运动控制系统.doc

1 绪论 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。 1.1直流电机的调速方法和可控直流电源 直流调速系统是自动调速系统的主要形式, 它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性，尽管直流调速系统中的直流电动机不如交流电动机]那样结构简单、制造和维护方便、价格便宜。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，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通讯设备、雷达设备，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熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，本书先着重讨论直流调速系统。 1.3课程设计课题： 带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计。 （1）直流电动机控制系统设计参数输出功率为: 7.5Kw 电枢额定电压：220V 电枢额定电流：36A 额定励磁电流：2A 额定励磁电压：110V 功率因数：0.85 电枢电阻：0.2欧姆 电枢回路电感：100mH 电机机电时间常数：2S 电枢允许过载系数：1.5 额定转速：1430rpm 环境条件： 电网额定电压：380/220V； 电网电压波动：10%； 环境温度：-40~+40摄氏度； 环境相对湿度：10~90%。 （2）任务和要求 1、根据控制系统的技术参数进一步细化技术要求。首先确定控制系统方案，确定每一级的具体技术指标（如放大倍数，输入输出电阻，电源电压等）； 2、电流超调量σi≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤30%，调速范围D=20，转差率Sn≤0.03，稳速精度0.03； 3、建立控制系统的数学模型，并基于Matlab或其他仿真软件的仿真设计； 图2.1 单闭环转速负反馈系统框图 2.2带电流截止负反馈闭环控制系统 在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题，在启动、制动过程和堵转状态时，电枢电流会过大。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入 通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。电流截止负反馈环节如图2.2中的（a） . （a）利用独立直流电源作比较电压（b） 利用稳压管产生比较电压 （c）封锁运算放大器的电流截止负反馈环节 图2.2电流截止负反馈的环节 图（a）中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。图（b）中利用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压，线路要简单得多，但不能平滑的调节电流值。图（c）是反馈环节与运放的连接电路。 由系统稳态结构可写出该系统两段静特性的方程式： 当时，引入电流负反馈，静特性变为： 图2.3带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性 静特性的几个特点： （1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速大， 特性急剧下垂。 （2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致， 好像把理想空载转速提高到