基于單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)基于單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)歷層次大專 教學(xué)院名稱機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)名稱機(jī)電一體化技術(shù)學(xué)生姓名褚斌斌指導(dǎo)教師陳清泉 侯紅科機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)電一體化技術(shù) 專業(yè) 2 班學(xué)生姓名（學(xué)號(hào)） 褚斌斌 10580201084 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2012 年 12 月 11日至 2013 年 3 月 29 日答辯時(shí)間： 年 月 日 成績 指導(dǎo)教師： 摘 要近年來由于微型機(jī)的快速發(fā)展，國外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不

2、同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在各個(gè)方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹的是用一臺(tái)26kw的直流電動(dòng)機(jī)，8051單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。特點(diǎn)是用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設(shè)備。最后進(jìn)行軟件編程、調(diào)試以及計(jì)算機(jī)仿真。實(shí)時(shí)控制結(jié)果表明，本數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的恒速調(diào)節(jié)，并具有結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，成本低，易推廣等特點(diǎn)，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，從而能夠?qū)嶋H的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)字方式目錄第1章

3、緒論1第二章 方案論證.3第三章 直流調(diào)速控制系統(tǒng).53.1單片機(jī)部分的組成.53.1.1時(shí)鐘電路.73.1.2復(fù)位電路.83.1.3存儲(chǔ)器.8 3.1.4外部中斷源.9 3.1.5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.113.2 單片機(jī)的擴(kuò)展.123.2.1程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展.133.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展.143.2.38279可編程鍵盤/顯示器163.2.4模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換.24 3.2.5采樣和保持.28第四章pid的控制算法.324.1pid控制規(guī)律及其基本作用.324.2控制算法的實(shí)現(xiàn).33第五章直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì).365.1直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法.365.2整流電路.375.3觸發(fā)電路.38第六

4、章軟件設(shè)計(jì)427.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析49第七章系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)46第八章直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)49總結(jié).51辭謝.53參考文獻(xiàn).第2章 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1調(diào)速方案的選擇2.1.1系統(tǒng)控制對(duì)象的確定本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)z2-32型，額定功率1.1kw，額定電壓230v，額定電流6.58a,額定轉(zhuǎn)速1000r/min, 勵(lì)磁電壓220v,運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)。2.1.2電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱g-m系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求

5、可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱v-m系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用pwm受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選v-m系統(tǒng)。在v-m系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置gt輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓ud。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路。考慮使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相

6、半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反

7、饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)

8、轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。綜上所述，本系統(tǒng)用一臺(tái)單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)

9、中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2.2系統(tǒng)的工作原理在此單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號(hào)是通過模擬光電隔離器、a/d轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照已定的控制算法計(jì)算產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級(jí)，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。第3章 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的額定電壓為230v，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相

10、減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用d/y聯(lián)結(jié)。3.1整流變壓器的設(shè)計(jì)3.1.1變壓器二次側(cè)電壓u2的計(jì)算u2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會(huì)造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計(jì)算，即：式中udmax -整流電路輸出電壓最大值；nut -主電路電流回路n個(gè)晶閘管正向壓降；c - 線路接線方式系數(shù)；usk -變壓器的短路比，對(duì)10100kva，usk =0.050.1；i2/i2n-變壓器二次實(shí)際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。在要求不高場(chǎng)合或近似估算時(shí)，可用

11、下式計(jì)算，即：式中a-理想情況下，=0時(shí)整流電壓ud0與二次電壓u2之比，即a=ud0/u2；b-延遲角為時(shí)輸出電壓ud與ud0之比，即b=ud/ud0；電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)；11.2考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式：由表查得 a=2.34；取=0.9；角考慮10裕量，則 b=cos=0.985取u2=120v。電壓比k=u1/u2=380/120=3.17。3.1.2 一次、二次相電流i1、i2的計(jì)算由表查得 ki1=0.816, ki2=0.816考慮變壓器勵(lì)磁電流得：3.1.3變壓器容量的計(jì)算s1=m1u1i1；s2=m2u2i2；s=1/2(s1+s2)；式中m1、m2 -一次側(cè)

12、與二次側(cè)繞組的相數(shù)；由表查得m1=3，m2=3s1=m1u1i1=33801.69=1.9266 kvas2=m2u2i2=31205.37=1.9332 kvas=1/2(s1+s2)=1/2（1.9266+1.9332）=1.9299 kva3.2晶閘管元件的選擇3.2.1晶閘管的額定電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓utm，乘以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，即可確定晶閘管的額定電壓utn，即utn=（23）utm整流電路形式為三相全控橋，查表得，則取3.2.2晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實(shí)際流過管子電流最大有效值，即 =1.57

13、 或 =k考慮（1.52）倍的裕量=（1.52）k式中k=/（1.57）-電流計(jì)算系數(shù)。此外，還需注意以下幾點(diǎn)：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。由表查得 k=0.368，考慮1.52倍的裕量 取。故選晶閘管的型號(hào)為。3.3直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。3.3.1過電壓保護(hù)以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)

14、、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。1）交流側(cè)過電壓保護(hù)錯(cuò)誤！未找到引用源。error! no bookmark name given. 阻容保護(hù) 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻r和電容c進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于三相電路，和的值可按下表換算。變壓器接法單相三相、二次聯(lián)結(jié)三相二次聯(lián)結(jié)阻容裝置接法與變壓器二次側(cè)并聯(lián)y聯(lián)結(jié)d聯(lián)結(jié)y聯(lián)結(jié)d聯(lián)結(jié)電容1/3c3cc電阻3r1/3rr本系統(tǒng)采用d-y連接。s=1.9299kva， u2=120v iem取值：當(dāng) s=110kva時(shí)，對(duì)應(yīng)的iem=41，所以iem取3。c6iems/u22=6334103/1202=14.17f耐壓1.5um=1.5120=254.

15、6v選取20f的鋁電解電容器。 選?。簊=110kva，=15，所以=3r2.3 u22/s=2.31202/1.9299103=9.37ic=2fcuc10-6=2504010-612010-6=1.510-6apr(3-4)ic2r=(3-4) （1.510-6）29.37=（6.33-8.43）10-13w選取電阻為zb1-10的電阻。錯(cuò)誤！未找到引用源。 壓敏電阻的計(jì)算u1ma=1.3u=1.3120=220.6v流通量取5kva。選my31-220/5型壓敏電阻。允許偏差+10（242v）。2）直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保

16、護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會(huì)造成加大。因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。u1ma=（1.8-2.2）udc=(1.8-2.2) 230=414-460v選my31-440/5型壓敏電阻。允許偏差+10（484v）。3）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù) 查下表：阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定晶閘管額定電流/a1020501002005001000電容/f0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。得 c=0.1f，r

17、=100。選r為0.2f的czjd-2型金屬化紙介質(zhì)電容器。pr=fcum210-6=500.210-6(120)210-6=0.4510-6w選r為20普通金屬膜電阻器，rj-0.5。3.3.2 電流保護(hù)快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。1） 交流側(cè)快速熔斷器的選擇i2=5.37a 選取rls-10快速熔斷器，熔體額定電流6a。2） 晶閘管串連的快速熔斷器的選擇i=i2=5.37a，it=3.11a選取rls-10快速熔斷器，熔體額定電流4a。3）電壓和電流上升率的限制電壓上升率：正相電壓上升率較大時(shí)，會(huì)使

18、晶閘管誤導(dǎo)通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應(yīng)有一定的限制。造成電壓上升率過大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換相時(shí)相當(dāng)于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過大。限制過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個(gè)橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使降低。電流上升率：導(dǎo)通時(shí)電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此對(duì)晶閘管的電流上升率必須有所限制。產(chǎn)生過大的原因，一般有：晶閘管導(dǎo)通時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護(hù)中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流側(cè)保護(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等。限制，除在阻容保護(hù)中選擇合適的電阻外，也可采用與

19、限制相同的措施，即在每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)電感。限制和的電感，可采用空心電抗器，要求l（2030）h；也可采用鐵心電抗器，l值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導(dǎo)線繞上一定圈數(shù)，或在導(dǎo)線上套上一個(gè)或幾個(gè)磁環(huán)來代替橋臂電抗器。所以為了防止和，每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)30h的電感。3.3.3平波電抗器的計(jì)算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。1）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計(jì)算，單位mh。式中 與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；最小負(fù)載電流，常取電動(dòng)機(jī)額

20、定電流的510計(jì)算。根據(jù)本電路形式查得=0.695所以=7.38mh2）限制輸出電流脈動(dòng)的電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，因此輸出電流波形也是脈動(dòng)的。該脈動(dòng)電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載來說，過大的交流分量會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動(dòng)量。平波電抗器的臨界電感量（單位為m）可用下式計(jì)算式中系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，電流最大允許脈動(dòng)系數(shù)，通常單相電路20，三相電路（510）。根據(jù)本電路形式查得=1.045所以=11.09mh3）電動(dòng)機(jī)電感量和變壓器漏電感量電動(dòng)機(jī)電

21、感量（單位為mh）可按下式計(jì)算式中 、n直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；p電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812，快速無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68，有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。本設(shè)計(jì)中取=8、=230v、=6.58a、n=1000r/min、p=1=5.6mh變壓器漏電感量（單位為mh）可按下式計(jì)算式中計(jì)算系數(shù)，查表可得變壓器的短路比，一般取510。本設(shè)計(jì)中取=3.9、=6所以=0.248mh4）實(shí)際串入電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時(shí)的實(shí)際電感量：在三相橋式電路中取，其余電路可取。=7.38（5.6+20.248）=1.324mh考慮限制電流脈動(dòng)時(shí)的實(shí)際電感量：本電路=11.09（5

22、.6+20.248）=5.034 mh如上述條件均需滿足時(shí)，應(yīng)取和中較大者作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取=6 mh作為平波電抗器的電感值。可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流電抗器（又稱均衡電抗器），電感量（單位為mh）的計(jì)算公式為：式中計(jì)算系數(shù)，一般??；=0.695要求的環(huán)流值，通常?。?10）（為直流電動(dòng)機(jī)電樞電流）。=14.76 mh實(shí)際所需的均衡電感量為：如果均衡電流經(jīng)過變壓器兩相繞組，計(jì)算時(shí)，應(yīng)代入2。=14.760.2482=14.03 mh一般說來，均衡電抗器和平波電抗器分設(shè)的方案比較經(jīng)濟(jì)，故采用較為普遍。3.4勵(lì)磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取700v。額定電流

23、可查得k=0.367，id(av)=(1.52)k ii =(1.52)*0.367*1.2a=0.66-0.88a可選用zp型3a、700v的二極管。rpl 為與電動(dòng)機(jī)配套的磁場(chǎng)變阻器，用來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。為實(shí)現(xiàn)弱磁保護(hù)，在磁場(chǎng)回路中串入了欠電流繼電器ka ，動(dòng)作電流通過rpi 調(diào)整。根據(jù)額定勵(lì)磁電流iex =1.2a，可選用吸引線圈電流為2.5a的jl14-11zq直流欠電流繼電器。3.5主電路及保護(hù)電路原理圖圖3-1 主電路及保護(hù)電路原理圖第4章 控制電路與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 晶閘管觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì)4.1.1 晶閘管觸發(fā)方法晶閘管三相全控橋式整流電路簡圖如圖4-1所示。 圖4-1 三相全

24、控橋式整流電路 圖4-2 三相電壓曲線三相全控橋式整流電路共有六個(gè)晶閘管，它們分為共陰極和共陽極兩組。在觸發(fā)時(shí)，采用雙脈沖觸發(fā)方式，每次兩組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。六個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閟cr1、scr2、scr3、scr4、scr5、scr6，如圖4-2所示。相電壓曲線的交點(diǎn)t1t6,就是晶閘管scr1scr6的控制角起點(diǎn)。取線電壓uac從負(fù)半波的過零點(diǎn)g（t1）作為同步基準(zhǔn)點(diǎn)，則應(yīng)觸發(fā)導(dǎo)通的第一對(duì)晶閘管為scr1 、scr6，根據(jù)波形圖可分析出各晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻（對(duì)應(yīng)于控制角=00）及觸發(fā)順序如圖4-3所示。圖4-3 晶閘管觸發(fā)時(shí)刻(=00)及觸發(fā)順序單片機(jī)在觸發(fā)晶閘管時(shí),根據(jù)電流控制器的輸出

25、控制值uk，以同步基準(zhǔn)點(diǎn)位參考點(diǎn)，算出晶閘管控制角的大小，再通過定時(shí)器按控制角的大小以及觸發(fā)順序，準(zhǔn)確地向各個(gè)晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。在控制觸發(fā)時(shí)，有兩種觸發(fā)方法：絕對(duì)觸發(fā)方法和相對(duì)觸發(fā)方法。所謂絕對(duì)觸發(fā)方法就是指觸發(fā)脈沖形成的時(shí)刻都直接取決于基準(zhǔn)時(shí)刻點(diǎn)。對(duì)三相全控橋式整流電路，在交流電的一個(gè)周期內(nèi)需要6個(gè)（或者3個(gè)）基準(zhǔn)點(diǎn)。相對(duì)觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準(zhǔn)來確定后一觸發(fā)脈沖時(shí)刻，它用加長或縮短相鄰兩次觸發(fā)脈沖之間的間距來改變控制角，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，這個(gè)間距等于600，控制角改變時(shí)，該間距應(yīng)相應(yīng)改變。但由于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)以及計(jì)算機(jī)定時(shí)器的誤差，會(huì)使控制角偏離要求值。因此，在相對(duì)觸發(fā)方式時(shí)，應(yīng)在一個(gè)周期

26、內(nèi)用同步脈沖信號(hào)進(jìn)行一次校正，以避免誤差的積累。對(duì)于單相電路，均使用絕對(duì)觸發(fā)方式。在三相全控橋式整流電路中，一般則常使用相對(duì)觸發(fā)方式。綜上本次設(shè)計(jì)使用相對(duì)觸發(fā)的觸發(fā)控制方法。4.1.2 控制算法設(shè)相鄰控硅之間觸發(fā)脈沖間距角為。在穩(wěn)定情況下，=600。當(dāng)由k-1變?yōu)閗時(shí)，應(yīng)有：=k-k-1+600在控制時(shí)，一般均使用單片機(jī)的定時(shí)器來完成觸發(fā)脈沖輸出。這樣，須把角度轉(zhuǎn)換成時(shí)間值。交流電的一個(gè)周期（對(duì)頻率為50hz為20ms）對(duì)應(yīng)于3600，故600對(duì)應(yīng)于10/3 ms。觸發(fā)間距時(shí)間t可表示為： t=tk-tk-1+t60 （4-1）為了避免觸發(fā)錯(cuò)誤，必須加入同步校正。每隔3600來一個(gè)同步脈沖（取

27、自線電壓uac的過零點(diǎn)），以此為基準(zhǔn)點(diǎn)，校正觸發(fā)第一對(duì)晶閘管scr1.6的控制角。這可采用在每個(gè)周期用定時(shí)器計(jì)數(shù)同步脈沖發(fā)生時(shí)刻與實(shí)際同步脈沖發(fā)生時(shí)刻之差te，然后在計(jì)算第一對(duì)晶閘管的控制時(shí)刻時(shí)，按以下公式進(jìn)行計(jì)算：t=tk-tk-1+t60+te （4-2）4.1.3 控制角的計(jì)算三相全控橋式整流電路輸出電壓ud與控制角有以下關(guān)系:ud=2.34ecos (4-3)其中e為電源相電壓有效值。對(duì)于數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求對(duì)象為線性系統(tǒng)。而根據(jù)式（4-3）可知，如果控制角與控制輸出uk為線性關(guān)系，則輸出電壓ud與控制輸出uk之間為非線性關(guān)系（余弦關(guān)系），這是我們所不希望的。如要求觸發(fā)整流環(huán)節(jié)為一個(gè)放大系

28、數(shù)為ks的線性環(huán)節(jié)，則有：ud=2.34ecos=ksuk即有cos= ksuk/2.34e=udmaxuk/ukmax2.34e =2.34ecosminuk/ ukmax2.34e=cosminuk/ ukmax=uk=arcos(uk) (4-4)式中，=cosmin/ ukmax是一個(gè)與最小控制角min和最大控制輸出ukmax有關(guān)系的常數(shù)。式(4-4)即是與uk的關(guān)系式。由它可算出對(duì)應(yīng)于某一uk值的值。由于一般均用時(shí)間值來表示，所以還需要對(duì)轉(zhuǎn)換成時(shí)間值t。對(duì)于50hz的交流電而言，控制角對(duì)應(yīng)的時(shí)間為：t=*106/360*50 （s） (4-5)為了加快計(jì)算速度，可采用查表法或插值查表

29、法來按uk值計(jì)算t值。4.1.4 脈沖分配表在觸發(fā)六個(gè)晶閘管時(shí)，要按照?qǐng)D4-3的順序，依次發(fā)出控制信號(hào)。為了方便起見，可建立一個(gè)脈沖分配表，如表4-1，它放于程序存儲(chǔ)器中。每當(dāng)觸發(fā)時(shí)間到，按指針從表中取出一個(gè)數(shù)據(jù)從單片機(jī)的i/o口輸出，經(jīng)光電隔離去觸發(fā)晶閘管。表4-1 脈沖分配表（0有效）單元地址數(shù)據(jù)（由i/o口輸出）被觸發(fā)晶閘管mm+1m+2m+3m+4m+5x x 0 1 1 1 1 0x x 1 1 1 1 0 0x x 1 1 1 0 0 1x x 1 1 0 0 1 1x x 1 0 0 1 1 1x x 0 0 1 1 1 1scr6,1scr1,2scr2,3scr3,4scr4

30、,5scr5,64.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)得采樣周期比較快，計(jì)算和控制任務(wù)也比較繁忙，因此需要使用高性能的單片機(jī)。對(duì)于用于軋機(jī)傳動(dòng)等要求響應(yīng)快、精度高的調(diào)速系統(tǒng)，一般需要使用16位的單片機(jī)，如inter的mcs-96或者motorola的m68hc16等。它們能在幾微秒內(nèi)完成16位加法和乘法，并且有10位a/d轉(zhuǎn)換器、16位高性能多功能定時(shí)器系統(tǒng)，可完成調(diào)速系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、控制輸出等功能。對(duì)于快速性和控制精度要求較低的調(diào)速系統(tǒng)，可選用高性能8位單片機(jī)，如inter的mcs-51或者motorola的m68hc05、m68hc11，其中后者有16位運(yùn)算功能，并

31、有片內(nèi)8位高速a/d和16位多功能定時(shí)器系統(tǒng)，還有watchdog等各種其他外用功能，非常適合于調(diào)速控制系統(tǒng)。綜上，本系統(tǒng)采用inter的mcs-51中的80c31單片機(jī)。4.2.1 80c31單片機(jī)簡介80c31單片機(jī)屬于基本型的51系列單片機(jī)，它采用hmos工藝，片內(nèi)集成有8位cpu；片內(nèi)駐留128字節(jié)的ram以及21個(gè)特殊功能寄存器；片內(nèi)還包括兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工串行i/o口（uart）、32條i/o線、5個(gè)中斷源和兩級(jí)中斷，尋址能力達(dá)128k字節(jié)（其中程序存儲(chǔ)器rom和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ram各64k字節(jié)）。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時(shí)鐘頻率

32、為12mhz，大部分指令周期只需1s，乘除指令也僅需4s。4.2.2 單片機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)80c31外接27128eprom作為16k程序存儲(chǔ)器，存放全部控制軟件。用兩片74ls374和四個(gè)pnp中功率三極管以動(dòng)態(tài)掃描方式驅(qū)動(dòng)四位led數(shù)字，以顯示轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度、電流等數(shù)據(jù)，兩片74ls374采用線選法與80c31接口，地址分別為0dfffh和0bfffh。在80c31的p3口上外接三個(gè)按鍵，一個(gè)為啟動(dòng)/停止鍵，用于啟動(dòng)或停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；另兩個(gè)為顯示選擇鍵，一個(gè)用于控制顯示速度設(shè)定值，另一個(gè)用于控制顯示電流值，不按這兩個(gè)鍵時(shí)，顯示實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速。另外利用一片74ls374的多余輸出線，外接兩個(gè)led

33、發(fā)光管，一個(gè)用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個(gè)用于顯示是否處于運(yùn)行狀態(tài)。使用80c31的雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路圖見附頁1所示。4.2.3 電流測(cè)量和速度給定值輸入本系統(tǒng)使用adc0808 8路8位a/d轉(zhuǎn)換器，它的地址為7fffh。寫入該地址，啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換器，通道地址由a2、a1、a0決定。a/d轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生eoc脈沖和中斷。這時(shí)，mcu可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖4-4 電流測(cè)量框圖如圖4-4所示，交流電流通過電流互感器變成05v電壓信號(hào)，經(jīng)整流和濾波后加到adc0808的in0上。速度給定采用電位器輸入，它加到in1上。在調(diào)整速度給定值時(shí)，可按下速度給定顯示鍵。這時(shí)，

34、四位led上將顯示對(duì)應(yīng)于電位器輸入的速度給定值，可調(diào)整電位器至顯示值為所需的給定值。對(duì)于需要較高精度的調(diào)速控制系統(tǒng)，可采用10位或者更高分辨率的a/d轉(zhuǎn)換芯片。但這時(shí)，一方面成本將較高，另一方面計(jì)算將大大復(fù)雜，因?yàn)楸仨毑捎?6位計(jì)算，所以在選型時(shí)應(yīng)該多方面考慮。4.2.4 速度測(cè)量速度檢測(cè)有模擬和數(shù)字兩種檢測(cè)方法。模擬測(cè)速一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。不過模擬測(cè)速方法的精度不夠高，在低速時(shí)更為嚴(yán)重。對(duì)于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，旋

35、轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進(jìn)制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過接受器將該數(shù)碼送入計(jì)算機(jī)。絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，必須對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分處理。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，如圖4-5所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開發(fā)或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。圖4-5 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖上述脈沖序列正確地反映了轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一

36、對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開光柵節(jié)距的1/4，則兩組脈沖序列a和b的相位相差900，如圖4-6所示。正轉(zhuǎn)時(shí)a相超前b相；反轉(zhuǎn)時(shí)b相超前a相。采用簡單的鑒相電路就可以分辨出方向。圖4-6 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的a、b兩組脈沖序列 若碼盤的光柵數(shù)為n，則轉(zhuǎn)速分辨率為1/n，常用得旋轉(zhuǎn)編碼器光柵數(shù)有1024、2048、4096等。采用倍率電路可以有效地提高轉(zhuǎn)速分辨率，而不增加旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù)，一般多采用四倍頻電路。采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測(cè)速方法有三種：m法、t法和m/t法。1：m法測(cè)速。在一定的時(shí)間tc內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m1，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作m法測(cè)速。把m1除以t

37、c就得到了旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率f1=m1/tc,所以又稱頻率法。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生z個(gè)脈沖（z=倍頻系數(shù)編碼光柵數(shù)），把f1除以z就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時(shí)間tc以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min為單位，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為在上式中,z和tc均為常值,因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個(gè)數(shù)m1。高速時(shí)m1大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時(shí)m1將小于1，測(cè)速裝置便不能正常工作。所以m法測(cè)速只適用于高速段。2：t法測(cè)速。在編碼器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為f0的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱為t法測(cè)速。在這里，測(cè)速時(shí)間緣于編碼器輸出脈沖的

38、周期，所以又稱周期法。在t法測(cè)速中，準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間tt是用所得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m2計(jì)算出來的，即tt=m2/f0，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為高速時(shí)m2小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以t法測(cè)速適用于低速段。3：m/t法測(cè)速把m法和t法結(jié)合起來，既檢測(cè)tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m1，有檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m2，用來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作m/t法測(cè)速。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖的頻率為f0，則準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間tt=m2/f0，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為采用m/t法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉，以減少誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達(dá)時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)允許開始或者

39、停止計(jì)數(shù)。由于m/t法的計(jì)數(shù)值m1和m2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于m法測(cè)速，最低速時(shí)，m1=1，自動(dòng)進(jìn)入t法測(cè)速。因此，m/t法測(cè)速能適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。綜上所述，本系統(tǒng)的速度測(cè)量采用數(shù)字m/t法測(cè)速。其中利用t1作為定時(shí)器，計(jì)時(shí)tc時(shí)間產(chǎn)生中斷，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m1由p1.6口檢測(cè)，同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m2由p1.7口檢測(cè)，最后由轉(zhuǎn)速中斷程序完成轉(zhuǎn)速的測(cè)量等等。4.2.5 晶閘管控制晶閘管觸發(fā)采用80c31的定時(shí)器t0實(shí)現(xiàn)。每次把t的補(bǔ)碼寫入t0中，在t0溢出時(shí)，轉(zhuǎn)到t0中斷處理程序，按脈沖分配表從p1口（p1.0p1.5

40、）輸出晶閘管觸發(fā)脈沖。然后延時(shí)50s，置位p1.0p1.5，從而輸出寬度為50s的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖經(jīng)cd4049提高驅(qū)動(dòng)電流（cd4049是一個(gè)驅(qū)動(dòng)功能的反相器），再經(jīng)過til117光隔離，從lm386低頻功率放大器得到最后的輸出脈沖，這樣可以提高輸出脈沖上升沿陡度，最后此脈沖去觸發(fā)對(duì)應(yīng)的晶閘管。這里由于80c31的p1口在復(fù)位后初態(tài)為1，故采用0為有效輸出位，以保證初態(tài)時(shí)晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。同步校正由80c31的定時(shí)器t0和外部中斷實(shí)現(xiàn)。此同步電路是由lm339構(gòu)成的過零比較器電路和一個(gè)光電耦合器及一個(gè)反相器組成的。交流電源線電壓vac經(jīng)變壓器變壓，穩(wěn)壓管削波后輸入比較器lm339，比較

41、器輸出再經(jīng)過光電隔離及反相后產(chǎn)生一個(gè)與vac同相位的方波信號(hào)，輸出的方波信號(hào)加到上，它置為調(diào)變觸發(fā)方式。第5章 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.1 對(duì)象的數(shù)學(xué)模型單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1 單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中ugn為速度給定，ugi為電流給定，ufn為速度反饋，ugi為電流反饋，uk為觸發(fā)器輸入信號(hào)，e為電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)，udo為晶閘管整流電壓，id為主回路電流。原始數(shù)據(jù)：直流電動(dòng)機(jī)d的銘牌數(shù)據(jù)：型號(hào)z2-32型，額定功率1.1kw，額定電壓220v，額定電流6.58a,額定轉(zhuǎn)速1000r/min, 勵(lì)磁電壓220v,運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)。參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為:電動(dòng)機(jī)電樞電阻: rd=4.9

42、2電動(dòng)機(jī)電樞電感: ld=0.048h電抗器電阻: rp=1.88電抗器電感: lp=0.0313h整流變壓器直流電阻: rt=0.18整流變壓器電感: lt=0.017h單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)被控對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī),由圖5-1可知: udo - e= idr+ldiddt = r(id+tddiddt) (5-1)對(duì)式（5-1）取拉式變換得 id(s) 1/r udo(s) e(s) tds+1 (5-2)其中, r= rd+2 rt +rp +rr, rr為晶閘管重疊角等效電阻。 r、l、td的數(shù)值依次為 r=4.92+20.18+1.88+1.6=8.76l= ld+2lt+lp =0.0

43、48h+0.0313h+20.017h =0.11htd= l/ r=0.11h/8.76=0.013s直流電動(dòng)機(jī)軸上的力矩方程為 m - mfz = cid - cifz = （gd2 / 375）（dn/dt） (5-3)id - ifz = （gd2 / 375 c）（dn/dt） = tmde/ rdt (5-4) 對(duì)式(5-4) 取拉式變換得 e(s) r（ id - if）(s) tm s (5-5)n = e/ce (5-6)其中，m為電動(dòng)機(jī)電磁力矩；mfz為電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩；ifz為電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流；n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；c為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；ce為電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)；gd2為拖動(dòng)系統(tǒng)整

44、個(gè)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量；tm=（gd2 r）/（375cce）為拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。由式(5-2)、(5-5)和(5-6)可以作出電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，如圖5-2所示。 ifzudo 1/rid r e 1 + tds+1 tm s cen -圖5-2 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖由圖5-2可以立即得到電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型： （5-7）5.2 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及采樣周期的選擇確定了被控對(duì)象電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,很容易作出電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖,如圖5-3所示 。 圖5-3 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機(jī)電樞電流很快上升，相對(duì)電流來說，速度變化很緩慢。因此，可以認(rèn)

45、為反電勢(shì)對(duì)電流產(chǎn)生的影響很小，令e=0，則圖5-3通過結(jié)構(gòu)圖變換，簡化為圖 5-4。圖5-4 簡化的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖5.2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1） 閘管傳遞函數(shù)一般三相橋式電路晶閘管最大失控時(shí)間在00.0033s之間隨機(jī)分布,取其平均值,即t scr=0.0017s。本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器最大輸出電壓ukm=2.54v,晶閘管最大輸出整流電壓為udo = 245.34v則kscr=96.59所以晶閘管傳遞函數(shù)為 （5-8）（2） 電流反饋傳遞函數(shù)電流反饋回路由交流互感器經(jīng)三相橋式整流及t型濾波構(gòu)成,一 般時(shí)間常數(shù)在12ms之間。取tlf = 0.0016s。電動(dòng)機(jī)最大起動(dòng)電流為11.3a,而速度調(diào)節(jié)器

46、輸出限幅為2.4v,則klf = 2.4v/11.33a = 0.212v/a,其傳遞函數(shù)為 （5-9）注意到t scr和tlf都很小，可以把他看成是小慣性群，即t=t scr+tlf = 0.0017s + 0.0016s = 0.0033 (s)。這樣晶閘管傳遞函數(shù)和電流反饋傳遞函數(shù)可并為一慣性環(huán)節(jié): 20.47 0.0033s + 1將已求結(jié)果代入圖5-4,即可得到電流環(huán)最簡單結(jié)構(gòu)圖,如圖5-5所示。圖5-5 電流環(huán)最簡結(jié)構(gòu)圖其中, dlt(s)為電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù), gls(s)電流環(huán)廣義控制對(duì)象。 (5-10)(3) 電流調(diào)節(jié)器dlt(s)的求取為了使本系統(tǒng)電流環(huán)超調(diào)小,有好的動(dòng)態(tài)

47、性能,我們采用二階最佳來設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。令電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 (5-11)根據(jù)二階最佳工程設(shè)計(jì)方法，則有i = 2kt= 22.340.0033s = 0.015(s)d=td = 0.013(s)這樣可得:令k0=0.84,k,=64.89,則有dlt(s)=k0 + k/s (5-12)式（5-12）是一個(gè)pi調(diào)節(jié)器,可以導(dǎo)出離散化方程和差分方程:離散化方程: (5-13)差分方程: ck =ck-1+(k1+k2)ek-k1ek-1 （5-14）其中, k1 = k0-k,tlt =0.84-64.890.001=0.78 k2 = k,tlt = 64.890.001 = 0.065

48、這里設(shè)電流環(huán)采樣周期tlt = 0.001s。 把以上參數(shù)代入式（5-13）和式（5-14）可得: （5-15） ck =ck-1+0.84ek - 0.78ek-1 （5-16）由式（5-15）和式（5-16）可立即作出程序框圖,由計(jì)算機(jī)求解。5.2.2電流環(huán)的穩(wěn)定性分析由圖5-4可以作出電流環(huán)采樣系統(tǒng)框圖,如圖5-6所示。圖5-6電流環(huán)采樣系統(tǒng)框圖則電流環(huán)閉環(huán)的脈沖傳遞函數(shù)為 （5-17）上式中dlt(z)為電流調(diào)節(jié)器的z變換,為電流環(huán)控制對(duì)象的z變換, 為調(diào)節(jié)對(duì)象和電流反饋傳遞函數(shù)積的z變換, 即則有由上式可得特征方程為z4 3.00z3 + 3.32 z2 1.59 z + 0.27

49、= 0 （5-18）由計(jì)算機(jī)求解式（2.18）的根為z1,2 = 0.830.13j z3= 0.92 z4 = 0.41從而可知z1 、z2 、z3、z4s四個(gè)根的絕對(duì)值均小于1,它們都在單位圓內(nèi),因此電流環(huán)是穩(wěn)定的。5.2.3電流環(huán)在階躍下的穩(wěn)態(tài)誤差上式利用z變換終值定理有所以電流環(huán)在單位階躍輸入是無靜差的。5.2.4電流環(huán)采樣周期選擇由圖5-5可知,電流環(huán)廣義控制對(duì)象可以看成是一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成,其傳遞函數(shù)為則應(yīng)選擇的采樣周期為tlt = 1/4min(td , t) = 1/4min(0.013s,0.0033s)0.001s5.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及采樣周期的選擇

50、在圖5-1中,當(dāng)突加速度給定后,st輸出立即達(dá)到限幅值,st輸出就是lt的給定,因而系統(tǒng)以最大加速度升速。但是此時(shí)速度反饋來不及跟上速度給定，即ugnufn，則st仍然處于飽和限幅，故速度環(huán)工作在開環(huán)狀態(tài)，速度繼續(xù)上升，只有當(dāng)ugnufn時(shí)，st才退出飽和限幅，這時(shí)才真正構(gòu)成速度閉環(huán)，直到穩(wěn)態(tài)為止。因此，系統(tǒng)速度閉環(huán)時(shí)其初始條件不為零，而按二、三階最佳工程設(shè)計(jì)是以頻率法為基礎(chǔ)，傳遞函數(shù)為工具，零初始條件為前提的，因而按二、三階最佳來設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器就成問題。為此，我們提出按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制來設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器。按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器的方法是基于控制作用受約束下，確定最優(yōu)控制規(guī)律，使

51、系統(tǒng)從任意初態(tài)，以最優(yōu)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)移到新的平衡狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行為初態(tài)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到零時(shí)為平衡狀態(tài)，即當(dāng)速度給定突然變?yōu)榱銜r(shí)尋找制動(dòng)過程最優(yōu)控制律。5.3.1一般設(shè)計(jì)方法若給定為一般定常線性系統(tǒng),其狀態(tài)方程為: （5-19）其中a為nn常陣，b為nm常陣，試確定使性能指標(biāo)最優(yōu)泛函為 （5-20）的控制規(guī)律u*(t)。其中q為nn正定或半正定對(duì)稱陣, r為mm正定或半正定對(duì)稱陣。可以證明，當(dāng)系統(tǒng)完全能控是，即能控矩陣式(5-21)的秩為n時(shí)，問題一定有解，b aba2ban-1b （5-21）且為u*(t)=-kx(t) （5-22）其中k = r-1btp （5-23）上式為狀態(tài)反饋陣，p是n

52、n對(duì)稱陣,它是riccati代數(shù)方程-pa-atp+pbr-1btp-q=0 （5-24）的解。由于式(5-24)是矩陣方程，計(jì)算量大，為此設(shè)計(jì)一個(gè)專用程序，由已知a，b，q，r陣求k陣。將式(5-24)改寫為p（a - br-1btp）+（a - br-1btp）tp = -（pbr-1btp）-q （5-25） 先給定一個(gè)初值p0，代入公式(5-25)，求出新值p1，不斷迭代，直到p0 和p1幾乎相等為止，即其中e為迭代偏差，其程序框圖如圖5-7所示。圖5-7求狀態(tài)反饋陣k程序框圖5.3.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1） 速度環(huán)的狀態(tài)方程由圖5-5,再考慮加入給定濾波器（為了減少超調(diào)量）,則電流

53、環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為即ki = 4.72, ti = 0.0066s 。這樣電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為速度環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)來處理。為了確保系統(tǒng)精度，在glb(s)前面再串一個(gè)積分環(huán)節(jié)，則速度環(huán)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)圖如圖5-8所示。圖5-8速度環(huán)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)圖設(shè)狀態(tài)量: y=x1=n x2 =id x3= ugi則有:相應(yīng)狀態(tài)方程為:其中:把a(bǔ),b代入式(5-21)得 b aba2b = 它的秩為3, 因而此狀態(tài)方程有解,即系統(tǒng)能控。由于本系統(tǒng)只考慮快速性要求，即對(duì)x1 = n提出快速要求，對(duì)其他兩個(gè)狀態(tài)變量無要求，故q作如下選擇。q11不能選擇過大，否則使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，一般先q111 ，選q11 = 0。001

54、2。對(duì)于單輸入系統(tǒng)，r為常數(shù)，選r=1，把以上四參數(shù)代入式（2.25）。用計(jì)算機(jī)離線求出p陣，最后求出狀態(tài)反饋陣為k = r-1btp = 0.035 , 0.018 , 1.87（2） 速度調(diào)節(jié)器的求取引入狀態(tài)反饋后圖5-8可以畫成如圖5-9所示的框圖。圖5-9速度環(huán)狀態(tài)反饋框圖由于本設(shè)計(jì)是在速度給定降為零時(shí),尋找制動(dòng)過程最優(yōu)控制律,因而令ugn = 0, 此時(shí)圖5-9成為圖5-10。圖中ksf是對(duì)1000r/min時(shí)，若令usf= 2.4v, 則ksf =2.4v /（1000r/min）= 0.0024vmin/r 。若考慮速度調(diào)節(jié)器采用pi調(diào)節(jié)器,并加入比例微分負(fù)反饋,其結(jié)構(gòu)圖如圖5-

55、11所示。圖5-10速度環(huán)狀態(tài)反饋簡化圖圖5-11 pi調(diào)節(jié)器加比例微分負(fù)反饋框圖比較圖5-10和圖5-11可得 （5-26）比較式(5-26)兩邊系數(shù)有：kp = 0.97, = 0.063 , tf = 0.0070 , 相應(yīng)速度調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 (5-27)比例微分反饋的傳遞函數(shù)為gfn（s）= 1 + tfs = 1 + 0.0070s (5-28)由式(5-27)可得到速度調(diào)節(jié)器的離散化方程和差分方程為 （5-29） （5-30）由式(5-28)可得比例微分反饋差分方程為ufn（k）= usf（k）+ 0.73usf（k）- usf（k-1） （5-31）（3）速度環(huán)穩(wěn)定性分析考慮

56、反電勢(shì)的影響,數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖5-12所示。其gs（s）由圖5-13求之，它實(shí)際上是速度環(huán)的控制對(duì)象。圖5-12數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖圖5-13速度環(huán)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)圖由圖5-12可得到系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為因而得到系統(tǒng)特征方程為z4 1.34 z3 + 0.58 z2 0.24z + 0.0026 = 0 （5-32）利用計(jì)算機(jī)求解式(2.32)得到的根為z1,2 = 0.165 453jz3 = 0.998z4 = 0.121由此可見,全部根都在單位圓內(nèi),所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。（4）速度環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差分析由圖5-32可得到系統(tǒng)誤差脈沖傳遞函數(shù)為當(dāng)給定為單位階躍輸入時(shí)有當(dāng)給定為速度輸入時(shí)有當(dāng)給定為

57、加速度輸入時(shí)有（5）速度環(huán)采樣周期的選擇速度環(huán)的控制對(duì)象傳遞函數(shù)為則有:我們選擇速度環(huán)采樣周期為0.00330.0096s。第6章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本調(diào)速系統(tǒng)的全部軟件包括主程序、子程序以及中斷處理程序，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。6.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖圖6-1 主程序流程圖如圖6-1所示的主程序流程圖，它完成主程序完成系統(tǒng)的各種功能初始化操作，包括8031的片內(nèi)i/o寄存器、各種狀態(tài)和標(biāo)志位、各個(gè)控制數(shù)據(jù)等的初始化，然后循環(huán)定時(shí)執(zhí)行速度環(huán)和電流環(huán)的計(jì)算，并完成鍵盤輸入、顯示掃描等各種功能。6.2 數(shù)字pi調(diào)節(jié)器程序設(shè)計(jì)在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的

58、設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。當(dāng)輸入時(shí)誤差函數(shù)e(t)、輸出函數(shù)是u(t)時(shí)，pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下 （6-1）式中 kpi為pi調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；t為pi調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。式子（6-1）的時(shí)域表達(dá)式可寫成 （6-2）其中，kp=kpi為比例系數(shù)，ki=1/t為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為 （6-3）其中，tsam為采樣周期。式（6-3）表述的差分方程為位置式算法，u(k)為第k拍的輸出值。由式子看出，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式pi調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，p和i兩

59、部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡單明了。為了安全起見，常須對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出實(shí)行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對(duì)u限幅，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um,當(dāng)u(k)um時(shí)，便以限幅值um作為輸出。而位置式算法必須要同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅。帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字pi調(diào)節(jié)程序框圖如圖6-2所示。6.3 數(shù)字濾波器程序設(shè)計(jì)在檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速信號(hào)中，不可避免地要混入一些干擾信號(hào)。在數(shù)字測(cè)速中，硬件電路只能對(duì)編碼器輸出脈沖起到整形、倍頻的作用，往往用軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。數(shù)字濾波具有使用靈活、修改方便等優(yōu)點(diǎn)，它可以用于測(cè)速濾波，也可以用于電壓、電流檢測(cè)信號(hào)的濾波。常有的數(shù)字濾波主要有三種，它們分別是算數(shù)平均值濾波、中值濾波和中值平均濾波。本次設(shè)計(jì)采用中值平均濾波。中值平均濾波首先要設(shè)有n次采樣值，排序后得x1x2xn，去掉最大值xn和最小值x1，剩下的取算術(shù)平均值即為濾波后的y值中值平均濾波是中值濾波和算術(shù)平均濾波的結(jié)合，即能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復(fù)雜。程序框圖可由上式得出，在此略。圖6-2 位置式數(shù)字pi調(diào)節(jié)器程序框圖6.4 中斷處理程序設(shè)計(jì)6.4.1 電流環(huán)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)它主要完成電機(jī)索零運(yùn)算、電流調(diào)節(jié)器pi運(yùn)算、輕載時(shí)電流自適應(yīng)的運(yùn)算。設(shè)系統(tǒng)電流斷續(xù)臨界值為i0，反饋電流采樣