1、轉速、電流反饋控制直流V-M調速系統設計專題一、課程設計目的本次設計的主要目的就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調速系統進行設計和控制，設計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統的調節器。并應用MATLAB軟件對設計的系統進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。 2、 設計任務與要求2.1性能指標要求（1）基本設計參數：采用三相橋式晶閘管整流裝置供電的轉速、電流雙閉環直流調速系統，基本參數如下：直流電動機 185W，220V，1.1A，1600r/min，Ra=22.25W，GD2=0.065N·m2，允許過載倍數 l=1.1，晶閘管裝置放大倍數 Ks=40，電樞回路總電阻 R

2、=52.5W，電樞回路總電感 L=811.5mH，最大給定電壓 U*nm=5V 對應 1500r/min，最大電流Idm=l IN時，ASR輸出限幅U*im=5V，電流反饋濾波時間常數Toi=0.002s，轉速反饋濾波時間常數Ton=0.01s，取R0=40kW，（2）穩態指標：轉速無靜差（3）動態指標：電流超調量s i5%，空載起動到額定轉速時的轉速超調量s n10%2.2設計內容（1）按模擬控制方案設計轉速、電流反饋控制直流調速系統；（2）畫出直流調速系統電路原理圖、穩態結構圖，建立數學模型，畫出動態結構圖并給出分析化簡過程； （3）設計ASR、ACR，給出調節器結構，計算調節器參數； （

3、4）檢驗近似條件，計算ASR退飽和超調量； （5）畫出開環對數幅頻特性曲線；（6）（選做）利用MATLAB仿真軟件對所設計的系統進行仿真，并可根據仿真結果對設計參數進行必要的修正和調整。（7）（選做）將設計的模擬電流調節器和轉速調節器進行數字化，電流環采樣周期Tisam=0.5ms，轉速環采樣周期Tnsam=0.005s，寫出其數字PI調節器的表達式（位置式、增量式均可），調節器輸出限幅及積分限幅均為±Um，并用已掌握的計算機語言設計實時控制程序。3、 電路原理分析及電路設計3.1基本設計思路 為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別引入轉速負反饋和電流負

4、反饋以調節轉速和電流，兩者之間實行嵌套連接其原理圖如圖一所示。 圖一：轉速、電流反饋控制直流調速系統原理圖雙閉環直流調速系統的穩態結構圖如圖二所示，兩個調節器均采用帶限幅作用的PI調節器。轉速調節器ASR的輸出限幅電壓U*決定了電流給定的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖二中用帶限幅的輸出特性表示PI調節器的作用。當輸調節器達到飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化不在影響輸出，除非有反向的輸入信號是調節器退飽和。換句話說，飽和調節器暫時割斷了輸入和輸出之間的聯系，相當于使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI調節器工作在線性調節狀態，其作用是使輸入偏差電

5、壓在穩態時為零。圖二：雙閉環直流調速系統的穩態結構圖轉速，電流雙閉環調速系統屬于多環控制系統。對電流雙閉環調速系統而言，先從內環（即電流環）出發，根據電流控制要求，確定把電流環校正為那種典型系統。按照調節對象選擇調節器及其參數。設計完電流環環節之后，把它等效成一個小慣性環節，作為轉速環的一個組成部分。然后用同樣的方法進行轉速環的設計，每個環的設計都是把該環校正為一個典型系統，以獲得預期的性能指標。目前的V-M調速系統多為帶電流內環的速度控制系統。雙閉環調速系統的動態結構圖如圖三所示： 圖三： 雙閉環直流調速系統動態結構圖 3.2確定轉速、電流反饋系數（1）電勢常數Ce=V（2）三相橋式晶閘管整

6、流裝置的滯后時間Ts （3）電流反饋系數（4）設最大允許電流，則電流反饋系數為（5）轉速反饋系數 3.3 電流環ACR的設計（1）電流環小時間常數 s（2）電磁時間常數 s（3）電流調節器結構的選擇 根據設計要求，且 因此可按典I系統設計，且選用PI調節器，其傳遞函數為（4）確定電流調節器參數 ACR超前時間常數：電流環開環放大系數：要求時，應按二階“最佳”系統設計從而，ACR的比例系數為（5）校驗近似條件電流環截止頻率：晶閘管裝置傳遞函數近似條件 滿足近似條件。小時間常數近似條件 < 滿足近似條件。忽略反電勢對電流環影響的條件 31TmTl=3×10.085×0.0

7、156=82.38s-1<wci（6）（7） 計算調節器的電阻和電容 電流調節器原理圖如圖四所示,各電阻電容參數計算如下：Rn=KiR0=0.67×40k=26.8k Cn=iRi=0.015640000=0.39F Coi=4ToiR0=4×0.00240×103=0.2F 8 圖四：含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節器3.4 轉速環的設計（1）轉速環小時間常數 （2）選擇轉速調節器結構根據穩態、動態性能指標的要求，應按典I系統設計轉速環，為此應選用PI調節器，其傳遞函數為 （3）選擇轉速調節器參數 為了使轉速環的跟隨性能和抗擾性能都較好，應采用準則選擇

8、參數，且取h=5，因此ASR的超前時間常數為 Kn=（h+1）CeTm2hRT=6×4.13×0.122×0.182×5×0.0033×52.5×0.017418 KN=h+12h2T2396.4（4）校驗近似條件 轉速環截止頻率Wcn=KNw1=KNn=396.4×0.08734.5S-1電流環傳遞函數簡化條件 而 1Ti=15×0.0037=54s-1>wcn滿足近似條件。小時間常數近似處理條件1312TiTon=13×12×0.0037×0.002=86.64s-

9、1>wcn滿足近似條件。（5）WASR=18+11.5S（6）計算調節器電阻和電容轉速調節器原理圖如圖五所示Rn=KnR0=18×40k=720KCn=nRn=0.087720×103=0.12FCon=4TonR0=4×0.0140×103=1F 圖五：含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器（7）校核轉速超調量 因為當h=5時 n=37.6%不能滿足設計要求。實際上，由于此時是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和時的情況重新計算超調量。 nN=RCeIN=473.36r/min 所以n=2(Cm

10、axCb)(-z)nNn*TnTm =2×81.2%×1.1×473.361600×0.01740.0855.1%<10%可見，所設計的系統能滿足設計要求。3.5轉速電流檢測電路的設計轉速、電流負反饋雙閉環直流調速系統，其原理就是再開環調速系統的基礎上增加轉速調節器和電流調節器通過當前的轉速反饋和電流反饋以改善系統的動態性能和穩態性能，因此反饋信號的準確度很大程度上決定了系統的性能指標。通過康銅絲采樣，再將采樣電壓通過電流檢測芯片，通過比例調節器較準。電流檢測芯片采用TI公司的INA282，INA282系列是電壓輸出電流并聯監控器，此監控器能夠感測

11、共模電壓上-14V至+80V與電源電壓無關。零漂移架構的低偏移使得電流感測在整個分流器上的最大壓降低至10mV的量程。這個電流分流監控器由+2.7V至+18V電源供電，使用最大900A的電源電流。此芯片通過在+IN和-IN之間接入一個采樣電阻（電阻值很小約0.01為宜）當有電阻上有電流流過時采樣電阻上將會產生壓降，通過+IN與-IN口進入，再由芯片內部的差分放大，抑制共模信號放大差模信號，由OUT口輸出，通過REF1,REF2引腳控制輸出模式。具體電路如圖二所示：圖六： 電流檢測電路當采樣電阻為測試報告如表一所示表一 電流檢測報告輸入電流（A）輸出電壓（V）較準電壓(V)00.080.08-0

12、.1=00.50.180.18-0.1=0.110.290.29-0.1=0.220.490.49-0.1=0.451.11.1-0.1=1102.12.1-1=2 由表一可知：電流檢測芯片檢測電流，輸出電壓為當電流為13.16A時，則比例調節器的比例系數為因此可調電位器取值應為36.6K為宜。3.6 轉速檢測電路的設計采用光電編碼器對速度進行檢測，通過51單片機采集光電編碼器產生的脈沖信號，并進行處理，同時通過數碼管將轉速顯示出來，同時通過DA數模轉換器將速度信號轉換成模擬信號輸送至ASR調節器，測速比較準確。（1）光電編碼器選擇光電編碼器采用ZKT6012空心旋轉編碼器K6012光電編碼器

13、，1024碼盤，每轉產生1200個脈沖，工作電壓為直流DC5-12V。（2）單片機選擇 單片機采用STC89C52，該單片機是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。（3）DA數模轉換器選擇數模轉換器采用PCF8591，它是單片、單電源低功耗8位CMOS數據采集器件，具有4個模擬輸入、一個輸出和一個串行I

14、2C總線接口。3個地址引腳A0、A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。器件的地址、控制和數據通過兩線雙向I2C總線傳輸。器件功能包括多路復用模擬輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數轉換和8位數模擬轉換。最大轉換速率取決于I2C總線的最高速率。（4）運算放大器的選擇 運算放大器采用TI公司的LM358，LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場

15、合。4、 實驗數據分析計算由實驗所得開環對數幅頻特性曲線如圖七 L/dB -40dB/dec -20dB/dec -20dB/dec O w/s-1 -40dB/dec -40dB/dec I n 圖七：雙閉環調速系統內環和外環的開環對數幅頻特性 五、心得體會這次的課程設計運用的基本上都是在電力電子技術和電力拖動與運動控制系統這兩門課程中所學過的基本知識點。這次的設計，其中最重要的一部分是參數的計算比較繁鎖。做事情要有耐心，這是我在這次設計中所學習到的重要的一點。這次課程設計我收獲很大。通過這次設計，加深了我對電流，轉速雙閉環系統這個典型的系統的認識。復習了以前學習過的基本知識，加深了印象。這對我們以后工作中會很有幫助的。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監督。學會了合作。同時，這次設計過程中，體現出自己綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發現自己平時