数字式直流电动机调速控制系统.doc
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1、数字式直流电动机调速控制系统 作者: 日期:2 个人收集整理 勿做商业用途前言可控硅供电的双闭环直流调速系统进入20世纪80年代后,因为微电子技术的快速发展,电路的集成度越来越高,对运动控制系统产生了很重要的影响,运动控制系统的控制方式迅速向微机控制方向发展,并由硬件控制转向软件控制,智能化的软件控制将成为运动控制系统的一个发展趋势.在工程设计与理论学习过程中,会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法,实验法与仿真实验,其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性1.以计算机作为工具的计算和仿真技术能为各种不同的控制系统提供一种方便,灵活多变的“
2、活的数学模型”,在这个“活的数学模型”上进行实验研究,不仅省钱,而且安全,周期短、见效快.鉴于上述优点,我们需要研究既能够进行直流双闭环的控制,又能将设计结果进行仿真的系统,以方便工程设计和理论学习2。是电气传动领域中应用比较广泛,在理论和实践方面都是比较成熟的系统。由于它的技术性能优越,在轧钢机、矿井卷扬、挖掘机、造纸机和各种金属切削机床等方面得到了日益广泛的应用.而传统的单闭环调速系统,采用转速负反馈和PI调节器虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差,被调量也能紧紧跟随信号量的变化,被包围在负反馈环内的一切主通道上的扰动都能有效地加以抑制,但具有比例放大器的单闭环控制系统是有静差的,
3、且对给定电源和检测装置中的扰动是无能为力的,另外如果对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足要求。而双闭环调速系统能很好的解决以上的不足3。直流电机双闭环(电流环、转速环)调速系统是一种当前应用广泛,经济,适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。是目前直流调速系统中的主流设备,具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点,在理论和实践方面都是比较成熟的系统,在拖动领域中发挥极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基
4、础,此设计就直流电机调速进行了较系统的研究,从直流电机的基本特性到单闭环调速系统,然后进行双闭环直流电机的设计,并建立系统各环节的数字模型,建立系统的动态结构图。并用Matlab/Simulink工具建立系统的仿真结构图,进行仿真分析4。1 第1章 绪论1。1 MATLAB概述1.1。1 Matlab简介Matlab是功能强大的科学及工程计算软件,它不但具有以矩阵计算为基础的强大数学计算和分析功能,而且还具有丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力.Matlab的应用领域极为广泛,除数学计算和分析外,还被广泛地应用于自动控制、系统仿真、数字信号处理、图形图象分析、数理统计、人工智能、虚拟现
5、实技术、通信工程、金融系统等领域,因此,Matlab是面向21世纪的计算机程序设计及科学计算语言5.1.1。2 Matlab6的主要特点Matlab的主要特点为:(1)改变了5。X以前版本的单一命令窗口方式,推出了一个全新的开发环境,它将一些常用的交互工作界面高度地集成于操作桌面,使工作环境发生了质的变化。(2)加强了基本平台函数和工具箱函数的可视化功能,许多常用的功能和函数都由单纯的命令行方式改变为交互式图形界面方式,使用更加方便。(3)在数值处理方面增加了许多新的功能,不仅增加了许多新函数,还更新了部分函数的功能和算法。(4)在程序设计方面向面向对象的编程方式过渡,引入了类和对象概念,引入
6、了函数句柄的概念,用户可以为任何Matlab函数创建函数句柄,为大型程序设计提供了方便。(5)在命令窗口增加了错误跟踪功能,当运行M文件出现错误时,点击命令窗口中带有下划线的错误信息,就可以找开出现错误的M文件,并找到相应的程序行。(6)在一些常用的窗口中增加了一些实用的功能。如在绘图窗口中增加了曲线拟合、数年统计等交互工具,在工作空间窗口中增加了各种绘图工具等。(7)对编辑/调试器的界面及功能做了改进,增加了行号和书签等功能。(8)提供了新的图形对象属性编缉器,功能更加强大,使用更加方便。(9)提供了一个与以前完全不同的图形用户界面开发工具,将Matlab带入了一个以图形用户界面设计为基础的
7、程序开发的新阶段,在使用上更加方便灵活。(10)对部分工具箱的功能进行了改进和加强,特别是Matlab6新增加了虚拟现实工具箱,采用标准的虚拟现实建模语言(VRML)技术,可以建立由Matlab和Simulink环境驱动的动态三态场景6。(11)增加了与Java的接口,并为二者的数据交换提供了相应的程序库。1.1。3 Matlab的主要组成部分Matlab系统包括5个主要部分(1)开发环境Matlab开发环境由一组工具和组件组成,这些工具中图形化的用户界面,包括Matlab桌面的命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览器、文件的搜索路径浏览器。(2)Matlab数学函数库Matla
8、b集成了丰富的数学函数库,其强大的计算能力覆盖了从基本函数(如求和、正弦和复数运算等)到高级函数(如矩阵求逆、矩阵特征值、贝赛尔函数和快速傅里叶变换等)的范围。(3)Matlab语言Matlab语言是一种以矩阵运算为基础的高级语言,包括控制流的描述、函数、数据结构、输入输出及面向对象的编程环境,既可以编制快速使用小程序,也可以编制大型复杂的应用程序。(4)图形功能Matlab提供了功能强大的图形系统,既可以用高级命令完成二维和三维数据的可视化、图像处理、动画和图形表达等功能,也可以通过使用图形句柄完成复杂的图形功能,实现对所有图形对象的操作。(5)应用程序接口(API)Matlab还提供了应用
9、程序接口库函数,允许用户使用C或FORTRAN语言编写程序与Matlab连接,功能包括与Matlab的动态连接、调用Matlab作为运算引擎、读写MAT文件等7.1.1.4 Matlab的Simulink介绍Simulink是实现动态系统建模的集成环境,其主要的功能是对动态系统进行仿真和分析,预先模拟实际系统的特性和响应,根据设计及使用的要求,对系统进行修改和优化,以提高系统的性能,实现高效开发系统的目标。使用传统的方法实现系统的模拟和仿真,需要将系统的模块函数转化为微分或差分方程,再用某种程序设计语言(如C语言等)编程进行仿真运算.Simulink提供了图形化的用户界面,用户只需点击鼠标,就
10、可以轻易地完成模型的创建、调试和仿真工作,这样就大大降低了仿真的难度,用户不需为了完成仿真工作而去学习某种程序设计语言8。Simulink提供了大量的系统模块,包括信号、运算、显示和系统等多方面的功能,可以创建各种类型的仿真系统,实现丰富的仿真功能.用户也可以定义自己的模块,进一步扩展模型的范围和功能,以满足不同的需求。由于matlab和simulink是集成在一起的,因此用户可以在两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改.不用命令行编程,由方框图产生m文件(s函数).当创建好的框图保存后,相应的m文件就自动生成,这个。m文件包含了该框图的所有图形及数学关系信息。框图表示比较直观,容易构造,
11、运行速度较快9。为了创建大型系统,Simulink提供了系统分层排列的功能,类似于系统的设计。在Simulink中可以将系统分为高级到低级的几个层次,每层又可以细分为几个部分,每层系统构建完成后,将各层连接起来构成了一个完整的系统。模型创建完成之后,可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性。Simulink内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等,仿真结果可以以图形的方式显示在示波器窗口,以便于用户观察系统的输出结果。Simulink的输出结果可以以变量的形式保存起来,并输入到Matlab中以完成进一步的分析10。Simulink可以仿真线性或非线性系统,并能够创建连续时间、离
12、散时间或二者混合的系统。Simulink还支持多采样频率系统,即不同的系统能够以不同的采样频率进行组合,可以仿真较大较复杂的系统。模型的创建与定义、模型的分析以及修正是使用Simulink的三大步骤,下图就显示了典型的Simulink工作框图。模型建构和定义显示修正 模型的分析图11 Simulink操作图Simulink仿真原理是:当在框图视窗中进行仿真的同时,matlab实际上是运行保存于Simulink内存中s函数的映象文件,而不是解释运行该m文件。s函数并不是标准m文件,它m文件的一种特殊形式。结构图创建方法一个动态系统的创建过程,就是一个方框图的绘制过程。Simulink优点:适应面
13、广,包括线性、非线性系统;离散、连续系统;结构和流程清晰,以方块图形式呈现;仿真精细、贴近实际11。1.2设计任务建立系统的动态结构图。用Matlab/simulink工具建立系统的仿真结构图,进行仿真分析。主要指标参数:(1)稳态指标:转速无静差。(2)动态指标:电流超调量5,空载起动到额定转速的转速超调量10.1.3设计意义下面从数字式直流电机调速控制技术和用数字式直流调速技术设计的优势两方面说明设计的意义。1。3。1数字式直流调速控制技术直流调速具有调速范围宽、调速平滑、启动转矩大、启动性能好等优点,因而在工业传动系统中得到广泛的应用。传统直流调速系统的触发器及调节器都由模拟电路实现,其
14、缺点是:(1)触发精度易受电网电压波动的影响。(2)触发脉冲不对称度较大。(3)调节器中的运算放大器会因电网电压和温度变化引起的漂移而产生运算误差。(4)模拟器件的老化也会引起运算误差,甚至使得已整定到的系统性能变差。20世纪80年代以来,随着计算机技术及通信技术的发展,出现了数字式直流调速系统,使直流调速的发展出现了新的生机。早期的研究限于用数字调节器代替模拟调节器,即用微机执行数字PID运算程序代替模拟转速调节器和电流调节器,转速给定、转速反馈和电流反馈经A/D转化器变成数字量作为可控整流装置的触发控制电压。这种方式 克服了电网电压波动对触发精度的影响,在一定的程度上减小了因器件老化,电网
15、电压和温度变化引起的运算误差,但不能充分发挥计算机的信息处理能力,缺乏实用性。后来在上述基础上增添了数字触发器,主要是利微机的定时功能,通过接口产生移相脉冲,经功放后触发三相全控制桥。这样便形成了数字化的直流调速装置,也就是通常所说的数字式直流调速装置12.1.3.2用数字式直流调速技术设计的优势目前在不少机械制造企业中使用的B2151、B2152等大中型龙门我刨床,其所用KTS300/200直流无级调速控制柜属于可控制逻辑控制无环流可逆直流调速控制系统。这种传统的可控直流调速控制回路的硬件设备极其复杂,故障率较高,维修的费用高,该控制技术显得过时.对已经商品化集成化的产品进行微机化全数字式直
16、流控制系统的更新改造,有极高的经济价值和应用前景。目前全球进入数字化时代,先进制造技术是改造传统制造企业的有效手段,纵观国内外先进制造技术的现状和发展,可看到数字化制造技术是先进制造技术的核心技术,是实施其先进制造技术的平台.数字化技术是制造业优质低耗,降低成本和快速响应市场的首选技术13。由于电力电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展.使得直流调速系统数字式方面的研究受到了很多国家的重视。现阶段较先进的机床直流调速系统是采用微机化数字控制的直流调速控制器,如GE公司的DC系列、CT公司的MENTOR等。它们的产品成功地用于冷、热连轧机以及卷取机张力控制等生产机械,而且由过程模块组成,其结构
17、和参数设置简单方便,工作稳定,不受环境影响,具有很强的自动保护功能,因而使传动系统不仅具有极大的灵活性,而且具有很高的可靠性.对被控对象电动机的各种状态量可实现快速、宽范围、高分辨率、高精度的检测,为高性能传动系统的实现提供了基本条件.数字式传动装置控制器内有多种形式的存储器,能存储大量的实时数据,实现系统的保护,故障自诊所,报警显示,波形分析,故障自动复原等多种原先难以实现的功能。数字控制器具有很强的通信组网功能,不仅可与上位机通信,而且在数字式直流传动装置之间、PLC之间和数字式交流传动装置之间都可以通过网络进行快速数据交换,实现生产过程的全局自动化。数字控制不仅简化了系统的硬件结构,使维
18、修方便,故障率下降,提高系统运行的可靠性,而且可以方便地对外部或内部信息实现数字滤波,提高系统的抗干扰能力14。目前,国内的数字式直流控制装置主要是采用单片机结构数字调节器数字触发器,由于系统硬件结构复杂,单片机浮点运算能力差,因此只能完成简单的控制算法,难以满足各种复杂的控制要求,系统运行的监控性能差。本设计针对目前国内数字直流调速系统存在的不足,引入了微型机系统作为调速系统的监控,管理和数据处理的设备,具有非常友好的人机界面,控制灵活方便,系统的硬件结构简单,计算机浮点运算性能好,响应速度快,可以实现比较复杂的控制算法,以满足不同的控制要求。第2章 直流调速系统介绍2.1基本直流调速系统2
19、.1。1直流他励电动机电气方程_直流他励电动机供电原理图21所示。由此图可得直流他励电动机的有关电气方程。 M直流电源+UdoRaIdUd+_RnR1E图21直流他励电动机供电原理图 (2-1) (22) (2-3) (24) (25) 式中,为电枢供电电源空载电压;为电动机电枢电压;E为电枢电动势;R为电枢回路总电阻;为电枢电阻;为线路或外接电阻;为供电电源内阻;n为转速,r/min; 为励磁磁通;为由电动机结构决定的电动势系数15.2。1。2直流他励电动机的调速方法由直流他励电动机转速方程可见,有三种调节转速的方法,即调节电枢供电电压,减弱励磁磁通,改变电枢总回路电阻R。(1)调节电枢电压
20、的调速。从式(3)可知,当磁通和电阻R一定时,改变电枢电压,可以平滑地调节转速n,机械特性将上下平移,受电动机绝缘性能的影响,电枢电压只能向小于额定电压的方向变化,所以这种调速方式只能在电动机额定转速以下调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢电压方式为最好,调压调速是调速系统的主要调速方式。(2)减弱励磁磁通的调速。由式(3)当和R不变时,减少励磁磁通(考虑到直流电动机额定运行时,磁路已接近饱和,因此励磁磁通只能向小于额定磁通的方向变化),电动机转速将高于额定转速,其机械特性向上移动。由于弱磁调速是在额定转速以上调速,电动机最高转速受换向器和机械强度的限制,调速范围不大.
21、在实际的生产中,往往只是配合调压方案,在额定转速以上作小范围的升速。这样,调压和调磁相结合,可以扩大调速范围。(3)改变电枢回路电阻调速。改变电枢回路电阻的调速一般是在电枢回路中串接附加电阻,损耗较大,只能进行有级调速,电动机的机械特性比固有特性软,通常应用于少数小功率场合16。2.1.3直流调速系统的供电方式实现调压调速,首先要有一个平滑可调的直流电源.常用的可调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,如晶闸管可控整流器,以获得可调的直流电压.(3)直流斩波器或脉宽调制变换器:用恒定直流电源或不
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