双闭环直流电动机数字调速系统设计

《双闭环直流电动机数字调速系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双闭环直流电动机数字调速系统设计（21页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、双闭环直流电动机数字调速系统设计主要技术数据：直流电动机 Ped=3kW Ued=220v Ied=17.3 ned=1500r/min电枢回路总电阻 R=2.50电动机回路电磁时间常数 TL=0.017s电动机机电时间常数 TM=0.076s电动机电势常数 Ce=0.1352V/rmin)晶闸管装置放大倍数 Ks=53品闸管整流电路滞后时间 Ts=0.0017s速度调节范围0-1500r/min，速度控制精度0.1%（额定转速时）电流过载倍数为1.5倍。直流电动机的控制电源采用晶闸管装置输入电压为0-5伏时可以输出0-264伏提供最大25安培输出电流速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器

2、）采用双闭环环（速度环和电流环）控制方式计算机则要求采用51内核的单片机实现控制1. 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块2. 编写数字调节器软件模块3. 编写A/D转换器处理程序模块4. 编写输出控制程序模块5. 其它程序模块(数字滤波、显示与键盘等处理程序)双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图设计的总框架。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电双闭环直流调速机驱动电路保护电路 双闭环直流调速系统设计总框架 转速、电流双

3、闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui-电流反馈电压双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图直流调速系统常用的直流电源旋转变流机组静止式可控整流器直流斩波器或脉宽调制变换器晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节处罚装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。 VM系

4、统原理电流调节器的设计(假定)在设计电流环时,因T1比Tm小得多,故电流的调节过程比转速的变化过程快得多,因此在电流调节器快速调节过程中,可以认为反电动势E基本不变。这样在设计电流环时,可以暂时不考虑反电动势E电流环的动态结构图变化的影响而得到图所示的电流环近似动态结构图。为了使电流环稳态上做到无静差以获得理想的堵转特性,动态上保持电动机电枢电流的不超调,保证系统的跟随性。把电流环校正成典型I型系统,其传递函数为: 式中: Ki,i分别为电流调节器的比例放大系数和时间常数。根据“对消原理”,为了对消掉控制对象中时间常数较大的惯性环节,以使校正后系统的响应速度加快,取i=T1;PI调节器的比例放

5、大系数Ki取决于系统的动态性能指标。根据“电子最佳调节原理”中的“二阶最佳系统”原理。取KiTi=05,由此可得: 确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。由电力拖动自动控制系统课本附表可知，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。（4）电磁时间常数的确定。由前述已求出电枢回路总电感。 则电磁时间常数 选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系

6、统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 式中 -电流调节器的比例系数；-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：,参照附表6.2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，取，因此 于是，ACR的比例系数为 式中 电流反馈系数；晶闸管专制放大系数。校验近似条件电流环截止频率：（1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。（3） 电流环小时间常数近似处理条

7、件 满足近似条件。计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 , 取 ，取 ，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。 含滤波环节的PI型电流调节器转速调节器的设计转速环的动态结构图在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象。由此得到转速环的动态结构图如图所示。为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,把转速环设计成典型II型系统,其传递函数为: 式中: Kn,n分别为转速调节器比例放大倍数和时间常数。根据II型典型系统参数确定的方法,有T1=hT2,于是有n=hTn,其中h为中频宽, Tn=Ton+2Ti,根据“调节

8、器最佳整定设计法”,一般取h=5。然后按典型II型系统的最小闭环幅频特性峰值Mrmin准则,得: 确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则 （2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 则转速环开环增益 K 可得ASR的比例系数为 式中 电动势常数，转速反馈系数。检验近似条件转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条

9、件为 满足近似条件。计算调节器电阻和电容取，则 ，取 , 取 , 取 含滤波环节的PI型转速调节器校核转速超调量当h=5时，查附表6.3典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于附表6.3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退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。设理想空载起动时，负载系数，已知， ， ，。当时，查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 式中 电机中总电阻 ；调速系统开环机械特性的额定稳态速降 ；为基准值，对应为额定转速。计算得 不能满足设计要求。校核动态最大速降 设计指标要求动态最大速降。在实际系统中，可

10、定义为相对于额定转速时的动态速降。由，r/min h=5时，查附表得=81.2%，r/min 不满足动态最大转速降指标。转速超调的抑制从计算得的退饱和超调量，可知不满足动态指标要求，因此需加转速微分负反馈。加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图6.3所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。 带转速微分负反馈的转速调节器含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图所示:含有

11、转速微分负反馈的转速环动态结构框图转速微分负反馈环节中待定的参数是和，其中转速微分时间常数，转速微分滤波时间常数是以选定，只要确定，就可以计算出和了。由工程设计方法，近似计算公式得： 设理想空载起动时，负载系数，已知：， ，。设计要求动态最大超调，取转速超调量为，则 则微分电容 滤波电阻 再次校核动态速降带转速微分负反馈时，转速微分时间常数相对值 又因为设计要求动态最大转速降，即则。上述已求出动态速降的基准值所以 参照附表6.5可知，当时，当时，而现在，需要满足，符合要求。可知满足要求。校核调整时间在转速微分时间常数相对值时，则调整时间，满足设计要求。 上述的超调校正选取是根据设计要求条件来选

12、取的，即从开始选起，逐步减小并验证动态转速降以及调节时间，看是否满足要求。最后选择为最佳整定超调。从以上分析可得出结论，带转速微分负反馈的直流调速系统不仅使转速超调大大减小，而且大大降低动态速降。转速、电流双闭环直流自动调速转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程 启动过程双闭环直流自动调速系统的启动过程可分为以下 3 个阶段。(1) 电流上升阶段。开始启动时, n=0, Ufn=0, Usi=Ug, 故 ST 的输入值很高, 使 ST 的输出 Us 迅速达到饱合限幅值- Usm, 在此后的启动升速过程中, 只要 Usi( 即 nn1)Ug/n, 则 ST 就将保持该饱和值而不能起调节作用。

13、LT 的输入偏差电压 Uic=- Us+Uif, 由于此时- Us=- Usm, 而 Uif=Id, 故Uci=- Usm+Id0, LT 的积分作用将使 Uc 快速上升, 电流 Id 以最快速度上升, 电动机获得较大的启动转矩, 加快了电动机的启动。直到 Ufi=Id=Usm( 即 Uic=0) 时, Uc 不再增加, Ud 也不再增加, 电动机电流 Id 达到所允许的最大电流 Idm。(2) 电流保持恒值, 电动机恒加速阶段。此阶段从 Id 刚上升到 Idm 开始, 到 n 达到其期望值 n1 为止。在此阶段中, 由于 nn1 的转速超调现象。但在 nn1 后, 由于 UnfUg, 故 U

14、si0, ST 的积分电容改变, 使 ST退出饱和, 进入线性区, ST 便开始进行转速调节, 在 ST 进行转速调节时, 由于 ST 的输出 Us 的变化, 即 LT 的给定值发生变化, 故 LT 也要进行电流调节, 力图使 Id 尽快跟随 ST 的输出 Us。由于转速调节在外环, 故 ST 起主导作用, 最终使转速稳定在期望转速 n1 上。双闭环调速系统启动时的转速和电流波形.双闭环调速系统启动时的转速和电流波形.稳态时, Usi=0, Uci=0, 电动机的转速为期望速 n=n1=Ug/n, 其电流也为稳定电流 Id=Id1=Us1/Id。当负载增大时, 自动调速过程如下:在自动调速过程

15、中, 转速环是主环, 在稳速过程起主导作用, 其主要作用是保持转速稳定, 能将转速保持在给定值 Ug/n 上。电流环是副环,其主要作用是稳定电流, 将影响和干扰转速的调节, 但转速环的调节作用可以改变 Us, 使电流环跟随 Us 调节, 故最终仍能消除转速偏差。直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。调压调速是调速系统的主要调速方式。直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。微机(单片机)控制

16、电动机双闭环调速系统原理框图系统中设置的转速和电流两个调节器，为了获得良好的静、动态性能，两个调节器都采用PI调节器。这种双闭环调节器结构能恰当发挥电流截止负反馈和转速负反馈的作用。再加上微机控制系统能采用高分辨率的数字触发器和高精度数字测速装置，可以更好地满足高性能工业传动的要求。调速系统的硬件组成系统的主电路是晶闸管三相全控桥，直流电动机。晶闸管触发脉冲的产生和移相由微机控制电路输出。转速的检测采用数字测速器，它是用微机读取与电动机联轴的光电编码器输出的脉冲数，经微机计算后得出转速值。整个系统的硬件结构如图2所示，使用的主要芯片AT89C51单片机：用作系统的监控，读取采样数据，进行PI运

17、算，输出控制量。8253：可编程定时计数器芯片，具有3个16位定时计数器，用于数字测速和数字触发移相。8155：可编程IO接口扩展芯片，用于输出三相全控桥六个晶闸管的双脉冲触发信号，并保证触发脉冲与三相电网的同步。256个片内RAM用于存放采样数据。8279：可编程键盘、显示接口芯片，用于转速设定值和电动机起停控制命令的读入以及电动机运行中转速、电流和系统监控状态的显示。ADC0809：8位AD转换芯片，将电枢电流Id的值转换为数宇量。数字移相触发脉冲输出电路 要提高调速系统的控制精度，首先必须保证数字触发的移相精度并严格与三相电源保持同步。同步电路为了使主电路三相全控桥的各相触发脉冲与晶闸管

18、阳极电压保持严格的相位关系，控制系统要设置专门的同步电路，如图3所示。图中，同步变压器与主变压器一样接成YY012接法，同步电压先由二级RC滤波电路滤除电源干扰，并通过调整R值，实现90。移相，使三个相同步电压分别与晶闸管电源三相线电压保持同相位。 同步电路原理图触发脉冲输出电路触发器输出电路用两片74LSl75四D触发器作为移相触发脉冲输出的控制门，触发脉冲的宽度由74LSl23单稳电路控制。由74LSl23的6个 端输出六个晶闸管触发字码，经光电隔离，脉冲经功放后触发对应的晶闸管。 端在控制门关闭时都为“1”，此时6块触发功放板上的光耦TIL113截止，VT1导通，后级的脉冲功放管3DK9

19、截止，无触发脉冲输出；在触发脉冲门开启时，由晶闸管双脉冲触发要求，在6个 端中每次必有两位为“0”的负触发脉冲，此时对应的光耦导通，VTl截止，3DK9导通，输出的触发脉冲经脉冲变压器送到相应的晶闸管门极。数字测速电路转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范围内获得高精度和快速的数字测速，本系统使用每转1024线的光电编码器作转速传感器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比例关系，微机对该频率信号采用MT法测速处理。数字测速用8253的0号、1号计数器分别对m1和m2进行计数，D触发器F1用来使m2的计数与测速脉冲计数同步，由于8253为下降沿计数，故

20、使用反相器G，启动测速和停止测速信号由8031单片机的软件向P1.2口输出，P1.3口用于测速电路软件输出复位脉冲信号。键盘显示接口 整个微机控制系统的人机联系采用了8279可编程键盘显示接口芯片。为了便于操作和符合人们的习惯，8279采用传感器阵列式工作方式，作为按键和拨盘的输入接口。此处选用3*8阵列。显示器是5位LED数码管，它包括1位状态符号显示和4位数据显示，都采用动态显示方式。调速系统的软件设计该系统用AT89C51单片机代替了直流电动机双环调速装置中的电流和转速控制器以及6路触发脉冲发生电路。整个控制程序由主程序、外中断服务程序、PI运算程序及各种辅助程序组成。主程序主要功能是：

21、上电初始化，设堆栈指针，AT89C51和主要芯片初始化，查询传感器阵列的状态并检查到的命令键设置相应的控制命令标志位，故障检测报警以及等待同步脉冲外中断等。同步外中断服务程序的主要功能是：转速反馈信号采样，按控制命令标志位对应的运行状态对转速环进行PI运算，电流反馈信号采样，按控制命令标志位对应的运行状态对电流环进行PI运算，控制移相角的时间值量化，读电源状态字码S1、S2、S3及判定下一拍应送触发脉冲的晶闸管的字码等。电流环和转速环的离散化Pl运算都以差分方程形式实现，其输出经工程量变换量化后，变为与控制移相所对应的时间TD，为了提高控制精度，程序中要采用16位的四则运算。由于整个系统实现了

22、数字化控制，所以能很方便地通过软件引入各种特殊的控制方式。在电动机起动时，通过程序的判断，可以使转速环PI数字调节器实现积分分离，直接进行大比例系数的P数字调节器运算；保证电流环的给定立即达到最大僧，从而使起动电流稳定在最大允许值上，实现快速起动。又如，在程序中可设定零电流比较值与电流反馈信号进行比较，以判别电流是否断续，在电流断续时自动将电流环节的数字PI运算改为积分运算，并直接修改相应的控制参数，从而使控制系统进人一种简单的自适应控制模式，提高了微机电动机调速系统的动态品质因数。为了增强系统的检错和抗干扰能力，程序设计时采取了以下措施：(1)程序对输入输出出现非常量时的检错。操作人员由于失

23、误从拨盘输入了超出规定范围的转速给定值或者当计算机读人电源状态字码与前次电源状态字码顺序出现混乱时，控制程序能够通过判断及时进行出错处理：一方面用显示器给出“出错标志”，同时由单片机复立，即停发触发脉冲，断开主电路，使电动机自动停止运行。(2) 采用程序运行监视定时器(Watch dog Timer)。在主程序上电初始化时，建立软件的监视定时器系统，使用AT89C51单片机片内定时器中断，并设其定时时间为10ms。为此，在每次(3.33ms)同步外中断服务程序中，要对定时器清零一次。AD转换程序ADC_CONTR EQU 0BCH ;A/D转换寄存器ADC_RES EQU 0BDH ;8位A/

24、D转换结果寄存器(CPU A/P1ASF EQU 09DH ;P1口中的相应位作为模拟功能使 ADCSPEED2 EQU 11100010B ;P1.2口作为A/D输入ADCRESULT EQU 32H ;P1.2通道A/D转换结果 MOV SP,#07FH;设置堆栈ACALL ADC_POWER_ON ;开ADC电源ACALLSET_ADC_CHANNEL_2 ;设置P1.2口作为A/D转换ACALLGET_AD_RESULT ;测量电压并且取A/D的RETGET_AD_RESULT: ;测量电压并且取A/D的转换结果PUSH ACC ;入栈保护MOV ADC_RES,#0ORL ADC_C

25、ONTR,#00001000B;启动AD转换NOP NOP NOP NOP WAIT_AD_FINISHE:MOV A,#00010000B ;判断AD转换是否完成ANL A,ADC_CONTR;JZ WAIT_AD_FINISHE ;AD转换尚未完成,继续等待ANL ADC_CONTR,#11100111BMOV A,ADC_RESMOV ADC_CHANNEL_2_RESULT,APOP ACCRETADC_POWER_ON: ;打开A/D转换电源PUSH ACCORL ADC_CONTR,#80H ;开A/D转换电源MOV A,#20HACALL DELAY ;开A/D转换电源后要加延时

26、POP ACCRETSET_ADC_CHANNEL_2: MOV ADC_CONTR,#ADC_POWER_ON_SPEED_CHANNEL_2MOV A,#05H ACALL DELAY RETDELAY:PUSH 02 ;将寄存器组0 的 R2 入栈PUSH 03 ;将寄存器组0 的 R3 入栈PUSH 04 ;将寄存器组0 的 R4 入栈MOV R4,ADELAY_LOOP0:MOV R3,#200 DELAY_LOOP1:MOV R2,#10 DELAY_LOOP: DJNZ R2,DELAY_LOOP DJNZ R3,DELAY_LOOP1 DJNZ R4,DELAY_POP 04P

27、OP 03POP 02RETHB2: CLR A ;BCD码初始化MOV R3,AMOV R4,AMOV R5,AMOV R2,#10H ;转换双字节十六进制整数HB3: MOV A,R7;从高端移出待转换数的一位到CY中RLCAMOV R7,AMOV A,R6RLC AMOV R6,AMOV A,5 ;BCD码带进位自身相加，相当于乘2ADDC A,R5DA A ;十进制调整MOV R5,AMOV A,R4ADDC A,R4DA AMOV R4,AMOV A,R3ADDC A,R3MOV R3,A;双字节十六进制数的万位数不超过6，不用调整DJNZ R2,HB3;处理完16BITRET总结本设计为“双闭环直流电动机数字调速系统设计”，经过调试证明设计的双闭环系统能满足设计指标的要求，完成了设计任务。实验结果表明经过该设计系统改进，与其为单闭环系统相比：机械特性偏硬，快速起制动，突加负载动态速将小。 因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。加入单片机调速在里面,更加智能化.