拖动系统课程设计指导书.docx

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拖动系统课程设计指导书

电力拖动自动控制系统课程设计指导书

一、本课程的目的与作用

电力拖动自动控制系统课程设计与综合实验是电气专业和自动化专业的一门专业课程，它是一次综合性的理论与实践相结合的训练，也是本专业的一次基本技能训练，其主要目的是：

1、理论联系实际，掌握根据实际工艺要求设计电力拖动自动控制系统的基本方法。

2、对一种典型的双闭环调速自动控制系统进行综合性的分析设计，掌握各部件和整个系统的设计调试步骤、方法及操作实际系统的方法。

加强基本技能训练。

3、掌握参数变化对系统性能影响的规律，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力。

4、培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理能力及编写设计说明书和技术总结报告的能力。

为下学期毕业设计作准备。

5、通过设计熟练地查阅有关资料和手册。

二、设计内容

要求设计一个直流单闭环调速系统。

其主要内容为：

1、测定综合实验中所用控制对象的参数（由实验完成）。

2、根据给定指标设计转速调节器，并选择调节器参数和具体实现电路。

3、按设计结果组成系统，以满足给定指标。

4、研究参数变化对系统性能的影响。

5、在变工况（加载）下进行调试。

三、基本参数

图1、测速电机接口

（1）.直流电机参数：

电机的电枢电阻11欧。

工作电压可从3V至30V。

堵转电流=电压/电枢电阻。

18v时空转转速9000rpm，其他电压下的转速可大致按比例计算。

（2）.编码器参数：

共输出两路正交（相位相差90°）脉冲信号。

分辨率334，意味着电机每旋转一周输出334个周期脉冲。

如果把每一路脉冲的上沿和下沿都利用起来，相当于四倍频，分辨率可以达到34×4=1336。

334线AB相编码器，内含整形电路，输出是方波，可直联单片机IO。

编码器供电电压为5V，AB相输出，在A相或B相的上升或下降沿时判断对方的电平，就可以判断电机的转动方向。

（3）.信号线说明：

A相方波输出，B相方波输出，VCC，GND是编码器电源，必须稳压。

电机1，电机2是直流电机的电源。

电机1

图2驱动模块接口

驱动方案可参考如图3所示：

图3L298驱动直流基本驱动方案

四、速度PI调节器的工程设计

4.1工程设计方法的基本思路

1.选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度,依据自动控制系统快、准、稳[15]的设计要求。

2.设计调节器参数，满足动态性能指标要求。

4.2典型Ⅱ型系统

传递函数

（1）

（1）开环对数频率特性

图4开环对数频率特性

典型Ⅱ型系统也是以–20dB/dec的斜率穿过零分贝线。

为保证系统稳定，即应选择参数满足:

（2）

典型Ⅱ型系统传递函数与典型Ⅰ型系统相相似，但待定的参数有两个：

K和τ，不易选择，可令

（3）

由图可见，h是斜率为–20dB/dec的中频段的宽度。

表1典型II型系统阶跃输入跟随性能指标

h345678910

σ52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%

tr/T2.42.652.853.03.13.23.33.35

ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20

k32211111

由上表可知，h减小时，上升时间快，h增大时，超调量小。

4.3转速调节器的设计

（4）

令转速环开环增益为

（5）

则

（6）

校正后的系统结构：

图5校正后成为典型Ⅱ型系统

4.4.转速调节器的参数计算

转速调节器的参数包括Kn和τn。

按照典型Ⅱ型系统的参数关系，由τ=hT得

（7）

再由式

（8）

得

（9）

因此

（10）

五、实际实现

5.1数字PI调节器实现

PI调节器时域表达式：

将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为：

（11）

PI算法有位置式和增量式两种算法：

（1）位置式算法——算法特点是：

比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。

位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。

（2）增量式PI调节器算法：

（12）

PI调节器的输出可由下式求得：

（13）

与模拟调节器相似，在数字控制算法中，需要对u限幅，这里，只须在程序内设置限幅值um，当u（k）>um时，便以限幅值um作为输出。

不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅则两者略有差异。

增量式PI调节器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。

基本流程图如下：

图6PID程序设计流程图

5.251单片机PWM信号产生基本思路（采用一个定时器产生）

要用51单片机的1个定时器产生PWM，首先你要确定PWM的周期T和占空比D，确定了这些以后，你可以用定时器产生一个时间基准t，比如定时器溢出n次的时间是PWM的高电平的时间，则D*T=n*t，类似的可以求出PWM低电平时间需要多少个时间基准n'。

然后，可以编写程序，根据你定的时间基准t去给定时器赋值初始化，然后开启定时器，定义一个标志位flag，根据flag的状态决定输出高平还是低电平，假设定义flag=1的时候输出高电平，用一个变量去记录定时器中断的次数，每次中断就让记录中断次数的变量+1，在中断程序里面判断这个变量的值是否到了n，如果到了说明高电平的时间够了，那么就改变flag为0，输出低电平，同时记录中断变量的值清零，每次中断的时候依旧+1，根据flag=0的情况跳去判断记录变量的值是否到了n'如果到了，说明PWM的低电平时间够了，那么就改flag=1，输出改高电平，同时记录次数变量清零，重新开始，如此循环便可得到你想要的PWM波形。

5.3M法测速程序设计思路

根据图M法测速原理：

（1）由计数器记录PLG发出的脉冲信号；

（2）定时器每隔时间Tc向CPU发出中断请求INTt；

（3）CPU响应中断后，读出计数值M1，并将计数器清零重新计数；

（4）根据计数值M计算出对应的转速值n。

图7测速原理和波形

5.4实际调试步骤和数据记录

（1）开环实验

1）记录不同PWM占空比时（不同电机端电压）下的转速。

2）增加电机启动停止功能、正反转功能和转速调节功能。

3）编写测速程序，保证实际速度能准确获得。

（2）闭环实验

1）编写PI速度调节器程序，给定不同转速时，电机能跟上给定速度

2）加载实验：

加载时，速度先降低然后能迅速调节回给定速度。

（3）附加功能：

滑动变阻器调速功能、转速显示功能、过流保护功能，报警功能等。