毕业论文-于基vm的双闭环直流运动控制系统的设计和校正开题报告.doc

基于V-M的双闭环直流运动控制系统的设计和校正

教学单位：机械与材料学院
1 绪论
1．1 课题的来源、研究背景及意义
电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。
20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。
直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，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较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。
尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。
1.2 相关课题的发展历史
控制系统其实从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年代开始，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等。
70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参 数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。
1975年前后，在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统 (DCS)。由于当时计算机并不普及，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时，开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。
在以后的近30年间，DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。
1.2.2 PLC的诞生和发展
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。
20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
1.2.3 PC技术推动了工控机技术的发展
历史上，VME总线工业控制机一直是许多嵌入式应用的首选机型。1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，1996年的新标准VME64(ANSI/VITA1-1994)将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80Mbps。由Force Computers制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320Mbps。VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，并由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线最新产品已经采用了500MHz的Pentium Ⅲ处理器。
    由于用户希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具，导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。除了VME总线工控机外，产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机，其中比较有代表性的是CompactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、 PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。
1995年6月PCI SIG正式公布了PCI 局部总线规范2.1版，同时PICMG推出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准。为了将PCI SIG的PCI总线规范用在工业控制计算机系统，1995年11月PCI工业计算机制造者联合会(PICMG)颁布了CompactPCI规范1.0版。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言，由于总体成本高、技术开发难度大、无源背板定义并不完全统一导致模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，CompactPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用，反而在电信市场获得广泛应用。
1.2.4 现场总线控制系统
现场总线技术是从80年代后期诞生的网络通信技术，经历十几年左右的发展，国际上出现了几个有代表性的现场总线标准和几个系列产品，较流行的有:
(1) Profibus现场总线
    它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。
(2) 控制局域网(Control Area Network，CAN)控制网络
    最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间数据通信。
    此外还值得一提的是，可寻址远程传感器数据公路(Highway Addressable Remote Transducer，HART)协议，它是由美国Rosemount公司最早推出的一种兼容4~20mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。
(3) 基金会现场总线(Foundation Fieldbus)
    在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议；另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的World FIP协议。这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF)，致力于开发国际上统一的现场总线协议。
(4) LonWork(Local Operating Network局部操作网)现场总线
    它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1.5Mbps,传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。
1．3 国内外的主要研究工作和研究成果
近30年来，电力拖动系统得到了迅猛的发展。但技术革新是永无止尽的，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开：
（1）采用新型电力电子器件
电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块（IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。
传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。
（2）应用现代控制理论
在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两方面原因：第一是高性能处理器的应用，使得复杂的运算得以实时完成。第二是在辨识，参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。
（3）采用总线技术
现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。
（4）内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域
当今是网络时代，信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。这种控制系统采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件Linux操作系统的数字式伺服系统。
1.4 本文主要开展的研究工作
根据本课题的实际情况，宜从以下几个方面入手分析：
（1）直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型；
（2）双闭环直流调速的工程设计；
（3）应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正。
本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。

2 文献综述
2.1 文献简介
（1）在由阮毅、陈维钧主编的《运动控制系统》[1]一书中，以控制规律为主线，按照交流到直流、从开环到闭环（单闭环、双闭环）、从调速到伺服循序渐进，系统简介的介绍了运动控制系统所涉及的基本知识。涵盖了自动控制理论、电力电子技术、机电与拖动基础、计算机控制系统、检测技术、电路等多方面。通过性能分析与比较，解决电动机控制问题使其达到良好的启动与调速性能，一步步由电源选择、调速方法选择、调速系统选择、单闭环双闭环的选择等逐层递进介绍了多种调速方案的优点、缺点和改进措施。其中闭环控制的直流调速系统一章对我帮助很大，涉及了基于MATLAB软件的系统仿真。但是由于篇幅有限，很多地方介绍过于粗浅，比如触发脉冲相位角控制部分没有提及具体的控制大小的实现电路和原理。
（2）邓星钟教授在其主编的《机电传动控制》[2]中突出机电结合、电为机用的特点，力求理论联系实际，元器件的介绍着重于外部特性和在拖动控制系统中的应用。内容包含：机电、控制电器、检测元件、拖动基础、传动系统的过渡过程、有触点控制、电力电子技术、直流伺服、交流伺服、步进电动机的开、闭环控制系统等。其中对电机的控制过程有清晰全方面的介绍，对于理解电机启动和调速控制很有帮助。在电力电子器件方面注重在实际应用，并对控制电路、控制原理都有深入的解析。比如详细得论述了触发脉冲相位角的控制。
（3）在杨叔子 杨克冲主编的《机械工程控制基础》[3]侧重于让读者对系统设计有一个完整的了解，从系统所需的基本概念、系统的数学模型的建立、时间响应的分析、频率特性分析、系统的稳定性、系统的性能指标与校正、非线性系统、线性离散系统及系统辨识等。并介绍了MATLAB的使用实例。对于系统模型的建立和稳定性分析校正很清晰。在设计中对于整个系统的理解很重要。但是侧重于系统的问题。
（4）曾令琴、赵胜会主编的《电工学（II）》[4]介绍电工学的电子技术部分，内容大多为电子技术的传统内容，包括晶闸管的结构和特性、放大电路及其工作原理与特点、用途、集成运算放大电路、稳压电路、整流电路、滤波电路等。还涵盖了数字电子技术部分。整体上内容较为单一，不像以上基本著作那么覆盖多学科交叉内容。
2.2 总结
以上专著包含多方面知识，有电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、电路等都是设计电流、转速双闭环直流调速系统所必需。首先，《运动控制系统》为我解决了为什么选择双闭环系统，为什么选择直流电源的问题，知道了设计该课题的必要性和优越性，其对双闭环直流调速系统的特性详细得接受，更有助于理解。其次，《机械工程控制基础》回答了怎样建立系统模型得出系统的传递函数、怎样判定系统稳定性、怎样进行校正等问题。而《机电传动控制》和《电工学（II）》解决所涉及的系统怎么实现的问题，即对各种原件和电路选型和参数要求。总之，本设计课题是一个多学科交织的，涉及的只是很广，需要参考多门专著学习基本知识技能才能完成最终的设计任务。

3 设计思路
3.1 设计方框图
设计方框图[5]如下图所示，这是大体的设计思路，供后续细致设计过程参考。

图3-1 设计方框图
3.2 设计任务和要求
设计电流、转速双闭环直流调速系统并校正系统稳定性。
生产机械运动的驱动电动机D：
PN=10kW，UN=220V，IN=Id=55A， nN=1000r/min，Ra=0.5Ω，
Ce=0.192V·min/r，GD2=10N·m2，L=17Mh，Ts=1.67ms，Cm=30/π
生产机械要求：调速范围[6]D=10，静差率s=5%
3.3 系统总体结构设计
3.3.1转速、电流双闭环调速系统概述
采用转速负反馈和PI调节器[7]的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输人端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢?双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。
3.3.2双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图3-2所示。

图 3-2 转速、电流双闭环直流调速系统
ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—转速测量装置
TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器

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晶闸管整流器的触发装置[8]。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速 调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图3-3双闭环直流调速系统原理图
为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理如图3-3所示。
3.3.3相控整流器-电动机系统原理
（1）相控整流器-直流电动机调速系统简称V-M系统，原理图如下：

图3-4 V-M系统原理图
VT是相控整流器，GT为触发装置，Uc为触发装置的控制电压，通过调节Uc来移动触发脉冲的相位，可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。
（2）相控整流器-电动机系统的机械特性
（3）晶闸管触发电路和整流装置的控制规律和数学模型
晶闸管触发和整流装置是一个纯滞后环节，其滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。通过输入阶跃信号1（t），得到晶闸管触发与整流装置的输入输出关系式，再经过拉式变换得到其原始传递函数是一个非最小相位系统，最后依据工程近似处理的原则，忽略高次项，可把整流装置近似看作一阶惯性环节，其传递函数可以表示为

其动态结构框图如有图所示

图3-5 晶闸管触发与整流装置动态结构框图
3.4 系统各环节设计和校正
3.4.1 电流调节器
（1）电流环结构图的简化

图 3-6 双闭环调速系统的动态结构框图
Toi—电流反馈滤波时间常数 Ton—转速反馈滤波时间常数
如图3-6所示反电动势E与电流反馈的作用相互交叉，给设计带来麻烦，须简化。因电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，转速变化比电流变化慢得多，因此，对电流环的电流瞬变过程来说E基本不变，△E≈0，即暂且把E的作用去掉，得到忽略E影响的电流环近似结构图如图3-7所示，等效简化后得：

图 3-7 电流环的动态结构框图及其化简
（2）电流环结构选择
从动态要求来看，电流环的一项重要作用就是保持电动机电枢电流在动态过程中不超过允许值，即在突加控制作用时不希望有超调，或者超调越小越好。从这一考虑出发，应该把电流环校正为典型I型系统。电流环的另一个重要作用是对电网电压波动的及时调节，从提高抗扰性能的观点出发又希望吧电流环校正成典型II型系统。电流环按典型I系统设计，电流调节器选用PI调节器，其传递函数为

（3）传递函数参数计算
（4）调节器结构和电路参数计算
电流调节器原理如图3-8所示，按电路计算各原件的参数，确定电流调节器。

图3-8 含滤波环节的PI型电流调节器
3.4.2 转速调节器
转速调节器设计与电流调节器的设计过程类似。
（1）转速环的简化

a)

b)

c)
图 3-9 转速环的动态结构框图及简化
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)校正后成为典型三阶系统

（2）转速环结构选择
由于设计有静差要求，因此转速调节器必须含有积分环节，有考虑到动态要求，转速调节器应采用PI调节器，按典型II型系统设计转速环。转速调节器的传递函数为

（3）传递函数参数计算
（4）调节器电路参数计算
转速调节器原理如图3-10所示，取，计算各元件参数，确定调节器。

图3-10 含滤波环节的PI型转速调节器
3.4.3 变压器参数计算
一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。
首先选择主变压器电路的接法，然后计算变压器两侧的电压、电流及变压器的容量。
3.4.4 晶闸管参数及其他
晶闸管需要计算出额定电压和额定电流，进行选型。
电源选型，根据需要进行放大器、可控电源、反馈装置的选型，得出参数，进行系统的具体计算。
3.5 建立系统结构模型
3.5.1晶闸管触发电流和整流装置的数学模型

3.5.2 电流与电压间、感应电势与电流之间的数学模型
电流[9]与电压之间的传递函数：

感应电势与电流之间的传递函数：

3.5.3 测速、电流反馈环节
测速环节传递函数：

电流反馈环节传递函数：

3.5.4 系统的结构框图
根据各环节得到的传递函数，构造出整个系统的结构框图，如图3-11和3-12所示。

图 3-11 双闭环直流调速系统的稳态结构框图
α—转速反馈系数 β—电流反馈系数

图 3-12 双闭环直流调速系统的动态结构框图
3.6 系统仿真
运用MATLAB[10]仿真[11]软件分别对系统电流环和转速环进行仿真校验得出波形图进行分析。其工作界面如图3-13和3-14所示。

图3-13 SIMULINK模块浏览器窗口

图3-14 仿真模型建立设置窗口

参考文献
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