基于单片机的直流调速系统设计

2007-05-23 10:54:46来源: 电子测试

1. 引言

在DKSZ-1电机控制实验装置基础上增加以单片机为控制核心的数字控制器,实现了直流数字双闭环调速系统控制。

2. 系统的组成

调速系统中设置了两个调节器,分别调节转速电流。结构原理图如图1所示,图中符号的意义分别为:ASR-转速调节器;ACR-电流调节器;TG-测速发电机;TA-电流互感器;UPE-电力电子变换器U*n;-转速给定电压;Un-转速反馈电压;U*i-电流给定电压;Ui-电流反馈电压。

3. 电流环与转速环的设计

经过测量计算,确定系统的基本参数如下:直流电动机:Un=220V,1.16A,1500r/min,Ce=0.15,λ=1.3

晶闸管装置放大倍数:Ks=63.3

电枢回路总电阻:R=41.14Ω

时间常数:Tm=0.04s.TL=0.028s

电流反馈系数:β=3.3/λInom=3.3/1.5=2.188

转速反馈系数:α=2.5/1500=0.0017

稳态指标:静差率小于5%,D>10

3.1 电流环的设计

3.1.1 确定时间常数

①整流装置滞后时间常数:三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。

②电流滤波时间常数:

由于主回路的电流是脉动直流,为了能取得电流的平均值,可采用多次采样取平均值等数字滤波方法,但考虑到系统的CPU时序安排紧张,决定采用加硬件滤波环节的办法,但其时间常数应该取得小一些,取



③电流环小时间常数


按小时间常数近似处理,取

3.1.2 选择调节器结构

电流环按I型系统设计,电流调节器选用PI调节器,其传递函数为:


3.1.3 计算各调节器参数:
ACR超前时间常数: 。电流开环增益:按δI%≤5%,应取  ,因此:

则ACR的比例系数为:


3.1.4 校验近似条件
电流环截止频率Wci=KI=178.57/S

晶闸管整流装置传递函数近似条件Wci≤1/3Ts


现在,,满足近似条件。

忽略反电动势对电流环影响的条件 现在,,满足近似条件。

小时间常数近似处理条件: 现在, ,满足近似条件。

3.2 转速环的设计
3.2.1 确定时间常数

①电流环等效时间常数为

②转速滤波时间常数Ton

外加转速滤波环节,取

③转速环小时间常数

按小时间常数处理,取:


3.2.2 选择调节器结构

按典型II型系统设计转速环,ASR选用PI调节器,其传递函数为


3.2.3 计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则,取=5,则ASR的超前时间常数为: 转速环开环增益:

于是,ASR的比例系数为:

3.2.4 验近似条件

转速环截止频率为 电流环传递函数简化条件:

现在 满足简化条件。

小时间常数近似处理条件:

现在: ,满足近似条件。


4. 采样周期选择及PI控制算法

4.1 采样周期选择

根据采样定理,必须使采样频率Ws≥2Wmax,以便采样后的离散信号不会失真,ws=2π(1/Ts),为采样角频率; wmax=2πfma为信号最高角频率。按采样定理可以确定采样周期的上限值:Ts≤π/Wmax;

实际应用中,常按一定的原则,结合使用经验来选择采样周期Ts:Tmin≤Ts≤Tmax。


在一般情况下,可以令采样周期, 或用采样角频率Ws≥(4~10)Wc,Wc为控制系统的截止频率。由双闭环的设计参数知:



4.2 PI控制算法

当输入误差函数e (t),输出函数是u (t)时,PI调节器的传函: ;则,u (t)和e (t)关系的时域表达式可写成:

其中,KP=KPI,为比例系数; 为积分系数。将上式离散化成差分方程,其第k拍输出为:

5. MATLAB仿真建模与波形分析

电流调节器和转速调节器仿真模型分别采用I型和Ⅱ型系统,所用数据为按工程方法计算的参数,并根据经验略作调整,MATLAB仿真波形如图4所示。



从图4中可以看出,由于负载增大,使电枢电流出现一个小的数值增大的波动后,达到新的负载电流状态的稳定值,这个稳定值与负载增加前相比,数值变大。

由图5和图6得:突然给定电压U*n时,Un很小,所以△Un很大,ASR很快饱和,输出为最大值,电枢电流线形增加,当r>n*时,Un>U*n那么△Un变极性,ASR退饱和,转速负反馈投入运行,直到n=n*。

综上所述,起动电流根据电机起动波形,可以看到速度与电流之间的关系与理论情况基本相同。

6. 实验波形及分析

(1) 电机突加最大给定时,转速波形如图7。由于测速发电机性能的影响,使得超调现象不明显。

由图7可知,转速起动波形与SIMULINK仿真所得波形一致,达到了预期的效果。


(2) 电枢电流波形

电枢电流波形在突加给定时,在双闭环的作用下迅速上升,迫使电动机快速起动,然后迅速回落直到等于负载电流。

在图8,因为测速发电机性能和晶闸管驱动环节死区电压的影响,使得电枢电流没有恒流阶段。但波形与SIMULINK仿真所得波形趋势一致,达到了预期的效果。





关键字:数字  转速  电流  发电

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