双闭环直流调速系统设计说明硕士学位.doc

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43精选资料可修改编辑基于V-M的双闭环直流运动控制系统设计及校正学生:黄觉鸿指导教师:曾孟雄教学单位:机械与材料学院摘要:本文主要介绍电流、转速双闭环直流调速系统的设计,在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计,同时对其参数计算。最后,重点设计直流电动机调速控制器电路,在系统中设置电流调节器和转速调节器,先确定其结构形式和设计各元部件,并对其参数的计算,最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。关键词:双闭环;电流调节器;转速调节器;MATLAB/SIMULINK;仿真Double-loop;thecurrentregulator;thespeedregulator;MATLAB/SIMULINK;simulationWhatthisarticleelaboratesisthedesignof“therotationalspeed,urrentdoubleclosedloopcocurrentvelocitymodulationsystem”.Inthedesign,themaincircuitcontrolsystemusingthree-phasefullcontrolledbridgerectifiercircuitaselectricitysupply[1].Firstly,,focusedonthedesignofDCmotorspeedcontrollercircuit,Thecurrentregulatorandspeedregulatorissetupinthesystem,atfirstdetermineditsstructure,ponents,,usedMATLAB/SIMULINKtocarryonSimulationAnalysisofthewholecontrolsystem.[2]精选资料可修改编辑前言 电机自动控制系统广泛应用于机械,钢铁,矿山,冶金,化工,石油,纺织,军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机,提高其运行性能,对国民经济具有十分重要的现实意义。20世纪90年代前的大约50年的时间里,直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交,为控制提供了便捷的方式,使得电动机具有优良的起动,制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战,但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。直流电动机因具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后,生产出成套的晶闸管整流装置,组成晶闸管—电动机调速系统(简称V-M系统)[3]。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程,调速范围广,精度高,和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性能上也显示出较大的优越性,动态和静态性能均好,且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速,电流环控制输出电流;该系统可以自动限制最大电流,能有效抑制电网电压波动的影响;且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比,因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展,但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。 近30年来,电力拖动系统得到了迅猛的发展。但技术革新是永无止尽的,为了进一步提高电动机自动控制系统的性能,有关研究工作正围绕以下几个方面展开: 1)采用新型电力电子器件 2)应用现代控制理论 3)采用总线技术 4)内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域 本课题基于W-M的双闭环直流运动控制系统设计及校正所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速,是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能(静差率和调速范围)远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制,不仅要控制速度,同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知,加速度与电动机的转矩成正比关系,而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制,成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。精选资料可修改编辑[4]、研究背景及意义许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能,在高性能的拖动技术领域中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟,应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中,只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后,强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流限制的条件下,充分利用电机的允许过载能力,最好是在过度过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动,到达稳定转速后,又让电流立即降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。这时,启动电流成方波形,而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。随着社会化大生产的不断发展,电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用,对其生产工艺、产品质量的要求不断提高,这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速,因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统。,早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统,多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统,在控制系统的发展史上,称为第三代控制系统,以PLC和DCS为代表,从70年代开始应用以来,在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年代开始,陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等。,由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多,而且条件苛刻,要求显示操作集中等,使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下,业内厂商经过市场调查,确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主,辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制,它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。1975年前后,在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上,开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统(DCS)。由于当时计算机并不普及,所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时,开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外,开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件,以保证可靠性、安全性。在以后的近30年间,DCS先与成套设备配套,而后逐步扩大到工艺装置改造上,与此同时,也分成大型DCS和中小型DCS两类产品,使其性能价格比更具有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破,但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变,共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品,80年代中期至90年代前期为第二代产品,90年代中期至21世纪初为第三代产品。 在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字设备公司(DEC)研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称Programmable,是世界上公认的第一台PLC。由于第一代PLC是为了取代继电器的,因此,采用了梯形图语言作为编程方式,形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求,并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间,PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机(简称PC)发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,ontroller(PLC)。上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30-40%。在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。???历史上,VME总线工业控制机一直是许多嵌入式应用的首选机型。1981年,Mostek、Motorola、ics公司发明了VME总线,1996年的新标准VME64(ANSI/VITA1-1994)将总线数据宽度提升到64位,最大数据传输速度为80Mbps。puters制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320Mbps。VME总线工控机是实时控制平台,大多数运行的是实时操作系统,并由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线最新产品已经采用了500MHz的PentiumⅢ处理器。???由于用户希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具,导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。除了VME总线工控机外,产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机,pactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。,同时PICMG推出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准。为了将PCISIG的PCI总线规范用在工业控制计算机系统,1995年11月PCI工业计算机制造者联合会(PICMG)。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题,而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低,所以,CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言,由于总体成本高、技术开发难度大、无源背板定义并不完全统一导致模板配套性差、pactPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用,反而在电信市场获得广泛应用。,经历十几年左右的发展,国际上出现了几个有代表性的现场总线标准和几个系列产品,较流行的有: 1)Profibus现场总线???它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。精选资料可修改编辑 2)控制局域网(work,CAN)控制网络???最早由德国***公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间数据通信。???此外还值得一提的是,可寻址远程传感器数据公路(HighwayAddressableRemoteTransducer,HART)协议,它是由美国Rosemount公司最早推出的一种兼容4~20mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。在当前的过渡时期具有较强的竞争力,得到了较快的发展。 3)基金会现场总线(FoundationFieldbus) 在现场总线标准的研究制订过程中,出现过多种企业集团或组织,通过不断的竞争,到1994年在国际上基本上形成了两大阵营,一个以Fisher-Rosemount公司为首,联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议;另一个以Honeywell公司为首,联合欧洲150家公司制订的WorldFIP协议。这两大集团于1994年合并,成立现场总线基金会(FieldbusFoundation,FF),致力于开发国际上统一的现场总线协议。 4)LonWork(work局部操作网)现场总线???它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7层协议,采用了面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,,传输距离为2700m,传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。 近30年来,电力拖动系统得到了迅猛的发展。但技术革新是永无止尽的,为了进一步提高电动机自动控制系统的性能,有关研究工作正围绕以下几个方面展开: 1)采用新型电力电子器件 电力电子器件的不断进步,为电机控制系统的完善提供了物质保证,新的电力电子器件正向高压,大功率,高频化和智能化方向发展。智能功率模块(IPM)的广泛应用,使得新型电动机自动控制系统的体积更小,可靠性更高。 传统直流电动机的整流装置采用晶闸管,虽然在经济性和可靠性上都有一定优势,但其控制复杂,对散热要求也较高。电力电子器件的发展,使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管(GTR)得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件,其性能优良,以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制(PWM)直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。 2)应用现代控制理论 在过去,人们感到自动控制理论的研究发展很快,但是在应用方面却不尽人意。但近年来,现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象,这主要归功于两方面原因:第一是高性能处理器的应用,使得复杂的运算得以实时完成。第二是在辨识,参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟,使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。精选资料可修改编辑 3)采用总线技术 现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势,总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。 4)内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域 当今是网络时代,信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。这种控制系统采用嵌入式控制器,在嵌入式操作系统的软件平台上工作,控制系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能,这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件Linux操作系统的数字式伺服系统。,宜从以下几个方面入手分析: 1)直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型; 2)双闭环直流调速的工程设计; 3)应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正; 本设计要求基于V-M的双闭环直流运动控制系统的设计和校正,从要求出发,本文先介绍各种调速方案中选择电流、转速双闭环调速系统的原因,再重点阐述该系统的动态、静态性能和结构特点。运用所给定的参数对系统的各环节进行设计计算并校验,最后通过建立调速系统的模型应用仿真软件进行仿真测试。 直流电动机的转速调节方法主要有以下几种: 1)改变电枢回路电阻调速法 保持直流电动机外加电枢电压与励磁磁通为额定值,改变电枢回路电阻而实现调速,调速过程中,直流电动机的理想空载转速不变,但在相同的转矩下,直流电动机转速降落将随外加电阻的增大而增大,机械特性的斜率就越大。 2)减弱磁通调速法保持电枢电压为额定值,电枢回路不加入附加电阻,而减小直流电动机的励磁电流以减弱磁通。弱磁调速只能在额定转速以上的范围内调节转速。 3)调节电枢电压调速法保持直流电动机的磁通为额定值,电枢回路不串入外加电阻,仅改变电动机电枢外加电压,实现直流电机的调速。