计算机控制技术课程设计-数字双闭环直流调速系统设计.doc

精品设计

计算机控制技术
课程论文.
题目:数字双闭环直流调速系统设计

课程设计任务书
一、设计要求:
1、该调速系统能平滑调速,调速范围,系统在工作范围内能稳定工作。
2、系统静差率%。
3、实现无偏差调节。
4、动态性能指标:转速超调量Sn<10%,电流超调量
二、时间安排:
1、确定题目:12月24日
2、查阅资料:12月25日
3、设计电路:12月26日
4、撰写设计报告:12月27日~12月29日
5、修订设计报告:12月30日

数字双闭环直流调速系统设计
摘要:本文主要研究了数字双闭环直流调速系统设计,该直流调速系统具有两个反馈——转速反馈和电流反馈,转速反馈主要实现对转速的精确控制,使电机具有良好的稳态性能;电流反馈主要实现对电流的控制,减少电机过渡过程的过渡时间,使电机具有良好的动态性能。本系统以80C51系列单片机为控制芯片,控制PWM信号从而实现对直流电机转速和电流进行控制的方法。本系统为了实现转速和电流无静差调节,转速调节器和电流调节器都使用数字PI调节器。
关键字:双闭环单片机 PI调节器
数字双闭环直流调速系统总体设计
双闭环直流调速系统是由单闭环直流调速系统发展而来的,它继承了单闭环直流调速系统的诸多优点,并克服了单闭环直流调速系统的一些缺点。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差,使系统具有很好的稳态性能,但单闭环调速系统只能对转速进行调节,不能对电流和转矩进行调节,所以无法实现系统动态性能最优化。如果对系统的动态性能要求较高,例如要求快速起、制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统难以满足要求,所以在一些对系统的动态性能要求较高的场合,要用双闭环直流调速系统。
为了实现对电流的控制,可以在系统中引入电流负反馈,再在系统中增加一个电流调节器,让电流环处于转速环之内,作为内环,和转速环实现串极连接。用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PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是:用脉冲宽度调制的方法,把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列,从而可以改变平均输出电压的大小,以调节电机转速为了获得良好的动态性能,双闭环调速系统的电流调节器一般都采用PI调节器,转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax,它决定了电流调节器给定电压的最大值;电流调节器ACR的输出限幅电压是Uimax,它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。其具体系统结构图和电路原理图分别如下图1和图2所示:
TG
n
ASR
ACR
U*n
+
-
Un
Ui
U*i
+
-
Uc
TA
V
M
+
-
Ud
Id
UPE
L
-
M
TG
+
图1 转速、电流双闭环直流调速系统结构
图2 双闭环直流调速系统电路原理图
+
+
-
+
-
M
TG
+
-
+
-
RP2
n
U*n
R0
R0
Uc
Ui
TA
L
Id
Ri
Ci
Ud
+
+
-
R0
R0
Rn
Cn
ASR
ACR
LM
GT
V
RP1
Un
U*i
LM
M
TG
UPE
单闭环调速系统和双闭环直流调速系统起动时的电流和转速波形分别如图3-a和3-b所示。由图3-a可知单闭环调速系统在启动过程中,电流先增大后减少,由此导致启动时间长,当电流从最大值降低下来以后,电机转矩也随之减小,因而加速过程必然拖长,动态性能必然变差。由图3-b可知双闭环调速系统在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳态后,又让电流立即降低下来,使转速马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。因此双闭环调速系统能在电机最大电流(转矩)受限的条件下,充分地利用电机的过载能力,最大限度地提高生产效率。实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突变,图3-b所示的理想波形只能得到近似的逼近,不能完全的实现。但电机的电流惯性远比机械惯性小得多,启动后电机电流很快就能到达最大值,所以对电机电流进行控制对改善系统的动态性能有着重大的意义。
n
Id
n
Idl
t
0
Idl
a) b)
图3 调速系统启动过程的电流和转速波形
第二章数字双闭环直流调速系统硬件设计

主电路由整流器、滤波电容、中间直流电路和PWM 逆变器组成,其原理图如图2-1所示。整流器由6个二极管组成,属于不可控整流,整流后的输出电压为定值,作用是把电网提供的交流电整流成直流电;滤波电容的作用是将整流器输出的直流电压滤平;中间直流电路由电阻R2和开关器件Q1