毕业设计双闭环直流调速系统控制器的设计.doc
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1、 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
2、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.
3、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
4、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 c
5、losed 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
6、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,
7、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
8、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,
9、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
10、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
11、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、
12、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
13、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
14、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Nm; 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
15、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
16、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。
17、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。
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、,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
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