毕业设计双闭环直流调速系统控制器的设计.doc

目 录摘 要IIIABSTRACTIII第一章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 国内外研究现状和应用前景21.3 本研究课题的主要研究内容21.4 本章小结2第二章 控制原理与方案确定32.1 直流调速系统的基本概念32.1.1 直流调速系统的主要方案32.1.2 直流调速系统用的可控直流电源42.2 转速、电流双闭环调速系统介绍92.2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成92.2.2 系统电路结构102.2.3 系统稳态结构102.2.4 系统动态结构112.2.5 起动过程分析112.2.6 动态抗扰性能分析132.3 双闭环调速系统的工作原理132.3.1 以电流调节器ACR为核心的电流环工作原理132.3.2 以转速调节器ASR为核心的转速环工作原理132.4 控制方案的确定142.4.1 连续控制与数字控制的特点142.4.2 数字控制的双闭环直流调速系统152.5 本章小结15第三章 基于SIMULINK的系统仿真163.1 系统设计163.2 系统仿真173.3 仿真结果分析183.4 本章小结18第四章 硬件设计说明194.1 控制系统的组成194.1.1 主回路194.1.2 检测回路194.1.3 故障综合224.1.4 数字控制器224.2 控制器芯片的选择和应用224.2.1 DSP芯片的选择224.2.2 TMS320CF240芯片概述234.2.3 DSP编程语言简介254.3 本章小结25第五章 控制算法及软件设计265.1 数字PID控制算法265.1.1 PID算法的数字化265.1.2 增量式控制算法的优点和不足285.2 双闭环控制的控制算法285.3 系统软件的设计295.4 本章小结30第六章 结束语31参考文献32致 谢33附录A34附录B36双闭环直流调速系统控制器的设计摘 要本文对微机控制的直流调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统的原理出发，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，用MATLAB进行系统仿真，实现了控制器参数整定。在此基础上以数字信号处理器(DSP)为控制器，通过对系统硬件和软件的设计实现了直流电动机双闭环调速系统的设计。结果表明，此调速系统具有较强的鲁棒性。关键词：微机控制，双闭环，直流调速，数字信号处理器The Design of the Double Closed LoopsDC Timing System ControllerAbstractIn this paper, DC timing system controlled by microcomputer had been researched deeply. Beginning with the theory of the DC timing system, the math model of the double closed loops DC timing system had been build up, the controller parameter had been adjusted after the system had been simulated with MATLAB, Based on the result of the simulation, digital signal processor (DSP) is taken as the controller, the design of the double closed loops timing system of the DC motor has been realized through the design of the systems hardware and software. The result shows that this timing system has strong robust.Keywords: microcomputer control, double closed loops, DC timing, DSP第一章 绪论1.1 研究背景和意义1计算机技术的发展正在影响着人类生活的各个方面。计算机的应用随着软件和硬件技术日益发展，出现了前所未有的繁荣。特别是一些具有新技术的计算机芯片的出现，给计算机技术在工业控制方面的应用提供了新的开发环境。例如：C8051单片机就比以前的8051单片机增加了许多功能，特别是使用了流水线指令执行结构，速度很快；数字信号处理器DSP的出现和新功能的不断开发，在工业控制领域的应用有后来居上的势头。DSP与其它单片机相比较，具有明显的优点，它在芯片结构上采用了哈佛结构，指令系统使用流水线指令执行结构，增加的事件管理器功能和PWM输出，给控制的实现提供了有力的支持。因此，在这样的技术环境下，有越来越多的研究者用DSP作为控制手段，实现对工业控制对象的控制。用计算机控制电力拖动控制系统是计算机应用的一个重要内容。直流调速系统在工农业生产中有着广泛的应用。随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制产生了新的变化。计算机技术、电力电子技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法，为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。用计算机技术实现直流调速控制系统，计算机的选型很多。经过选择，选取DSP芯片作为控制器。直流调速系统的内容十分丰富，有开环控制系统，有闭环控制系统：有单闭环控制系统，有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统，有不可逆调速系统等。目前，对于控制对象的研究和讨论很多，有比较成熟的理论，但实现控制的方法和手段随着技术的发展，特别是计算机技术的发展，不断地进行技术升级。这个过程经历了从分立元件控制，集成电路控制和单片计算机控制等过程。每一次的技术升级都使控制系统的性能有较大地提高和改进。随着新的控制芯片的出现，给技术升级提供了新的可能。经过文献检索，目前己经有不少科技工作者开展了将DSP芯片用于电机控制方面的研究，但现在应用的例子较少，大部分还处于可行性研究阶段。本研究的理论基础有电机控制、电力电子技术、自动控制原理、计算机控制技术等理论。研究设想是：通过研究提出合理的硬件方案和算法，主要进行的是理想情况下的可行性研究，具有工程应用的可能和超前性。由于不具备实现条件，在系统参数选择和调试方法上，运用MATLAB软件进行了仿真。1.2 国内外研究现状和应用前景2我国直流调速传动装置经历了三个发展阶段:第一阶段，66年76年可控硅直流调速传动装置应用技术的创始阶段。第二阶段，78年92年，不少设计、研究、制造单位吸取了前一阶段的经验教训，学习和借鉴国外厂家先进设计经验，表现在三个方面，1.系统设计学习德国西门子公司双环理论及开发MODULPACC系列先进设计方法。2.元件筛选及选用上注意了半导体元件质量(特别是印板工艺进行了改革一大板结构)，控制系统的可靠性大大提高。3.整机制造技术工艺上的改进。第三阶段，9203年，世界各国的外商向开放的中国市场推销技术先进、性能良好的全数字直流调速传动装置，比较典型的是西门子公司6R2427系列的直流调速传动装置及ABB公司推出的DCV700系列和英国欧陆公司SSD-590系列。目前，国内外一些公司的6RM系列、AVTRON公司的ADD-32系列、ABB公司的DCS系列、GE公司的DC系列、CT公司的MENTOR、西门子公司6R2427系列、英国欧陆公司SSD-590系列数字直流调速装置，广泛应用于制糖机、橡塑机械、冶金系统的轧制、拉钢、辊道，轻工、化工、纺织系统的单传动装置。1.3 本研究课题的主要研究内容本研究课题主要研究基于TMS320CF240DSP控制器的转速、电流双闭环控制系统。对系统进行MATLAB仿真，进行参数整定。在仿真的基础上，对系统的软、硬件进行了设计。1.4 本章小结本章对计算机控制的对象进行了综述，全面对直流调速系统的组成和控制要求做了总结，为将要进行的计算机控制系统的研究和设计提供基本的准备，打下了基础。在下面的研究中就以双闭环直流调速系统主电路为控制对象展开的。第二章 控制原理与方案确定2.1 直流调速系统的基本概念34在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性。尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，大有取代直流调速系统的趋势，由于微机控制的直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。2.1.1 直流调速系统的主要方案直流电机的电磁转矩的大小常用下式表示： （2-1）式中，电动机的电磁转矩，单位为N·m； 励磁磁通，单位为Wb；电枢电流，单位为A；由电机结构决定的转矩常数。以上分析表明，直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的，可以非常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。由直流电动机的转速特性知道，直流电动机的转速和其他参量的关系可用下式表示： （2-2）式中，n电动机转速，单位为r/min； U电枢供电电压，单位为v； 由电机结构决定的电势常数，=9.55在式(2-2)中，为常数，的大小取决于负载转矩，因此可知，直流电动机的调速方法有三种：1. 调节电枢供电电压U改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法.对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。2. 改变电动机主磁通改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法，变化时遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。3. 改变电枢回路电阻R 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。2.1.2 直流调速系统用的可控直流电源改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：1. 旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。2. 静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。3. 直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。下面分别对各种可控直流电源以及由它供电的直流调速系统作概括性介绍。1. 旋转变流机组以旋转变流机组作为可调电源的直流电动机调速系统的原理图如图2.1所示。图2.1 旋转变流机组供电的直流调速系统由交流电动机(称原动机，通常采用三相交流异步电动机)拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节发电机的励磁电流的大小，就能够方便地改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这种调速系统叫做发电机电动机系统，简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。为了供给直流发电机G和电动机M的励磁，还需专门设置一台并励的直流励磁发电机GE，可装在变流机组同轴上由原动机拖动，也可另外单用一台交流电动机拖动。对系统的调速性能要求不高时，可直接由励磁电源供电，要求较高的闭环直流调速系统一般都通过放大装置(G-M系统的放大装置多采用交磁放大机或磁放大器)进行控制。如果改变的方向，则U的极性和n的转向都跟着改变，因此G-M系统的可逆运行是很容易的，图2.2给出了采用旋转变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性，它们基本上都是相互平行的直线，由图2.2可见，G-M系统可以在允许转矩范围内实现四象限运行。第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限n图2.2 G-M系统的机械特性G-M系统具有很好的调速性能，在20世纪50年代曾广泛地使用，至今在尚未进行设备更新的地方仍然使用这种系统。但是这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速直流电动机容量相当的旋转电机（原动机和直流发电机）和一台容量小一些的励磁发电机，因而设备多、体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。为了克服这些缺点，在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变流机组，直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代。2. 静止可控整流器在20世纪50年代，开始采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服了旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。因此，应用时间不长，到了20世纪60年代又让位给更经济可靠的晶闸管整流器。1957年，晶闸管问世，它是一种大功率半导体可控整流元件，俗称可控硅整流元件，简称“可控硅”，20世纪60年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置。晶闸管问世以来，变流技术出现了根本性的变革。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统(即晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统)己经成为直流调速系统的主要形式。图2.3所示为V-M系统的原理框图。图2.3 V-M系统的原理框图图2.3中VT是晶闸管可控整流器，它可以是任意一种整流电路，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流输出电压平均值，实现电动机的平滑调速。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很大的优越性。晶闸管可控整流器的控制功率小，有利于微电子技术引入到强电领域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：1) 晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。2) 晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的和十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内使元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留有足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。3) 晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此晶闸管可控整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因数低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。4) 晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的，如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。3. 直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。图2.4为直流斩波器的原理电路和输出电压波形，图中VT代表开关器件。当开关VT接通时，电源电压加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形如图2.4(b)所示。tOUUsUdTton控制电路Ma）原理图 b）电压波形图图2.4 直流斩波器电路和输出电压波形这样，电动机电枢端电压的平均值为： (2-3)式中，T开关器件的通断周期；开关器件的导通时间;占空比； 开关频率。由式(2-3)可知，直流斩波器的输出电压平均值可以通过改变占空比即通过改变开关器件导通和（或）关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种：1) 脉冲宽度调制(pulse width modulation，简称PWM)。开关器件的通断周期T保持不变，只改变器件每次导通的时间，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽，称为脉冲调宽。2) 脉冲频率调制(pulse frequency modulation，简称PFM)。开关器件每次导通的时间不变，只改变通断周期T或开关频率，也就是只改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频。3) 两点式控制。开关器件的通断周期T和导通时间均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。导通和关断的时间以及通断周期都是不确定的。构成直流斩波器的开关器件过去用得较多的是普通晶闸管和逆导晶闸管，它们本身没有自关断能力，必须有附加的强迫关断电路，增加了装置的体积和复杂性，增加了损耗，而且由它们组成的斩波器开关频率低，输出电流脉动较大，调速范围有限。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管(GTO)，电力晶体管(GTR)、电力场效应管(P-MOSFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系统(简称PWM调速系统)近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展，与V-M调速系统相比，PWM调速系统有以下优点：1) 采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几kHz，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。2) 由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。3) PWM系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率因数高，效率高。4) 主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。2.2 转速、电流双闭环调速系统介绍34直流电动机调速系统具有开环调速系统、单闭环调速系统、双闭环调速系统和多闭环调速系统，双闭环调速系统具有控制容易、能在宽范围内平滑调速和快速响应等特点，在直流调速系统中得到广泛应用。许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在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，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 我们希望能实现控制：1) 起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；2) 稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。本节将着重阐明其原理及设计线路。2.2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响，系统结构如图2.5所示。图2.5中，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。这就形成了速、电流双闭环调速系统。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+内环外 环G图2.5 转速、电流双闭环直流调速系统结构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2.2.2 系统电路结构为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于图2.6。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图2.6 双闭环直流调速系统电路原理图图2.6中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。1. 转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；2. 电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。2.2.3 系统稳态结构为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图2.7。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE图2.7 双闭环直流调速系统的稳态结构图a转速反馈系数; b 电流反馈系数双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。2.2.4 系统动态结构在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2.8所示。U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图2.8 双闭环直流调速系统的动态结构图图2.8中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。2.2.5 起动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图2.9。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。图2.9 转速和电流的启动动态过程曲线第阶段：突加给定电压后，上升，当小于负载电流时，电机还不能转动。当后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流迅速上升。直到，=，=电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。第阶段：在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电压给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。第阶段：当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到=时，转矩，则=0，转速n才到达峰值(t=t3时)。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内(t3t4)，<，直到稳定。2.2.6 动态抗扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。1.抗负载扰动由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。 2.抗电网电压扰动双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。2.3 双闭环调速系统的工作原理342.3.1 以电流调节器ACR为核心的电流环工作原理电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流。由于ACR为PI调节器，稳态时，其输入偏差电压，即=。其中为电流反馈系数。当一定时，由于电流负反馈的调节作用，使整流装置的输出电流保持在数值上。当时，自动调节过程为：=最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。2.3.2 以转速调节器ASR为核心的转速环工作原理转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。由于ASR采用PI调节器，所以在系统达到稳态时应满足，即n=。当一定时,转速n将稳定在数值上。当n时，其自动调节过程为：FZn= ()0n最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。2.4 控制方案的确定随着微处理器的出现及运算速度的提高，运动控制也由原来的以模拟量反馈、模拟控制器为核心的连续控制系统过渡到以数字量处理为主、以高速信号处理器为控制核心的数字控制系统。特别是当前网络技术(主要是现场总线技术)在工业领域的普及和发展，就更加确定了数字控制的主导地位。2.4.1 连续控制与数字控制的特点连续控制系统是以反馈控制理论为基础，由模拟电子电路构成控制器，因而存在如下主要弱点：1由运算放大器构成的PID调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象的变化自适应能力差；2模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法，难以实现对交流电机这样复杂对象的控制；3受成本的限制，对反馈量的模拟电路检测精度不高，因而控制精度也不易提高；4用模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件复杂，可靠性低，可重复性差。因而，连续控制已经不能适应运动控制系统的发展需要。以微处理器为核心的数字控制系统，不仅克服了上述连续控制的弱点，而且可以实现原连续控制不可想象的高复杂程度、高精度的控制，为运动控制注入了新的活力，并将其推向更高的发展阶段。归纳数字控制的主要特点如下:1控制系统集成度高，硬件电路简单而且统一，可靠性高，可重复性好，对于不同的控制对象和控制要求，只需改变控制算法软件即可，可以实现同一控制器既可控制直流电机又可控制交流电机。2数字控制器的输入输出通道可以实现控制量的模拟输出、反馈量的数字输入，具有数据采集速度快、值域范围宽、分辨率高、精度高等特点，为实现高性能的运动控制系统打下了基础。3采用高速数字信号处理器为控制器，可以实现复杂的高性能的各种控制策略和方法，如矢量控制、多变量模糊控制等。由于软件的灵活性，可以尽可能充分地实现人工智能，更好地适应控制系统的复杂多变。4借助一些人机界面设备(如与处理器相连的液晶显示屏、控制面板、触摸屏等)实现对系统运行状态的监控、预警、故障诊断等功能；借助处理器的通讯能力实现与上位机的通讯；借助现场总线技术实现底层控制设备的联网：因而更方便地实现高复杂度的多机协同工作。2.4.2 数字控制的双闭环直流调速系统在2.2和2.3中己经了解了双闭环直流调速系统的工作原理，现在采用微机实现对该系统的数字控制，其原理框图如图2.10所示：图2.10 数字控制的双闭环直流调速系统在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能 ，即为计算机控制系统。系统的特点：1双闭环系统结构，采用微机控制；2全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；3采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。2.5 本章小结本章对计算机控制的对象进行了综述，全面对直流调速系统的组成和控制要求做了总结，为将要进行的计算机控制系统的研究和设计提供基本的准备，打下了基础。在下面的研究中就以双闭环直流调速系统主电路为控制对象展开的。第三章 基于SIMULINK的系统仿真为了在研究和设计中去获得合适的参数，不断的改进设计，在软件设计之前，首先用目前流行的MATLAB软件对控制系统进行了仿真。仿真是在理想的情况下进行的，获得结果对研究分析系统可以得到相当好的帮助。在仿真模型的建立过程中，控制部分中的SIMULINK模块参数的设置比较困难，也很关键，为了获得比较好的仿真效果，为现实系统的实现提供设计依据，需要在仿真过程中不断调整参数，直到获得满意的效果。系统的仿真分为三个步骤，分别是：建模、设置参数、仿真及仿真结果分析。在建模的时候，首先要分析系统原理结构的每个细节，从SIMULINK模块箱中找到合适的模块；然后进行参数设置，参数设置是一个难点，可以将实际系统中的主电路参数作为初始值，根据需要，不断调整控制部分的参数。3.1 系统设计直流电机：220V，136A，1460r/min，=0.132V min/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数=40；电枢回路总电阻：R=0.5；时间常数：=0.03s, =0.18s。电流反馈系数：取电流调节器的输出限幅值为10V，则电流反馈系数=0.05V/A(10V/1.5)。转速反馈系数：同理取转速调节器的输出限幅值为10V，则转速反馈系数=0.007 V min/r(10V/)。首先按照调节器的工程设计方法选择调节器的结构和参数。将电流环校正为典型型系统，取 =0.5，考虑电流反馈中的电流纹波，取电流滤波时间常数为2ms，电流调节器选用PI调节器。将转速环校正为典型型系统，取h=5，考虑到转速反馈中的电压纹波，取转速滤波时间常数为3ms，转速调节器选用PI调节器。 根据桥式整流电路、电动机的参数、晶闸管的放大倍数等来设计调节器。根据工程设计方法，理论分析得出模型参数设计如下：电流调节器的传递函数为。转速调节器的传递函数为。变换器模型为； 电机模型参数为。给定转速为714r/min；阶跃给定值5V；ACR、ASR的参数分别设计为：ACR：=1.013,=1.013/0.03； ASR：=11.7,=11.7/0.087。限幅器的上下限设置为10,0。3.2 系统仿真5利用SINMULINK的元件库功能，在matlab中进行双闭环直流调速系统建模，如图3.1所示，图中ASR是速度调节器模块，ACR是电流调节器模块，还用到了放大器Gain，示波器Scope等。图3.1 双闭环直流调速系统建模仿真的结果可以通过示波器模块输出，当给定信号的参数发生变化时，示波器的输出将发生变化。本仿真是模拟给定阶跃变化时转速和电流的启动动态过程，输出是速度和电流。图3.2给出了突加给定，电动机启动时的电枢电流波形和转速n波形的示波器仿真输出。从图3.2中可以看到速度与电流之间的关系基本上符合理想的波形。图中横坐标表示时间，纵坐标表示幅值。电流图3.2 电机启动时的转速曲线和电流曲线3.3 仿真结果分析从仿真结果可以看到，启动过程的第一阶段是电流上升阶段。突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流上升也很快，接近其峰值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。第三阶段，当转速达到给定值后，由于积分的作用，其输出还是很大，所以