数字双闭环直流电机控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

数字双闭环直流电机控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

是用 C(t)从“ 0”开始第一次上升到稳态值 ∞C 时所经过的时间来定义的，它反应了动态响应的快慢。 (2) 超调量 σ和峰值时间 pt 输出量到达峰值 maxC 时的时间为峰值时间 pt。 峰值超过稳态值的百分哈尔滨理工大学学士学位论文 7 数比值叫超调量，即 %10 0m a x C CC (28) 系统的相对稳定性便是由超调量来反应的，即要想系统的相对稳定性越好 ，则超调量就得越小。 (3) 调节时间 st 输出量达到稳态值的  5%(或  2%)的范围所需 要用的 时间称为调节时间。 它 主要反映的 是输出量 在 调节 期间 的快慢 程度。 包含 系统的快速性和稳定性。 2. 抗扰性能指标 在稳定运行的系统中，加一个负扰动量 F 使输出量降低 ，得到输出量由降低到恢复的过程就是系统抗扰过程。 动态降落和恢复时间是动态抗扰指标的了两大要素。 (1) 动态降落 maxCΔ 稳定运行的系统中，给系统加一个扰动所产生的最大降落值 maxCΔ 为动态降落。 一般来说，我们用 100max Δ∞CC %来表示 ，或者选用某个基准值bC ，然后用 %100max bCC 来表示。 (2) 恢复时间 vt 标准阶跃函数使用时从第一次出现扰动作用开 始，最后到输出量达到稳定值，与新稳态值 ∞C 的差值在某个基准值 bC 的 5177。 %或 (177。 2%)范围之内所经过的时间我们称之为恢复时间 vt。 一般来说，对于各种动态指标的要求在实际控制系统中的应用各有不同，调速系统中的跟随性能指标主要应用于随动系统，抗扰性能指标应用于动态稳定系统 [8]。 直流调速系统工作原理 众所周知，对于一个直流电动机调速系统具有多种调速系统方式，主要常用的有开环直流电机调速系统、单闭环直流电机调速系统、双闭环直流电机调速系统和多闭环直流电机调速系统。 而在这几种直流电机调速系统中尤其以双闭环直流电机调速系统为主。 直流电动机双闭环调速系统可以在电机的电流和转矩受限的情况下仍能充分发挥电机的过载能力 ,而且能够使电流和转矩保持允许的最大值，并且能够加速运行，当达到稳定转哈尔滨理工大学学士学位论文 8 速时 ,让电流减小而转矩很快与负载相平衡 ,从而使系统稳定运行。 因此我们可以知道双闭环直流电机调速系统的主要 工作原理是：当处于起动过程时只有电流负反馈作用。 而后稳定运行时 ,让系统只有转速负反馈作用。 双闭环直流电机调速系统的系统结构图如下图 24 所示。 图 24 双闭环直流电机调速系统图 从图 24 中可以看到， *nU 表示转速外环的转速给定电压， nU 为转速外环的转速反馈电压，两者的差值 nU 代表了转速外环的偏差值作用于转速调节器 ASR 的输入端，经过转速调节器 ASR 的比例放大和积分去静差使得其输出端变为电流调节器 ACR 的输入给定电压 *iU ， *iU 表示电流内环的电流给定电压，由电流互感器 TA 经二极管转化的电压 iU 反向作用于电流调节器 ACR 的输入端， iU 代表电流内环的电流反馈电压，它与电流内环的电流给定电压做差所得的值 iU 作用于电流调节器 ACR 的输入端，同样经过比例积分调节使得输出端作为电力电子变换器 UPE 的输入端，电力电子变换器 UPE 经过变换可从直流电机中输出转速 n，最后转速 n 与测速发电机 TG 连接转换为电压的方式给到转速外环，如此形成循环，构成闭合回路 [9]。 下图 25 为双闭环直流调速系统的电路原理图。 图 25 双闭环直流调速系统电路原理图 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 双闭环直流调速系统的稳态结构图和动态数学模型 调速系统的稳态结构图 从上文中我们不但可以知道双闭环直流电机调速系统是由两个带限幅作用的 PI 调节器串联构成，再者也了解了电流调节器 ACR 的最大给定电压 *iU 受 转速调节器 ASR 的输出限幅电压 *imU 的限制，电力电子变换器UPE 的最大输出电压 dmU 由电流调节器 ACR 的输出限幅电压 cmU 决定，如图 26 所示为双闭环直流调速系统的稳态构造图 [10]。 图 26 双闭环直流调速系统的稳态结构图 双闭环直流调速系统的动态数学模型 直流电动机的传递函数 当励磁是额定的状态下并且电枢电流也是连续的时候，电枢闭合电路的动态平衡方程式为下式 （ 29） ： )(0 dtdITIREU dldd += (29) 对上面的式子进行拉氏变换得下式 （ 210） ： )()()()(0 sIsRTsRIsEsU dldd ••+= (210) 而 RLTl =是 电枢 控制 回路的电磁时间常数 ，单位为秒 (s)。 将式 （ 210） 整理成电流比电压的形式可得传函为下式 （ 211） ： 11)()( )(0 += sT RsEsU sIldd （ 211） 从电机的动力学方程可知电磁转矩和负载转矩的关系为式 （ 212） ： 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 dtdnGDTTle 3752= （ 212） 可得式（ 213）： RdtdETII mdld = （ 213） 式子（ 213）中的mem CCRGDT 375 2= 是直流电机 系统的机电时间常数。 将上式 （ 213） 进行 拉氏变换可得电势比电流的传函为下式 （ 214） ： sTRsIsI sE mdLd =)()( )( （ 214） 上式 （ 214）中 的mLdL CTI = 为负载电流 ，单位是 A。 晶闸管触发装置的整流传函 晶闸管触发装置的整流环节 在一定的工作范围内 可看成 是一个 电压响应超前电流的环节，属于 纯滞后环节。 而失控时间是影响这个 滞后 作用的主要因素。 咱们可以按mfTs 1max =这个公式来表示，由公式可以看出 最大失控时间 与 交流电源频率 f 和 一周内整流电压的脉动波数 m 有关； 当电流在连续的状态下，我们可把晶闸管整流触发装置看成一阶惯性环节，因此它的传函可写成下式（ 215）； sTKsW Sss +≈ 1)( （ 215） PI 调节器的传函 转速调节器 ASR 和电流调节器 ACR 为了实现快速无静差，可以将它们均设为比例积分控制规律，即两个调节器的比例部分 P 能使控制作用迅速的被响应，达到要求但有静差，因此加上积分部分 I 来消除稳态误差。 其传函见式（ 216）： ssKsWPPI ττ 1)( += （ 216） 其中 PK 表示 PI 调节器的比例放大倍数， τ 表示 PI 调节器的积分时间常数。 将上述各传递函数以结构图的形式连接起来便得到了双闭环直流电机调 速系统的动态结构图， 其中转速调节器和电流调节器因为采用了 PI 控制而能实现稳态无静差，晶闸管整流装置以近似为一阶惯性环节实现了稳哈尔滨理工大学学士学位论文 11 定快速的必要条件，再加上直流电动机的传递函数，使得系统实现了双闭环。 如图 27 所示，因此双闭环直流电机调速系统的数学模型也就一目了然 [11]。 n*nU 1sT Kss1/1sTRl sTRm eC1dLI++cU 0dU+E+dIn )(W A SR*iU iU ）（ sA CRW 图 27 双闭环直流电机调速系统的动态结构图 本章小结 本章首先主要说明了直流调速系统的控制方式有三种，而这三种中以调压调速最优，然后又重点阐述了双闭环直流调速系统的性能指标，有稳态 性能指标和动态性能指标，并分别介绍了各个指标的分类，为后续的单片机控制实现数字化打下了基础。 其次本章又阐述了双闭环直流调速系统的原理结构。 最后又详细介绍了双闭环调速系统的稳态结构和动态结构的数学模型构成，为后面的内容做好了铺垫。 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 第 3章 双闭环直流调速系统的工程设计 双闭环直流调速系统参数的选择 该电动机选择直流电动机，由晶闸管供电，整流装置选择三相桥式电路，其各个参数如下：直流电动机额定电压 U=220V,额定电流 I=140A,额定转速 n=20xxr/min，电动势系数 eC = rV min/• ，过载倍数 λ =；晶闸管放大倍数为 sK =60；电枢回路总电阻 R= Ω ； 设电磁 时间常数lT =，机电时间常数 mT =；由于采用三相桥式电路，其滞后时间常数 sT =； 双闭环直流调速系统的工程设计方法 双闭环直流调速系统的实际动态结构图应该是在原来的动态结构图基础上增加了电流滤波环节、转速滤波环节和给定信号上的滤波环节。 下图31 表示增加滤波环 节的动态结构图 [12]。 A S R A C Rn ( s )11on T*nU 11sToi 1sTKss1/1sTRl sTRm eC1 )(sIdL+)(sUi+)(sUc)(0sUd+E ( s )+)(sId1sT oi1sT on 图 31 双闭环直流调速系统的实际动态结构图 图中的 oiT 表示电流反馈滤波时间常数；图中的 onT 表示转速反馈滤波时间常数；从图中可见在电流环上加了电流滤波环节，在转速环上加了转速滤波环节，在两个给定信号上同样加了滤波环节。 系统 以 “先内环后外环 ”的设计 规范 ，即 先规划 内环（ 电流环 ） ， 渐渐的 向外 规划 ， 而 后把电流环看做成系统的一个 子 环节，再 规划外环（ 转速 环）。 我们知道双闭环直流调速系统中的电流环的一个特别的作用是能够在动态过程中让电枢电流不超过允许的最大值，故电流环一般被规划为典型的 I 型系统，用 PI 调节器可以做到稳态无静差；为了让转速环也做到稳态无静差，所以也运用 PI 调节器，即加一个积分环节，但是转速环内部的哈尔滨理工大学学士学位论文 13 电流环已经有个积分环节，再加上一个共计两个积分环节，就此转速环规划为 II 型系统。 在双闭环直流电机调速系统中，晶闸管的滞后时间常数 sT和电流反馈滤波时间常数 oiT 一般都比电磁时间常数 lT 小很多，所以可将两者相加近似为一个一阶惯性环节，我们取 oisl TTT += ，这样，电流环是一个双惯性环节，同理，转速环可写成)1()( += sTs KsW。 1. 电流调节器设计 首先需要知道设计的指标，有静态指标和动态指标。 静态指标满足无静差，动态指标满足电流的超调量 σ小于等于 5%。 其次由 节 中给出的各个参数可知 sT =，电流滤波时间常数oiT 满足三相桥式电路每个波头的时间是 ，因此 oiT =2ms=。 电流环小时间常数之和 ∑iT= sT + oiT =。 计算 电压的抗扰性能： 0 3 ≈≈∑ilTT ，满足各项指标。 然后计算电流调节器参数，由于要求σ小于等于 5%，可 选择 ∑ iITK =，因此 0 3  sTK iI。 电流反馈系数 )(/0 4 NIVAV  ； 所以 ACR 的 比例系数为s iIi K RKK =   ， 电流截止频率 ciω =，检验晶闸管为 cis sT  / 9 60 0 1 13 1，满足条件。 cilm sTT   1313，满足条件。 按照上述所 计算的参 数，再加 上附录中 表 1 提供 的数据可知 :σ=%5%，满足设计要求。 2. 转速调节器设计 首先需要知道设计的指标，有静态指标和动态指标。 静态指标满足转速无静差，动态指标满足空载启动到额定转速时的转速超调量 nσ 小于等于10%。 其次由 节中给出的各个参数来确定时间常数。 已知 =∑iITK，由于电流环可以作为速度环、电流环的一个子部分可以等效时间常数设置为IK1 ，则 sTK iI 0 0 7 0 3 1 ==∑= ， 速度滤波时间常数。