动机 1.82e =C

dm

n e 22.34dm I N C U U +?≥?=

考虑到电网电压波动，取波动系数为0.95，则有：

V R I N 379)34.295.0/()76014.05.137582.1(34.2/)dm (U2n e c =???+?=?+?=

5.2整流器视在功率：

860KVA

760379323U2n

=??=?=I S

故1

1u 3N

S I =

，变压器一次侧电压一般由供电电源决定取i u =220v A

U I S 1308)2203/(100000086.013/n =??=?=）（

故变压器应选择220v/1308A 视在功率为300KVA

5.3开关器件IGBT 参数计算与选择

反向最大电压：

V U U C 8.38401.296*3.13.1===

1140A 760*1.5d 5.1===I I

5.4整流功率二极管的选择：

选择功率二极管的耐压值：3m 1103~2U 3~2U ?==）（）（=380~520V 通态电流值：A I vt 1308~98057.1760)2~5.1()2~5.1(I 3ta =??== 选取功率二极管数据为：600V/1330A

5.5平波电抗器的选择及计算

平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉搏总数是

有限的，再输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要有平波电抗器加以抑制。

平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。

对于三相桥式整流电路：又因为一般Idmin 为电动机额定电流的5%~10%，这里取10%。In=760A ，因此，L=0.693*U2/76，又因为U2=379V,所以：

h 55763790.693L M =÷?=

5.6熔断器作用：当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏

电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安置了熔断器，那么。熔断器就会在电流异常升到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。

6、设计心得

通过这次设计，我掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说第一，参数所代表的实际物理意义及其计算，第二，了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，基本掌握了ASR 、ACR （速度、电流调节器）为

了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取；第四，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，和Protel 99SE对电路原理图的绘制，与此同时，进一步熟悉了MATLAB Protel 99SE的相关功能，掌握了其使用方法，对即将找工作的我们，产生积极的影响。

通过这段时间的课程设计，让我更好的认识到了自己的不足，同时也让我学到了许多东西，不仅巩固了以前所学的知识，而且还让我接受到了许多新的内容、知识。

总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。

附录一参考程序

主程序：

0000 AJMP START

START：CLR PSW.4

CLR PSW.3 ；选中工作寄存器0组

CLR C

，4FH

MOV R

MOV A ，30H

CLEAR1：CLR A

INC A

，CLEAR1 ；清零30-7FH

DJNZ R

SETB TR

；定时器/计数器0工作

MOV TMODE ，#01H ；定时器/计数器工作在方式1 SETB EA ；总中断开放

SETB IT0 ；置INTO为降沿触发

SETB IT1 ；置INT1为降沿触发LJMP MAIN

LJMP CTCO

LCALL SAMPLE

PI程序：

SETB EX1 ；开放中断1

MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，实测MOV A，R0 ；W给A

MOV B，R1 ；Y给B

SUBB A，B ；ei给A

MOV 7FH，A ；ei 给7FH

=0给7EH

MOV 7EH，#00H ；e

i-1

MOV 7BH，Umax

MOV 7AH, Umin

AJMP IN ；积分项

AJMP P ；比例项

MOV A，R2 ；Pi给A

ADD A，R3 ；Pi+Pp给A

MOV 7DH，#00H ；U

=0给7DH

i-1

+Pi+Pp=Ui给A ADD A，7DH ；U

i-1

MOV 7CH,A ；Ui给7CH

MOV 7DH，7CH ；Ui给U

i-1

MOV A，7BH ；Umax给A

CJNE A，#Ui，LOOP2 ；Ui〉Umax转移

MOV A，#Ui

CJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui

MOV 90H，7CH ；输出Ui到P1口

LOOP2：MOV A，7CH ；Ui给A

CLR C

SUBB A，#Umax

RETI

LOOP3：MOV A，7CH ；Ui给A

CLR C

SUBB A，#Umin

RETI

IN：MOV 6FH，#I

MOV A，6FH ；I给A

MOV B，7FH ；ei给B

MUL AB ；Pi=I*ei给A

MOV R2，A ；Pi给R2

RETI

P：MOV 6EH，#P

CLR C

MOV A，7FH ；ei给A

SUBB A，7EH ；ei-e

给A

i-1

MOV 7EH，7FH ；ei给e

i-1

MOV B，6EH

MUL AB ；（ei-ei-1）*P给A MOV R3，A ；Pp给R3

RETI

附录二：电路原理图