运动控制系统作业课程设计-基于单片机的直流双闭环调速系统 24页

电控学院运动控制系统期中作业院（系）：电气与控制工程学院专业班级：姓名：学号：2015年5月29日24\n一、设计要求1.1已知参数：某转速电流双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电已知基本数据如下：（1）电动机参数：=500KW,=750V,=760A,=375r/min,电动势系数=1.82V.min/r，电枢回路总电阻=0.14Ω，允许过载倍数=1.5；（2）触发整流环节的放大倍数=75，电磁时间常数=0.031，机电时间常数=0.112s，电流反馈滤波时间常数=0.002s，转速反馈滤波时间常数=0.02s。设调节器输入输出电压===10V，调节器输入电阻=40KΩ。1.2设计指标：稳态无静差，电流超调量≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量≤10%。1.3设计要求：（1）运用调节器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR与ACR的结构与参数。电流环设计为典1系统，并取参数KT=0.5，转速环设计为典2系统；（2）用MATLAB对上述设计的直流双闭环调速系统进行仿真，给出仿真结果；（3）设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用软件Protel画图；（4）给出原理图每个元件的型号与值，并说明选值依据；（5）系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现，要说明软件实现流程以及核心软件的算法；二、参数设计2.1总述24\n虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，6个触发脉冲相位依次相差60度。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。晶闸管VT2、VT4、VT6接成共阳极组，晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。用工程设计方法来设计调速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，本题要求电流环设计为典系统，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。24\n图1双闭环调速系统的动态结构图---电流反馈滤波时间常数---转速反馈滤波时间常数2.2电流环设计（1）确定时间常数①整流装置滞后时间常数。经查课本表2-2可得，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。②电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1～2）=3.33ms,因此取=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=+=0.0037s。（2）选择电流调节器结构设计要求电流超调量≤5%，且无稳态静差。因此采用典型1型系统设计电流调节器。电流控制对象是双惯性型的，所以ACR采用PI型调节器。其传递函数如下：检查对电源电压的抗性性能：，参看课本表3-2的典124\n系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求电流超调量≤5%时，查课本表3-1，有较好的静动态性能，取KT=0.5,因此：电流反馈系数：于是，ACR的比例放大系数:（4）检验近似条件电流截止频率：①校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件②校验忽略电动机反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件③校验电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件2.3转速环设计24\n图2转速环的动态结构图及其简化(a)用等效环节代替电流环(b)等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理(c)校正后成为典型2系统(1)确定时间常数①电流环等效时间按常数。由上述可得，在电流环中已取KT=0.5，则②由题设，转速反馈滤波时间时间常数：③转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取(2)确定转速调节器结构转速环设计为典2型系统，由于要求转速无静差，因此ASR应选用PI调节器，传递函数如下：24\n（3）计算电流调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR超前时间常数为转速环开环增益为转速反馈系数：于是，ASR比例系数为(4)校验近似条件转速环截止频率为①电流环传递函数简化条件满足条件②转速环小时间常数近似处理条件满足条件2.4核对转速超调量ASR经历快速饱和和退保和情况，不符合线性条件，不可直接查表3-4得超调量。应按退保和超调计算：设计设时若取h=5，查表3-5有超调量要求为空载启动时的参数取24\n额定稳态速降满足要求代入公式得满足要求三、系统仿真本次系统仿真采用控制系统仿真软件MATLABR2011a，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种：一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究；另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用PowerSystem工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用前一种方法。3.1转速电流双闭环调速系统的数学模型图3转速电流闭环控制系统仿真模型3.2仿真步骤①构建仿真模型：根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，提取各元件的仿真模块，连接模块，得到按传递函数仿真的双闭环控制直流调速系统仿真模型，如图3所示。②调节器参数计算和设定：按工程设计方法设计和选择转速和电流调节器参数，ASR和ACR都采用PI调节器，具体参考上文参数设计。③设定模型仿真参数：仿真时间5.0s。④启动仿真及结果：如图4所示。⑤改变负载端，观察波形变化。24\n(a)(b)(c)图4仿真结果24\n(a)理想空载0A运行（绿线—电流，红线—转速）(b)负载360A运行（绿线—电流，红线—转速）(c)满载760A运行（绿线—电流，红线—转速）⑥得出结论：⑴利用转速调节器的饱和特性，使系统保持恒定最大允许电流，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。⑵由于构成了无静差系统，在负载变化和电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。⑶转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化和电压波动等扰动影响，特别是电压波动点在电流环内，多数情况可以再电流环内就克服，而不会造成电机转速的波动。四、系统硬件电路设计直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在扎钢机、矿井卷扬机、挖掘机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动领域应用历史悠久。大功率直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足生产要求，但是因为元件容易老化，在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及标准性得不到保证，甚至出现事故。随着单片机技术的发展和应用，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，使系统的性能更优。 其中MSP430系列的单片机是TI公司1996年开始生产的一种16位的超低功耗混合信号处理器。主控制器是系统的核心，对整个系统的性能起着决定性的作用。从低功耗和稳定性方面考虑，我们采用了TI公司的MSP430F149单片机作为主控制器。该单片机是16位单片机，可在1.8-3.6V的电压下工作，耗电电流视工作模式不同为0.1-400uA，这实现了系统的低功耗。该单片机还具有60KB的Flash存储器、2KB的RAM和大量的I/O端口等，完全满足系统的各项程序要求。此外该系列单片机还集成了较丰富的片内外设，他们分别是看门狗(WDT)，模拟比较器A，定时器A，定时器B，串口0/1，硬件乘法器，1024\n位ADC，端口(P0～P6)，基本定时器等一些外围模块的不同组合。其中看门狗使程序失控时迅速复位；16位定时器(TimerA和TimerB)具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数，时序同步，PWM等；10位A/D转换器具有较高的转换速率，最高可达200Kps，能够满足大多数数据采集应用；而且该单片机提供在线调试，调试程序方便；基于该单片机以上的优点，该双闭环直流调速系统采用MSP430F149作为主控器。4.1转速电流双闭环调速系统的硬件设计方案①电源：选择三相交流380V供电,经变压器和二极管整流后得到直流760V。②控制电路：采用MSP430F149单片机。③主电路：如题所示采用三相桥式不可控整流电流，逆变器采用带续流二极管的开关管MOSFET，构成H型双极式控制可逆PWM变换器。④驱动电路：采用两个IR2110驱动四个MOSFET管。⑤速度调节器：数字PI调节器。⑥电流调节器：数字PI调节器。⑦保护电路：采用电压互感器，检测电压。⑧转速反馈：光电编码器。⑨电流反馈：电流互感器。基于MSP430系列单片机的特点和转速电流双闭环直流调速系统电路原理，设计电路思路如图5所示，双闭环直流调速系统包括MSP430F149单片机、显示、键盘、光电编码器、电流互感器、电压互感器、开关、继电器、总电源、变压器、驱动等。图5总体设计电路原理图24\n4.2转速电流双闭环调速系统的各环节硬件设计（1）桥式可逆PWM变换器脉宽调制器的作用是：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，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图6所示。图6桥式可逆PWM变换器电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图7所示。图7PWM变换器的驱动电压波形他们之间的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，24\n、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，，平均输出电压为零，则电动机停止。则双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数，则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为0～1相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，，电动机停止。则在本题参数选取中，令三相桥式整流中导通角，并且，则U=320V。变压器的容量为630KVA，匝数比为0.98。晶闸管选择KP800，其通态正向平均电流为800A,断态、正反向重复峰值电压为3000V。绝缘栅双极型晶体管选择型号为80J101，因为耐压值必须达到750V，80J101最高耐压1000V，最大电流80A，故而满足要求。图8PWM变换器的硬件电路实现24\n（2）驱动电路IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。IR2110的特点：①具有独立的低端和高端输入通道。②悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。③输出的电源端(脚3)的电压范围为10—20V。④逻辑电源的输入范围(脚9)5—15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有V的便移量。⑤工作频率高，可达500KHz。⑥开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns。⑦图腾柱输出峰值电流2A。IR2110的工作原理为：IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入;电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。图9IR2110内部框图LO(引脚1):低端输出；COM(引脚2):公共端；Vcc(引脚3):低端固定电源电压；Nc(引脚4):空端；Vs(引脚5):高端浮置电源偏移电压；VB(引脚6):高端浮置电源电压；HO(引脚7):高端输出；Nc(引脚8):空端；VDD(引脚9):逻辑电源电压；HIN(引脚10):逻辑高端输入；SD(引脚11):关断；LIN(引脚12):逻辑低端输入；Vss(引脚13):逻辑电路地电位端，其值可以为0V；Nc(引脚14):空端（3）转速检测：光电编码器  利用光电传感器结合测速码盘进行测速，其原理如下：利用光电传感器和测速码盘结合产生周期脉冲，然后让此脉冲去触发单片机外部中断计数，并利用单片机定时中断存储计数值得到电机的实际速度。24\n转速检测回路利用光电编码器将转速直接转换成数字信号送入单片机进行处理。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“0”。 增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开90o相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射向主光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差90o的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。利用增量式光电编码器可以检测电机的速度。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，本设计使用每转100线的光电编码器作为转速传感器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比列关系，单片机对该频率信号采用M法测速处理。本设计中，用单片机定时器捕捉端口的电平跳变并计数，定时产生中断并计算转速：转速=。图10光电编码器的输出波形（4）主电路如题所示，采用三相桥式不可控整流电流，逆变器采用带续流二极管的开关管MOSFET，构成H型双极式控制可逆PWM变换器。主电路参数计算包括滤波电容计算、功率开关管MOSFET24\n的选择及各种保护装置的计算和选择等。根据提设要求设置开关频率为10KHz，由于电机功率为500KW较大，考虑到泵升电压的因素，所以选择滤波电容为220uF。（5）电流互感器用于直流电流量值变换的互感器。它利用铁心线圈中铁心受直流和交流电流共同磁化时的非线性和非对称性，通过整流电路，将通过线圈的直流大电流按匝数反比变换成直流小电流。在本设计中采用变比为400:5的电流互感器（LMZJ1-400/5）。在经过单片机A/D转换采集端口电压，再经换算得到实际电流：实际电流=端口电压*80。（6）电压互感器、熔断器在系统中，过高的泵升电压将超过电力电子器件的耐压限制值。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制电压，使用开关器件控制能量释放回路，当测得的电压大于泵升电压最大值，单片机控制辅助开关器件开通，使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻R10中。还有在突加交流电源时，大电容滤波电容C相当于短路，会产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻R11。合上电源后，经过延时或直流电压达到一定值时，闭合接触器触点K2把电阻R11短路，以避免在运行中附加损耗。在变压器原边使用熔断器作保护电路。电压互感器工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。其本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。在本设计中采用变比为100：1的电压互感器检测泵升电压。在经过单片机A/D转换采集端口电压，再经换算得到实际电压。当实际电压大于最大泵升电压时，单片机控制开关器件MOSFET开通。五、程序设计5.1数字PI调节器算法系统的控制算法主要采用了PI控制算法。其控制算法为： 式中：Kp为比例系数，Ki为积分系数。将上式转换为差分方程，得PI调节器的表达式，其第k拍输出为： 式中：T为采样周期。上式即为位置式PI控制算法。为第k24\n拍的输出值。由等号右侧可以看出，比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有的偏差累计。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调节简单明了。由增量式控制算法可知，PI调节器的第（k-1）拍输出为： 由以上可知，PI调节器输出增量：  增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算输出值。增量式PI调节器算法为：由于系统采用了比例积分调节器(简称PI调节器),使系统在扰动的作用下, 通过PI调节器的调节作用使电动机的转速达到静态无差,从而实现了静态无差。无静差调速系统中,比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快(无滞后),积分部分使系统消除静差。程序设计如下：voidPI_n(void)//转速调节输出{Error=volt-Feed_n*speed;Pout=Kp_n*(Error-LastError_n);Iout=Ki_n*Error*0.01;Asr_out=LastOut_n+Pout+Iout;LastError_n=Error;LastOut_n=Asr_out;if(Asr_out>10)Asr_out=10;}5.2PWM变换器算法MSP430系列单片机的Timer结构复杂，功能强大，适合应用于工业控制，如数字化电机控制，电表和手持式仪表的理想配置。它给开发人员提供了较多灵活的选择余地。当PWM不需要修改占空比和时间时，TimerA 能自动输出PWM，而不需利用中断维持PWM输出。MSP430F149单片机内部含有两个定时器，TA和TB；TA有三个模块，CCR0-CCR2；TB含有CCR0-CCR67个模块；其中CCR0模块不能完整的输出PWM波形(只有三种输出模式可用);TA可以输出完整的2路PWM波形；TB可以输出6路完整的PWM波形。PWM程序设计：定时器B初始化：TBCTL|=CNTL_3+TBSSEL_2+ID_3+MC_3+TBCLR+TBIE;//定时器输出PWM，清除TBCCTL1|=OUTMOD_6;//选择模式6TBCCTL2|=OUTMOD_2;//选择模式224\nTBCCR0=50;//PWM周期在主函数中只需给定TBCCR0和TBCCR1，单片机的P4.0和P4.1就会按照给定输出PWM波。图11主程序框架图12子程序框架24\n六、参考文献[1]王兆安等．电力电子技术．第4版．北京：机械工业出版社，2000.1[2]陈伯时．电力拖动自动控制系统．第4版．北京：机械工业出版社，2004[3]李荣生．电气传动控制系统设计指导．北京：机械工业出版社，2004.6[4]周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真[M].北京：中国电力出版社，2004[5]王军.自动控制原理[M].重庆：重庆大学出版社，2008.七、附录原理图：A3图纸见最后八、总结当老师布置作业的时候，我就十分重视本次的期中作业，开始查阅相关的资料并认真计算了所有参数。毕竟这学期自己的安排排的满满的，担心后面没时间。从寒假开始准备研究生复习工作，开学后前两周刷计算机二级考试，后三周参加大学生英语竞赛，接下来的四周忙于考研的课程复习和期中考试，后来的3周陆续参加校电子设计大赛、校数学建模大赛、电工杯数学建模大赛，其中电工杯我由于出于对运控控制系统的喜爱，选择了A题，整整3天忙于研究级联型多电平变换器的特性，以至于略有忽略老师所布置的期中作业，等周二晚上的时候我只是做出了模拟电路的电路图，看到班里不少同学做的单片机，我觉得身为班里名列前茅的我不应该如此偷懒，所以就临时改作单片机。在此我深深地忏悔，我不该为了追求影响老师交作业的时间，也有听说5、6班同学下周一交的原因，在此我深深道歉，希望老师能原谅我这一次并且不要给我标记，因为我想保送研究生，希望老师给条活路，谢谢您。通过本次转速电流双闭环直流调速系统课程设计使我对电力拖动自动控制系统和电力电子技术有更加深刻的认识，而且对所学内容有了更深刻的印象，更认识到工程设计时与实际相联系的重要性。做本次期中设计时搜集资料十分重要，我运用文件检索工具查阅了大量的相关资料。本次毕业设计为对我将来参加毕业设计和工作需要打下了扎实的基础。本次双闭环直流调速系统设计过程体现出自己单独设计模型的能力以及综合运用知识的能力，体会到了学以致用的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补，可以提高效率，弥补自己的不足。谢谢老师阅读，您辛苦了！也希望老师多多批评指点！24\n24\n24\n。24\n24\n24