2022年直流电机双闭环运动控制系统课程方案.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 第1章 绪论1.1 运动掌握系统争论背景 电机自动掌握系统广泛应用于机械模具,矿产冶金,石油化工,轻工纺织,军工等与军民企业亲密相关 的行业;这些行业中绝大部分生产机械都采纳电动机作原动机;有效地掌握电机,提高其运行性能,对国民经济,以及电能的合理运用都具有特别重要的现实意义;自从电动机创造到上个世纪 90 岁月,直流电动机几乎是唯独的一种能实现高性能拖动掌握的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交,为掌握供应了便利的方式,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沟通电
2、动机及其它电动机的挑战,但至今直流电动机 仍旧是大多数变速运动掌握和闭环位置伺服掌握首选;由于它具有良好的线性特性,优异的掌握性能,高效 率等优点;直流调速仍旧是目前最牢靠,精度最高的调速方法;本次设计的主要任务就是应用自动掌握理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和掌握,设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调剂器,通过在DJDK-1 型电力电子技术及电机掌握试验装置上的调试 , 并应用 MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满意掌握指标的目的;1.2 课题目前的争论应用现状 近几十年来,电力拖动系统得到了快速的进展;随着新型电力电子器件的创造,为了进一步提高电动机 自动掌
3、握系统的性能,有关争论工作正环绕以下几个方面绽开:1.2.1 常规调速系统介绍 电力电子器件的不断进步,为电机掌握系统的完善供应了物质保证,新的电力电子器件正向高压,大功率,高频化和智能化方向进展;智能功率模块 小,牢靠性更高;IPM)的广泛应用,使得新型电动机自动掌握系统的体积更传统直流电动机的整流装置采纳晶闸管,虽然在经济性和牢靠性上都有肯定优势,但其掌握复杂,对散 热要求也较高;电力电子器件的进展,使称为其次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;由于晶体管是既能掌握导通又能掌握关断的全控型器件,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)
4、直流调速系统在直流传动中使用出现越来越普遍的趋势;1.2.2 应用现代掌握理论 在过去,人们感到自动掌握理论的争论进展很快,但是在应用方面却不尽人意;但近年来,现代掌握理 论在电动机掌握系统的应用争论方面却显现了蓬勃进展的兴盛景象,这主要归功于两方面缘由: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;其次是在辨识,参数估值以及掌握算法鲁棒性方面的理论 和方法的成熟,使得应用现代掌握理论能够取得更好的掌握成效;1.2.3 采纳总线技术 现代电动机自动掌握系统在硬件结构上有朝总线化进展的趋势,总线化使得各种电动机的掌握系统有可 能采纳相同的硬件结构;1.2.4 内含嵌入式操作系统的掌握器
5、 当今是网络时代,信息化的电动机自动掌握系统正在静静显现;这种掌握系统采纳嵌入式掌握器,在嵌 入式操作系统的软件平台上工作,掌握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 远程故障诊断及爱护供应了便利;目前已经有人研制胜利了基于开放式自由软件 Linux 操作系统的数字式伺 服系统;1.3 本设计思路 依据本课题的实际情形,宜从以下三个方面入手分析: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 本课题所涉及的调速方案本质上是转变电枢电压调速;该调速方法可以实现大范畴平滑调速,是目前直流调速系统采纳的主
6、要调速方案;但电机的开环运行性能 1/2LS=XS / 2 f =XS/ 314 再来测定变压器的漏感 LB / 依据体会公式 : L B= KB* UK% /100* U2/ I d, / 在三相桥中 LB= 2* L B因此 L=LS + LB 2.1.2 测定电力拖动系统机电时间常数 Tm2.1.2.1 测定电动机的Ce在给定电压下选稳态时试验测量所需数据,因稳态时而故2.1.2.2 测定电动机的飞轮力矩 GD 2使电动机在空载下自由停车 这时 MD=0, M fz=M 0,其中 M 0为电动机 的空载转矩 .由 M D-M fz=GD 2dn/375dt 得 GD 2=-375M 0
7、/ dn /d t 375 M 0 /.n /.t 测 n=fM0 利用空载损耗 P0=UDI d-RDI 2,得 M0. 测定 n=fM0 的试验数据并在坐标纸上做出 n=f M0曲线 2.1.3 测定触发和整流装置的放大倍数 KS在按线性系统规律进行分析和设计时,应当把这个环节的放大系数 KS当作常数,但实际上触发电路和整流电 路都是非线性的,只能在肯定的工作范畴内近似成线性环节;因此,最好应用试验方法测出该环节的输入名师归纳总结 输出特性,即. 设计时,期望整个调速范畴的工作点都落在特性的近似线性范畴内,并有一第 3 页,共 23 页定的余量,调剂放大系数KS可由工作范畴内的特性斜率打算
8、- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用Ud调速工作范畴 Ud UctUct图 2-1 晶闸管触发与整流的输入输出特性和 KS的测定 )2.2 双闭环调速系统的工作原理 2.2.1 转速掌握的要求和调速指标 掌握系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标;设计任务书中给出了本系统调速 指标的要求;深刻懂得这些指标的含义是必要的,也有助于我们构想后面的设计思路;在以下四项中,前两项属于稳态性能指标,后两项属于动态性能指标)2.2.1.1 调速范畴 D 生产机械要求电动机供应的最高转速和最低转速之比叫做调速范畴,即 2-1
9、2.2.1.2 静差率s 当系统在某一转速下运行时,负载由抱负空载增加到额定值所对应的转速降落,与抱负空载转速之比,称作静差率,即 2-2)静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳固度的;2.2.1.3 跟随性能指标 在给定信号 R的变化情形可用跟随性能指标来描述;具体的跟随性能指标有以下各项:上升时间,超调量,调剂时间 .2.2.1.4 抗扰性能指标 此项指标说明掌握系统抗击扰动的才能,它由以下两项组成:动态降落,复原时间 .2.2.2 调速系统的两个基本冲突 基本指标的两个冲突即1动态稳固性与静态精确性对系统放大倍数的要求相互冲突;起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求相互冲突5
10、;, 实现转速无静差,解决了第2采纳转速负反馈和PI 调剂器的单闭环调速系统, 在保证系统稳固的条件下一个冲突;但是,假如对系统的动态性能要求较高,例如要求快速启制动,突加负载动态速降小等等,就单 闭环系统就难以满意要求;这主要是由于在单闭环系统中不能完全依据需要来掌握动态过程中的电流和转 矩;无法解决其次个基本冲突;在电机最大电流受限的条件下,期望充分利用电机的答应过载才能,最好是在过渡过程中始终保持电流 为答应的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳态后,又让电流立刻降低下来,使转 速立刻与负载相平稳,从而转入稳态运行;在单闭环调速系统中,只有电流截止负反馈环节是特地用来掌
11、握名师归纳总结 电流的,但它只是在超过临界电流Idcr 值以后,靠剧烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很抱负的掌握第 4 页,共 23 页电流的动态波形;带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-2a 所示;- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - I dn I dn 个人资料整理仅限学习使用n n 0 Idlt 0 I dlt 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程b 抱负快速启动过程对于常常正反转运行的调速系统,尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素;为此,在电机最大电流 转矩 受限的条件下 , 期望充分地利用电机的过载才
12、能 , 最好是在过渡过程中始终保持电流 转矩 为答应的最大值 , 使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动 , 到达稳固转速后 , 又让电流立刻降低下来 , 使转矩立刻与负载平稳 , 从而转入稳态运行 . 这样的抱负起动过程波形如图 2-2b 所示 , 起动电流呈方形波 , 而转速是线性增长的;实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突变,图 2-2b 所示的抱负波形只能得到近似的靠近,不能完全的实现;到达稳态转速后 , 期望只有转速反馈 , 不再靠电流负反馈发挥主要作用 , 而双闭环系统就是在这样的基础上产生的;2.2.3 调速系统的双闭环调剂原理见图 2-3 :* Un-UnWASRsUi*-
13、UiWACRsUctT sK s1Ud01/R1Id- IdlR1nSTlsT msCe图 2-3 双闭环调速系统的原理框图)为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 , 在系统中设置了两个调剂器 , 分别调剂转速和电流 , 二者之间实行串级连接 . 把转速调剂器的输出当作电流调剂器的输入 , 再用电流调剂器的输出去掌握晶闸管整流器的触发装置;从闭环结构上看,电流调剂环在里面,叫做内环;转速调剂环在外面,叫做外环;这样就形成了转速、电流双闭环调速系统;为了获得良好的动、静态性能,双闭环调速系统的两个调剂器一般都采纳 PI调剂器,转速调剂器 ASR的输出限幅电压是 Unmax,它打算了电流调剂器给
14、定电压的最大值;电流调剂器 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;2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近抱负快速起动过程波形的;依据转速调剂器在起动过程中的饱和与不饱和状况,可将起动过程分为三个阶段,即电流上升阶段;恒流升速阶段;转速调剂阶段;名师归纳总结 其起动过程波形如图2-4 所示 ;第 5 页,共 23 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 2-4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形)从图 2-4 知, 整个起动过程分为三个阶段:第
15、I 阶段是电流上升阶段;第 II 阶段是恒流升速阶段;第 III 阶段是转速调剂阶段;有启动三个阶段所示,双闭环调速系统有如下三个特点: 1 )饱和非线性掌握:随着ASR的饱和和不饱和,整个系统处于完全不同的两个状态;当ASR饱和时,转速环开环;系统表现为恒流电流调剂的单闭环系统,当 速系统,而电流内环就表现为电流随动系统;ASR不饱和时,转速闭环,整个系统是一个无静差调 2 )准时间掌握:启动过程中主要阶段实第II阶段,即恒流升速阶段;这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间掌握,或称时间最优掌握; 3 )转速超调:由于采纳了饱和非线性掌握 , 启动过程终止进入第 III 阶段即转速调剂阶段
16、后 , 必需使转速 ASR 的输入偏差电压 U n 为负值,才能使 调剂器退出饱和状态;依据 PI 调剂器的特性,只有使转速超调,ASR退出饱和;2.2.5 转速和电流两个调剂器的作用 转速调剂器和电流调剂器在双闭环调速系统中的作用,可以归纳为1转速调剂器的作用:1)使转速 n 跟随给定电压Um *变化,稳态无静差;2)应付在变化起抗扰作用;3)其输出限幅打算答应的最大电流;2电流调剂器的作用:1)对电网电压波动起准时抗扰作用;2)起动时保证获得答应的最大电流;3)在转速调剂过程中,使电流跟随起给定电压Um *变化;4)当电动机过载甚至于堵转时,限制电枢电流的最大值,从而起到快速的安全爱护最用
17、;假如故障 消逝,系统能够自动复原正常;2.3 双闭环调速系统主电路的数学模型 2.3.1 主电路及其化简 见图 2-5:名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 等效电路c化简后的等效电路2.3.2 晶闸管触发和整流装置传递函数2.3.2.1 失控时间 以单相全波纯电阻负载整流电路为例来争论滞后时间的大小;假设在 t1 时刻某一对晶闸管触发导通,掌握角为 1;假如掌握电压 Vct 在 t2 时刻发生变化,但由于晶闸管已经导通,Vct 的转变对它已不起作用,平均整流电压 Vdo1 并不会立刻产生反应,必需等到 t3时刻该组
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