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文檔簡(jiǎn)介
1、<p><b> 遼寧工業(yè)大學(xué)</b></p><p> 電機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)(論文)</p><p> 題目: 120V、10KW轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真</p><p> 院(系):汽車與交通工程學(xué)院</p><p> 專業(yè)班級(jí):車輛131 </p>
2、<p> 學(xué)號(hào): 131805019 </p><p><b> 學(xué)生姓名:鄢立寶</b></p><p><b> 指導(dǎo)教師:張大明</b></p><p><b> 教師職稱:講師</b></p><p> 起止時(shí)間:2016.
3、12.5 -2016.12.23 </p><p> 課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)及評(píng)語(yǔ)</p><p> 院(系):汽車與交通工程學(xué)院 教研室:新能源車輛工程</p><p><b> 目錄</b></p><p><b> 摘要1</b></p><p><b&
4、gt; 一、設(shè)計(jì)思路2</b></p><p> 1.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2</p><p> 2. 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)思想3</p><p> 3. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)思想6</p><p><b> 二、設(shè)計(jì)步驟8</b></p><p> 1.對(duì)電流調(diào)節(jié)
5、器進(jìn)行設(shè)計(jì)9</p><p> 2.對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)12</p><p> 3.對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算15</p><p> 三、控制系統(tǒng)的建模以及仿真15</p><p> 四、基于微控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)22</p><p> 1.設(shè)計(jì)基于H橋電路的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通方法及
6、電路圖22</p><p> 2.設(shè)計(jì)基于微控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的軟件流程圖22</p><p> 3.電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)24</p><p><b> 五、總結(jié)心得25</b></p><p><b> 參考文獻(xiàn)26</b></p><p>
7、<b> 附錄Ⅰ27</b></p><p><b> 附錄Ⅱ27</b></p><p><b> 摘要</b></p><p> 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn),在電氣傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛。本次課設(shè)要求基于工程設(shè)計(jì)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作
8、原理,設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié),電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)。主電路采用三相可控晶閘管整流電路整流,用PI調(diào)節(jié)器控制,通過(guò)改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓從而進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速??刂齐娐吩O(shè)置兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者實(shí)行嵌套連接,把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE,形成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)
9、直流調(diào)速系統(tǒng)。分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,合理的選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù),使系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的要求。在MATLAB/ Simulink中建立仿真模型,設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù),仿真算法和仿真時(shí)間,運(yùn)行得出仿真模型的波形圖。通過(guò)對(duì)波形圖的分析,說(shuō)明直流調(diào)速轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。</p><p> 關(guān)鍵字:直流雙閉環(huán)調(diào)速 MATLAB Simulink轉(zhuǎn)速環(huán) 電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器</p>
10、;<p><b> 一、設(shè)計(jì)思路</b></p><p> 本次課設(shè)我們根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法對(duì) ASR 和 ACR 的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)仿真。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則,先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p> 根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法的基本思路我們首先選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。因?yàn)殡娏鳝h(huán)
11、作為內(nèi)環(huán),在穩(wěn)態(tài)特性上我們要求電流無(wú)靜差,以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性,在動(dòng)態(tài)特性上我們要求實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用下時(shí)有太大的超調(diào),以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程不超過(guò)允許值,而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。因而電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主。所以本文采用典型Ⅰ型系統(tǒng)。對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán),由于轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán),主要要求系統(tǒng)抗干擾性能好和轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,所以將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典型Ⅱ系統(tǒng)[1]。</p><p> 雙閉環(huán)直流調(diào)速系
12、統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p> 1-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p> 上圖 1-1是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。因?yàn)樵陔娏鳈z測(cè)信號(hào)的時(shí)候常常含有一些交流分量,我們?yōu)榱瞬皇顾绊懙秸{(diào)節(jié)器的輸入加入了低通濾波。濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示。然而,在抑制交流分量的同時(shí),濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用,為了平衡這個(gè)延遲作用,在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常
13、數(shù)的慣性環(huán)節(jié),稱作給定濾波環(huán)節(jié)[2]。其意義是讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí),使得二者在時(shí)間上恰好的配合。</p><p> 由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波,因此也需要濾波,濾波時(shí)間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理,在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。</p><p> 2. 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)思想</p><p> ⑴電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的
14、化簡(jiǎn)</p><p> 在圖 1-1點(diǎn)劃線框的電流環(huán)中,反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉,這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上,反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比,它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響[3]。在一般情況下,系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù),因此,轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多,對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō),反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng),在電流的瞬變過(guò)程中,可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變,即,這樣,在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí),可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變
15、化的動(dòng)態(tài)影響,得到的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖 1-2。</p><p> 圖1-2 忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響</p><p> 如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi),同時(shí)把給定信號(hào)改成,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng),如圖1-3。</p><p> 圖1-3 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)</p><p> 由于和比小得多,可以當(dāng)作小
16、慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié),其時(shí)間常數(shù)為:</p><p> 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成下圖1-4。</p><p> 圖1-4 小慣性環(huán)節(jié)近似處理</p><p> ?、齐娏髡{(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p> 圖1-4表明,電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的,要校正成典型Ⅰ型系統(tǒng),顯然應(yīng)采用PI型的調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成:</
17、p><p><b> (1-1)</b></p><p> 式中--------電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)</p><p> --------電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)</p><p> 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消,選擇</p><p> 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖1-5 所
18、以的典型形式,其中</p><p> 圖1-5 校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p> 下圖1-6繪出了校正后電流環(huán)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性.</p><p> 圖1-6 校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)電流環(huán)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性</p><p> 校驗(yàn),,是否滿足條件</p><p> ?、请娏髡{(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算<
19、;/p><p> 由式可以看出,電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和,其中已選定,待定的只有比例系數(shù),它可根據(jù)所需的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)選取[4]。</p><p> 計(jì)算電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益:(1-2)</p><p> 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù):(1-3)</p><p> 如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同,式和可以做相應(yīng)的改變,然后再次校驗(yàn)抗擾性能的指標(biāo)是否滿
20、足。</p><p> ?、扔?jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p> 按含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖1-7[5],圖中為電流給定電壓,為電流反饋電壓,調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。</p><p> 根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理計(jì)算,,是否滿足要求。</p><p> 圖1-7 含給定濾波與反饋濾波的PI
21、型電流調(diào)節(jié)器</p><p> 3. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)思想</p><p> ⑴電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p> 電流環(huán)經(jīng)化簡(jiǎn)后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié),為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù),由圖1-5可知:</p><p><b> ?。?-4)</b></p><p> 忽略高此項(xiàng),可
22、降階近似為:</p><p><b> (1-5)</b></p><p> 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為,因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為:</p><p><b> ?。?-6)</b></p><p> 這樣,原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象,經(jīng)閉環(huán)控制后,可以近似地等效成只有較
23、小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)[6]。</p><p> ⑵轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡(jiǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p> 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖1-1中的電流環(huán)后,整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-8所示。</p><p> 圖1-8 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)</p><p> 和電流環(huán)中一樣,把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi),同時(shí)將給定
24、信號(hào)改成,再把時(shí)間常數(shù)和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái),近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié),其中,則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡(jiǎn)成圖1-9。</p><p> 圖1-9 等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理</p><p> 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié),它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中?,F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié),所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典
25、型Ⅱ系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求[7]。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大,那么線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù),實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。</p><p> 由此可見(jiàn)也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為:</p><p><b> ?。?-7)</b></p><p> 式中--------轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)&l
26、t;/p><p> --------轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)</p><p> 圖1-10 校正后成為典型Ⅱ系統(tǒng)</p><p> 這樣,調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:</p><p><b> ?。?-8)</b></p><p> 令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為:</p><p>
27、<b> ?。?-9)</b></p><p><b> 則(1-10)</b></p><p> 至于中頻寬為多少,要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。</p><p> ?、寝D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計(jì)算</p><p> 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為:(1-11)</p><p> 的比例系
28、數(shù)為:(1-12)</p><p><b> ?、刃r?yàn)</b></p><p> 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為:(1-13)</p><p> ⑸計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p> 圖1-11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p> 根據(jù)圖1-11,計(jì)算,,是否滿足要求<
29、/p><p> 最后對(duì)轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量進(jìn)行校核。</p><p> 下面根據(jù)第二步的思想進(jìn)行具體的步驟設(shè)計(jì)。</p><p><b> 二、設(shè)計(jì)步驟:</b></p><p> 額定功率10Kw,額定電壓120V,額定電流95A,額定轉(zhuǎn)速3000r/min;</p><p> =0.0362
30、,電流允許過(guò)載倍數(shù)λ=1.5,電力電子轉(zhuǎn)換裝置放大系數(shù)=0.117;</p><p> 滯后時(shí)間=0.005ms,電樞回路總電阻R=120mΩ,電磁時(shí)間常數(shù)=0.04s;</p><p> 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)=0.005s,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)=0.002s;</p><p> 電流反饋系數(shù)=0.01V/A,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.001V·min/r;
31、</p><p> 總飛輪力矩=6N·m2</p><p> 1、對(duì)電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)</p><p><b> 1.1確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p> ?、耪餮b置滯后時(shí)間常數(shù)。</p><p> 三相橋式電路的平均失控時(shí)間為。</p><p>
32、?、齐娏鳛V波時(shí)間常數(shù)。由條件可知</p><p> ⑶電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取</p><p><b> =</b></p><p> 1.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p> 根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差的前提下,可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器[9]。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的,因此可
33、用型電流調(diào)節(jié)器,它的傳遞函數(shù)為</p><p><b> ?。?-1)</b></p><p> 檢查PI電流調(diào)節(jié)器電流電壓的抗擾性能:</p><p><b> ?。?-2)</b></p><p> 表2-1典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p>
34、 參照表2-1典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能[13],各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。</p><p> 1.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p> 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):</p><p> 表2-2典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p> 電流開(kāi)環(huán)增益:要求時(shí),根據(jù)[15],按表2-2應(yīng)取</p>&l
35、t;p><b> ?。?-3)</b></p><p><b> 因此(2-4)</b></p><p> 于是,ACR的比例系數(shù)為</p><p><b> ?。?-5)</b></p><p><b> 1.4校驗(yàn)近似條件</b><
36、/p><p><b> 電流環(huán)截止頻率:</b></p><p><b> ?。?-6)</b></p><p> (1)閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><p> ?。?-7)滿足近似條件。</p><p> (2)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件</p
37、><p><b> ?。?-8)</b></p><p><b> 滿足近似條件。</b></p><p> (3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p><b> (2-9)</b></p><p> 滿足近似條件[16]。</p>
38、;<p> 1.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p> 圖2-1含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p> 由圖2-1可知計(jì)算各電阻和電容值,其中</p><p><b> 取</b></p><p><b> 取取</b></p><p&
39、gt; 按照上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)(見(jiàn)表2-2),滿足設(shè)計(jì)要求[17]。</p><p> 2、對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)</p><p><b> 2.1確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p> ?。?)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):有前面的計(jì)算可</p><p> (2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù):根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的
40、紋波可知可知</p><p> 轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)間常數(shù):按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取。</p><p> 2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p> 按照設(shè)計(jì)要求,選用PI調(diào)節(jié)器[18],其傳遞函數(shù)表達(dá)式為</p><p><b> ?。?-10)</b></p><p> 2.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)&
41、lt;/p><p> 按跟隨和抗擾性能都比較好的原則,取,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為</p><p> (2-11)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益</p><p><b> ?。?-12)</b></p><p><b> ASR的比例系數(shù)</b></p><p><b> ?。?-
42、13)</b></p><p><b> 2.4檢驗(yàn)近似條件</b></p><p> 由公式可得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為</p><p> ?。?-14)(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為</p><p><b> ?。?-15)</b></p><p><b&g
43、t; 滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p> ?。?)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為</p><p><b> (2-16)</b></p><p><b> 滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p><p> 2.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p> 圖2
44、-2 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p><b> 根據(jù)圖2-2已知</b></p><p><b> 取</b></p><p><b> 取</b></p><p><b> 取</b></p><p&g
45、t; 2.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p> 表2-3典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)</p><p> 當(dāng)時(shí),由上表2-3查得,,不能滿足設(shè)計(jì)的要求[19]。實(shí)際上,由于上表是按線性系統(tǒng)計(jì)算的,而突加階躍給定時(shí),ASR飽和,不符合線性系統(tǒng)的前提,應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。</p><p> 3、對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算</p&
46、gt;<p> 設(shè)理想空載啟動(dòng)時(shí),已知數(shù)據(jù)有,,,,,,</p><p> 表2-4典型II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗干擾性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系</p><p> 當(dāng)h=5由表2-4[20]查得</p><p><b> ,帶入</b></p><p> 得,可以滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p&g
47、t; 三、控制系統(tǒng)的建模以及仿真</p><p> 通過(guò)以上對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的計(jì)算與選擇,我們使用Maltlab/Simulink平臺(tái)搭建直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)的模型,調(diào)試相關(guān)參數(shù)來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。</p><p> 圖3-1 使用Simiink軟件建模出的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p> 分別在空載及額定負(fù)載的情況下,使電機(jī)轉(zhuǎn)速的給定信號(hào)由零階躍為額定轉(zhuǎn)速
48、值,進(jìn)行的計(jì)算機(jī)仿真:</p><p> 圖3-2空載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線</p><p> 曲線分析:轉(zhuǎn)速曲線由開(kāi)始逐漸上升,經(jīng)過(guò)短暫的升速達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)一段超調(diào)調(diào)整后,轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)定,為3313r/min。</p><p> 圖3-3空載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)的電流曲線</p><p> 曲線分析:電流曲線快速上升,且在0.0125s時(shí)達(dá)到峰值
49、,經(jīng)過(guò)超調(diào)調(diào)整后,電流穩(wěn)定在138A一段時(shí)間,隨后慢慢下降直至將至為0A。</p><p> 圖3-4空載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流曲線</p><p> 曲線分析:電流曲線開(kāi)始時(shí)逐漸上升,電機(jī)幾乎不轉(zhuǎn),當(dāng)達(dá)到電流限幅值后,電流保持不變,轉(zhuǎn)速快速上升,當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí),電流下降至0,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3313r/min,電流為0A。</p><p> 圖3-5空載無(wú)電
50、網(wǎng)擾動(dòng)的ASR輸入、輸出曲線</p><p> 曲線分析: ASR輸入、輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí),輸入信號(hào)快速達(dá)到2.93。隨后緩慢下降至-0.312之后一直保持不變,ASR輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí)為1.42,在5.9秒時(shí)降至為0之后保持不變。</p><p> 圖3-6空載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)的ACR輸入、輸出曲線</p><p> 曲線分析: ACR輸入、輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí),輸入信號(hào)在1s
51、時(shí)開(kāi)始上升至1.42保持到6秒時(shí)開(kāi)始下降至0隨后保持不變。ACR輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí)會(huì)有一個(gè)超調(diào)調(diào)節(jié)隨后上升至1025并保持不變。</p><p> 圖3-7額定負(fù)載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線</p><p> 曲線分析:轉(zhuǎn)速曲線由開(kāi)始逐漸上升,達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)短暫超調(diào)調(diào)整后,轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)定2998r/min。隨后保持不變。</p><p> 圖3-8額定負(fù)載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)的電流
52、曲線</p><p> 曲線分析:電流曲線快速上升,達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)短暫超調(diào)調(diào)整后,電流穩(wěn)定在允許的最大電流值一段時(shí)間,隨后慢慢下降至額定電流并保持不變。</p><p> 圖3-9額定負(fù)載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流曲線</p><p> 曲線分析:電流曲線開(kāi)始時(shí)逐漸上升,電機(jī)不轉(zhuǎn),當(dāng)達(dá)到負(fù)載電流值后,轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升,當(dāng)電流達(dá)到限幅值后,電流保持不變,轉(zhuǎn)速快速上升,當(dāng)
53、轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)超調(diào)穩(wěn)定后,電流下降至額定電流并保持不變。</p><p> 圖3-10額定負(fù)載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)ASR輸入、輸出曲線</p><p> 曲線分析: ASR輸入、輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí),輸入信號(hào)快速達(dá)到2.98。隨后緩慢下降至0.02之后一直保持不變,ASR輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí)為1.42,并保持不變。</p><p> 圖3-11額定負(fù)載無(wú)電網(wǎng)擾動(dòng)ACR輸入、輸出曲線<
54、;/p><p> 曲線分析: ACR輸入、輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí),輸入信號(hào)在3s時(shí)開(kāi)始上升至0.47并保持不變。ACR輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí)會(huì)有一個(gè)超調(diào)調(diào)節(jié)隨后上升至1025并保持不變。</p><p> 圖3-12空載 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線</p><p> 曲線分析:轉(zhuǎn)速曲線由開(kāi)始逐漸上升,達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)短暫超調(diào)調(diào)整后,轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)定3313r/min。在5秒時(shí)加電網(wǎng)電壓擾動(dòng)
55、,轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降至2981r/min并保持不變。</p><p> 圖3-13空載 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的電流曲線</p><p> 曲線分析:電流曲線快速上升,達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)超調(diào)調(diào)整后,電流穩(wěn)定在允許的最大電流值一段時(shí)間,隨后慢慢下降0A,在第5秒加電網(wǎng)電壓擾動(dòng),電流下降至-73A隨后恢復(fù)到0A并保持不變。</p><p> 圖3-14空載 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流曲
56、線</p><p> 曲線分析:電流曲線開(kāi)始時(shí)迅速上升,電機(jī)不轉(zhuǎn),當(dāng)達(dá)到負(fù)載電流值后,轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升,當(dāng)電流達(dá)到限幅值后,電流保持不變,轉(zhuǎn)速快速上升,當(dāng)轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)超調(diào)穩(wěn)定3313r/min保持不變,電流下降至0A并保持不變。在第5秒加電網(wǎng)電壓擾動(dòng),電流下降至-73A隨后恢復(fù)到0A并保持不變,轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降至2981r/min并保持不變。</p><p> 圖3-15空載電網(wǎng)電壓擾動(dòng)ASR輸入
57、、輸出曲線</p><p> 曲線分析: ASR輸入、輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí),輸入信號(hào)快速達(dá)到2.93。隨后緩慢下降至-0.312之后一直保持不變,ASR輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí)為1.42并保持不變。在第5秒加電網(wǎng)電壓擾動(dòng),ASR輸入上升至0.0186并保持不變,輸出一直不變。</p><p> 圖3-16空載電網(wǎng)電壓擾動(dòng)ACR輸入、輸出曲線</p><p> 曲線分析: AC
58、R輸入、輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí),輸入信號(hào)在1s時(shí)開(kāi)始上升至1.42保持到5秒擾動(dòng)時(shí)上升至2.15之后下降至1.42隨后保持不變。ACR輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí)會(huì)有一個(gè)超調(diào)調(diào)節(jié)隨后上升至1025并保持不變。</p><p> 圖3-17額定負(fù)載 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線</p><p> 曲線分析:轉(zhuǎn)速曲線由開(kāi)始逐漸上升,達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)短暫超調(diào)調(diào)整后,轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)定2998r/min。在5秒時(shí)加電網(wǎng)電壓擾動(dòng),
59、轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降至2666r/min并保持不變。</p><p> 圖3-18額定負(fù)載 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的電流曲線</p><p> 曲線分析:電流曲線快速上升,達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)超調(diào)調(diào)整后,電流穩(wěn)定在允許的最大電流值一段時(shí)間,隨后慢慢下降95A,在第5秒加電網(wǎng)電壓擾動(dòng),電流下降至-21.95A隨后恢復(fù)到95A并保持不變。</p><p> 圖3-19額定負(fù)載 電網(wǎng)電壓擾
60、動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流曲線</p><p> 曲線分析:轉(zhuǎn)速曲線由開(kāi)始逐漸上升,達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)短暫超調(diào)調(diào)整后,轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)定2998r/min。在5秒時(shí)加電網(wǎng)電壓擾動(dòng),轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降至2666r/min并保持不變。電流曲線快速上升,達(dá)到峰值,經(jīng)過(guò)超調(diào)調(diào)整后,電流穩(wěn)定在允許的最大電流值一段時(shí)間,隨后慢慢下降95A,在第5秒加電網(wǎng)電壓擾動(dòng),電流下降至-21.95A隨后恢復(fù)到95A并保持不變。</p><p&
61、gt; 圖3-20額定負(fù)載電網(wǎng)電壓擾動(dòng)ASR輸入、輸出曲線</p><p> 曲線分析: ASR輸入、輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí),輸入信號(hào)快速達(dá)到2.98。隨后緩慢下降至0.002之后一直保持不變,ASR輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí)為1.42并保持不變。在第5秒加電網(wǎng)電壓擾動(dòng),ASR輸入上升至0.333并保持不變,輸出一直不變。</p><p> 圖3-21額定負(fù)載電網(wǎng)電壓擾動(dòng)ASR輸入、輸出曲線</p
62、><p> 曲線分析: ACR輸入、輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí),輸入信號(hào)在3s時(shí)開(kāi)始上升至0.47保持到5秒擾動(dòng)時(shí)上升至1.2之后下降至0.47隨后保持不變。ACR輸出信號(hào)開(kāi)始時(shí)會(huì)有一個(gè)超調(diào)調(diào)節(jié)隨后上升至1025并保持不變。</p><p> 四、基于微控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p> 1、設(shè)計(jì)基于H橋電路的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通方法及電路圖</p>&
63、lt;p><b> 圖4-1H橋電路圖</b></p><p> 2、設(shè)計(jì)基于微控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的軟件流程圖</p><p> 圖4-2 主程序框圖圖4-3 電流反饋程序框圖</p><p> 圖4-4轉(zhuǎn)速環(huán)流程圖</p><p> 3、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)</p><
64、p> C語(yǔ)言程序見(jiàn)附錄Ⅱ。</p><p><b> 五、心得總結(jié)</b></p><p> 本次課設(shè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)讓我對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和電流控制有了更深刻的了解,同時(shí)在課設(shè)期間學(xué)習(xí)了如何運(yùn)用MATLAB中的Simulink進(jìn)行模型搭建和計(jì)算仿真。課設(shè)初期還不確定要校正哪一類典型系統(tǒng),后來(lái)通過(guò)仔細(xì)閱讀課本及查詢資料以及請(qǐng)教老師,知道了
65、電流環(huán)應(yīng)以跟隨性為主,應(yīng)選用Ⅰ型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的,要校正成Ⅰ型系統(tǒng)應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面增加了一個(gè)積分環(huán)節(jié),所以轉(zhuǎn)速環(huán)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速環(huán)就選擇Ⅱ型系統(tǒng)了。再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速電流控制環(huán)時(shí)發(fā)現(xiàn)它們有很多的共同點(diǎn):結(jié)構(gòu)框圖化簡(jiǎn)、調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇、調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算、調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)、近似條件的檢驗(yàn)等步驟。在沒(méi)有設(shè)計(jì)前對(duì)雙閉環(huán)的一些參數(shù)和表示符號(hào)總是混淆,但是通過(guò)親自設(shè)計(jì)、通過(guò)自己反復(fù)模擬仿真,
66、逐漸地明白了各個(gè)參數(shù)的關(guān)系及來(lái)龍去脈和它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系,同時(shí)大大提高了我對(duì)MATLAB的操作的熟練程度。</p><p> 這次課程設(shè)計(jì)提高了我獨(dú)立思考,查閱資料的能力,是我更熟練掌握課本知識(shí),將書(shū)本內(nèi)容結(jié)合到實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)我的能力是一個(gè)很大的提升。在此非常感謝張大明老師和張麗萍老師的悉心指導(dǎo)。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p>&l
67、t;p> [1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社,2003</p><p> [2]王成元主編.現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社,2009</p><p> [3]陳堅(jiān).電力電子技術(shù). 高等教育出版社,2004</p><p> [4]王兆安.電力電子技術(shù)(第4版). 機(jī)械工業(yè)出版社,2011</p><p
68、> [5]孫亮.自動(dòng)控制原理(第三版). 高等教育出版社,2011</p><p> [6]胡壽松.自動(dòng)控制原理(第6版). 科學(xué)出版社,2013</p><p> [7]湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)(第四版). 機(jī)械工業(yè)出版社,2011</p><p> [8]彭鴻才.電機(jī)原理及拖動(dòng)(第二版). 機(jī)械工業(yè)出版社,2007</p><p>
69、 [9]馮明義. 設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的震蕩指標(biāo).信息與控制,1978(2) </p><p> [10]謝宗安.自動(dòng)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社,1996</p><p> [11]Texas Instruments Second Generation TMS320 User`s Guide,1995</p><p> [12]周德澤,電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 機(jī)械
70、工業(yè)出版社,1985</p><p> [13]賴福新. 電機(jī)控制系統(tǒng).上海交通大學(xué)出版社,1995</p><p> [14]Leonhard,W.Control of Electrical Drives 3rd ed.Springer- verlag,2001 </p><p> [15]Bord D.M. Novotny D.W.Cyrrent
71、 Control of VSI-PWM Inverter.IEEE Trans.IA,1985,21(2)</p><p> [16]王離九.電力拖動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng).中華理工大學(xué)出版社,1991</p><p> [17]蘇彥民.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)控制.西安交通大學(xué)出版社,1988 </p><p> [18]Depenbrock M.Direct Sel
72、f Control(DSC) of Inverter-fed Induction Machine.IEEE Trans.PE,1988(4)</p><p> [19]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制.北京航空航天大學(xué)出版社, 2011</p><p> [20]孫立志.PWM與數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用.中國(guó)電力出版社,2008</p><p><b>
73、附錄Ⅰ</b></p><p> 含有動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中各參數(shù)的M文件</p><p> Ton=0.005;</p><p> Toi=0.002;</p><p><b> Ks=0.117;</b></p><p> Ts=0.000005;</p><p
74、><b> R=0.12;</b></p><p><b> Tl=0.04;</b></p><p> Tm=0.1534;</p><p> Ce=0.0362;</p><p><b> b=0.01;%A</b></p><p>
75、 a=0.001; %A</p><p> Kn=30.816;</p><p> A=684.04;%Kn/On</p><p> Ki=1023.1;</p><p> B=25577.5;%Ki/Oi</p><p><b> 附錄Ⅱ</b></p><p&g
76、t;<b> C語(yǔ)言程序:</b></p><p> #include <hidef.h></p><p> #define dataportb</p><p> #define data _dir ddrb</p><p> #define uint unsigned int</p>
77、<p> #define uchar unsigned char</p><p> void delay_xms(int a); </p><p> double f,g,h,i,j,k,s ;</p><p> void delay_xms(int a) </p><p><b> {</b>
78、</p><p><b> int i;</b></p><p> for(i=0;i<x;i++);</p><p><b> }</b></p><p> void setbus_64M()</p><p><b> {</b><
79、;/p><p> CLKSEL=0x00;</p><p> PLLCTL_PLLON=1;</p><p> SYNR=0xc3;</p><p> REFDV=0xc0;</p><p> POSTDIV=0x00;</p><p> _asm(nop);</p>&l
80、t;p> _asm(nop);</p><p> while(!(CRGFLG_LOCK==1));</p><p> CLKSEL_PLLSEL=1;</p><p><b> }</b></p><p> void ad_init()</p><p><b> {&
81、lt;/b></p><p> ATD0CTL2=0xc0;</p><p> ATD0CTL3=0x08;</p><p> ATD0CTL4=0x0f;</p><p> ATD0CTL5=0xa0;</p><p><b> }</b></p><p>
82、; void pit_init()</p><p><b> {</b></p><p> PITMTLD0=200;</p><p> PITCFLMT|=0x83;</p><p> PITMUX&=0xfe;</p><p> PITLD0=16000;</p>
83、;<p> PITINTE|=0x01;</p><p> PITFLT|=0x01;</p><p> PITCE|=0x01;</p><p><b> }</b></p><p> void pwm_init()</p><p><b> {</b&
84、gt;</p><p> PWMCLK=0x00;</p><p> PWMPRCLK=0x66;</p><p> PWMCAE=0x00;</p><p> PWMPOL=0xff;</p><p> PWMPER0=201;</p><p> PWMDTY0=41;</p
85、><p> PWME=0x01;</p><p><b> }</b></p><p> void ECT_init()</p><p><b> {</b></p><p> PACTL_PAEN=0;</p><p> PACTL_PAMO
86、D=0;</p><p> PACTL_PEDGE=0;</p><p> PACTL_CLK1=0;</p><p> PACTL_CLK0=0;</p><p> PACTL_PAOVI=0;</p><p> PACTL_PAI=0;</p><p><b> PAC
87、NT=0;</b></p><p> PAFLG_PAOVF=1;</p><p> PAFLG_PAIF=1;</p><p> PACTL_PAEN=1;</p><p><b> }</b></p><p> #pragma CODE_SEG __NEAR_SEG NO
88、N_BANKED</p><p> void interrupt 66 pit0()</p><p><b> {</b></p><p> PITTF=0x01;</p><p> while(!ATD0STAT0_SCF);</p><p> AD_data =ATD0DR0H ;&
89、lt;/p><p> PACTL_PAEN=0;</p><p><b> f=PACNT;</b></p><p><b> PACNT=0;</b></p><p> PACTL_PAEN=1;</p><p><b> }</b></p
90、><p> void main(void) </p><p><b> {</b></p><p> Ton=0.005;Kn=30.816; Fn=0.312;Toi=0.002;</p><p> Ki=1023.1;Fi=0.05; Ks=0.117;Ts=0.005;</p><p>
91、 R=0.12;Tl=0.05;Tm=0.1534;Ce=0.1005;</p><p> A=0.0008;B=0.02;</p><p> DisableInterrupts;</p><p> setbus_64M();</p><p> ad_init();</p><p> pit_init();
92、</p><p> pwm_init();</p><p> ECT_init();</p><p> EnableInterrupts;</p><p> delay_xms(1000);</p><p> c=f*A/(Ton*s+1);</p><p> d=AD_data*B
93、/(Toi*s+1);</p><p> e=(1/(Ton*s+1)-g)*Kn*(Fn*A+1)/(Fn*s)/(Toi*s+1);</p><p> f=(i-h)*Ki*(Fi*s+1)/(Fi*s)*Ks/(Ts*s+1); </p><p><b> for(;;) </b></p><p><
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