基于單片機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在DKSZ-1電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上增加以單片機(jī)為控制核心的數(shù)字控制器,實(shí)現(xiàn)了直流數(shù)字雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制。
2. 系統(tǒng)的組成
調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示,圖中符號的意義分別為:ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器;ACR-電流調(diào)節(jié)器;TG-測速發(fā)電機(jī);TA-電流互感器;UPE-電力電子變換器U*n;-轉(zhuǎn)速給定電壓;Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓;U*i-電流給定電壓;Ui-電流反饋電壓。
3. 電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)
經(jīng)過測量計(jì)算,確定系統(tǒng)的基本參數(shù)如下:直流電動(dòng)機(jī):Un=220V,1.16A,1500r/min,Ce=0.15,λ=1.3
晶閘管裝置放大倍數(shù):Ks=63.3
電樞回路總電阻:R=41.14Ω
時(shí)間常數(shù):Tm=0.04s.TL=0.028s
電流反饋系數(shù):β=3.3/λInom=3.3/1.5=2.188
轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):α=2.5/1500=0.0017
穩(wěn)態(tài)指標(biāo):靜差率小于5%,D>10
3.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)
3.1.1 確定時(shí)間常數(shù)
①整流裝置滯后時(shí)間常數(shù):三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。
②電流濾波時(shí)間常數(shù):
由于主回路的電流是脈動(dòng)直流,為了能取得電流的平均值,可采用多次采樣取平均值等數(shù)字濾波方法,但考慮到系統(tǒng)的CPU時(shí)序安排緊張,決定采用加硬件濾波環(huán)節(jié)的辦法,但其時(shí)間常數(shù)應(yīng)該取得小一些,取
③電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)
按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取
3.1.2 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
電流環(huán)按I型系統(tǒng)設(shè)計(jì),電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為:
3.1.3 計(jì)算各調(diào)節(jié)器參數(shù):
ACR超前時(shí)間常數(shù): 。電流開環(huán)增益:按δI%≤5%,應(yīng)取 ,因此:
則ACR的比例系數(shù)為:
3.1.4 校驗(yàn)近似條件
電流環(huán)截止頻率Wci=KI=178.57/S
晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件Wci≤1/3Ts
現(xiàn)在,,滿足近似條件。
忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)影響的條件 現(xiàn)在,,滿足近似條件。
小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件: 現(xiàn)在, ,滿足近似條件。
3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)
3.2.1 確定時(shí)間常數(shù)
①電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為
②轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton
外加轉(zhuǎn)速濾波環(huán)節(jié),取
③轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)
按小時(shí)間常數(shù)處理,?。?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" src="/upload/2007_06/0706051038543618.jpg">
3.2.2 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán),ASR選用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為
3.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)
按跟隨和抗擾性能都較好的原則,取=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為: 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:
于是,ASR的比例系數(shù)為:
3.2.4 驗(yàn)近似條件
轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件:
現(xiàn)在 滿足簡化條件。
小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:
現(xiàn)在: ,滿足近似條件。
4. 采樣周期選擇及PI控制算法
4.1 采樣周期選擇
根據(jù)采樣定理,必須使采樣頻率Ws≥2Wmax,以便采樣后的離散信號不會(huì)失真,ws=2π(1/Ts),為采樣角頻率; wmax=2πfma為信號最高角頻率。按采樣定理可以確定采樣周期的上限值:Ts≤π/Wmax;
實(shí)際應(yīng)用中,常按一定的原則,結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)來選擇采樣周期Ts:Tmin≤Ts≤Tmax。
在一般情況下,可以令采樣周期, 或用采樣角頻率Ws≥(4~10)Wc,Wc為控制系統(tǒng)的截止頻率。由雙閉環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)知:
4.2 PI控制算法
當(dāng)輸入誤差函數(shù)e (t),輸出函數(shù)是u (t)時(shí),PI調(diào)節(jié)器的傳函: ;則,u (t)和e (t)關(guān)系的時(shí)域表達(dá)式可寫成:
其中,KP=KPI,為比例系數(shù); 為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程,其第k拍輸出為:
5. MATLAB仿真建模與波形分析
電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器仿真模型分別采用I型和Ⅱ型系統(tǒng),所用數(shù)據(jù)為按工程方法計(jì)算的參數(shù),并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)略作調(diào)整,MATLAB仿真波形如圖4所示。
從圖4中可以看出,由于負(fù)載增大,使電樞電流出現(xiàn)一個(gè)小的數(shù)值增大的波動(dòng)后,達(dá)到新的負(fù)載電流狀態(tài)的穩(wěn)定值,這個(gè)穩(wěn)定值與負(fù)載增加前相比,數(shù)值變大。
由圖5和圖6得:突然給定電壓U*n時(shí),Un很小,所以△Un很大,ASR很快飽和,輸出為最大值,電樞電流線形增加,當(dāng)r>n*時(shí),Un>U*n那么△Un變極性,ASR退飽和,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋投入運(yùn)行,直到n=n*。
綜上所述,起動(dòng)電流根據(jù)電機(jī)起動(dòng)波形,可以看到速度與電流之間的關(guān)系與理論情況基本相同。
6. 實(shí)驗(yàn)波形及分析
(1) 電機(jī)突加最大給定時(shí),轉(zhuǎn)速波形如圖7。由于測速發(fā)電機(jī)性能的影響,使得超調(diào)現(xiàn)象不明顯。
由圖7可知,轉(zhuǎn)速起動(dòng)波形與SIMULINK仿真所得波形一致,達(dá)到了預(yù)期的效果。
(2) 電樞電流波形
電樞電流波形在突加給定時(shí),在雙閉環(huán)的作用下迅速上升,迫使電動(dòng)機(jī)快速起動(dòng),然后迅速回落直到等于負(fù)載電流。
在圖8,因?yàn)闇y速發(fā)電機(jī)性能和晶閘管驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)死區(qū)電壓的影響,使得電樞電流沒有恒流階段。但波形與SIMULINK仿真所得波形趨勢一致,達(dá)到了預(yù)期的效果。
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