畢業(yè)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

1、 i 目目 錄錄 摘 要iii abstract iii 第一章 緒論 1 1.1 研究背景和意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景 2 1.3 本研究課題的主要研究?jī)?nèi)容 2 1.4 本章小結(jié)2 第二章 控制原理與方案確定 3 2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念 3 2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案 3 2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 4 2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹 9 2.2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 9 2.2.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 10 2.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 10 2.2.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 11 2.2.5 起動(dòng)過(guò)程分析 11 2.2.6 動(dòng)態(tài)抗擾性能

2、分析 13 2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 13 2.3.1 以電流調(diào)節(jié)器 acr 為核心的電流環(huán)工作原理 13 2.3.2 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)工作原理 13 2.4 控制方案的確定 14 2.4.1 連續(xù)控制與數(shù)字控制的特點(diǎn) 14 2.4.2 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 15 2.5 本章小結(jié)15 第三章 基于 simulink 的系統(tǒng)仿真 16 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)16 3.2 系統(tǒng)仿真17 3.3 仿真結(jié)果分析 18 ii 3.4 本章小結(jié) 18 第四章 硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明19 4.1 控制系統(tǒng)的組成 19 4.1.1 主回路19 4.1.2 檢測(cè)回路19 4.1.3 故障綜

3、合22 4.1.4 數(shù)字控制器 22 4.2 控制器芯片的選擇和應(yīng)用 22 4.2.1 dsp 芯片的選擇 22 4.2.2 tms320cf240 芯片概述23 4.2.3 dsp 編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介 25 4.3 本章小結(jié) 25 第五章 控制算法及軟件設(shè)計(jì) 26 5.1 數(shù)字 pid 控制算法 26 5.1.1 pid 算法的數(shù)字化 26 5.1.2 增量式控制算法的優(yōu)點(diǎn)和不足 28 5.2 雙閉環(huán)控制的控制算法 28 5.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 29 5.4 本章小結(jié) 30 第六章 結(jié)束語(yǔ) 31 參考文獻(xiàn) 32 致 謝33 附錄 a34 附錄 b 36 - iii - 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器的設(shè)

4、計(jì) 摘 要 本文對(duì)微機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)的原理出發(fā)， 建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用 matlab進(jìn)行系統(tǒng)仿真，實(shí)現(xiàn)了控制器參 數(shù)整定。在此基礎(chǔ)上以數(shù)字信號(hào)處理器 (dsp)為控制器，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明， 此調(diào)速系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。 關(guān)鍵詞：微機(jī)控制，雙閉環(huán)，直流調(diào)速，數(shù)字信號(hào)處理 器 the design of the double closed loops dc timing system controller abstract in this paper, dc timing system

5、 controlled by microcomputer had been researched deeply. beginning with the theory of the dc timing system, the math model of the double closed loops dc timing system had been build up, the controller parameter had been adjusted after the system had been simulated with matlab, based on the result of

6、 the simulation, digital signal processor (dsp) is taken as the controller, the design of the double closed loops timing system of the dc motor has been realized through the design of the systems hardware and software. the result shows that this timing system has strong robust. keywords: microcomput

7、er control, double closed loops, dc timing, dsp - 1 - 第一章 緒論 1.1 研究背景和意義1 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展正在影響著人類生活的各個(gè)方面。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用隨著軟件和硬件 技術(shù)日益發(fā)展，出現(xiàn)了前所未有的繁榮。特別是一些具有新技術(shù)的計(jì)算機(jī)芯片的出現(xiàn)， 給計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制方面的應(yīng)用提供了新的開(kāi)發(fā)環(huán)境。例如： c8051單片機(jī)就比以 前的8051單片機(jī)增加了許多功能，特別是使用了流水線指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)，速度很快； 數(shù) 字信號(hào)處理器dsp的出現(xiàn)和新功能的不斷開(kāi)發(fā)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用有后來(lái)居上的勢(shì) 頭。dsp與其它單片機(jī)相比較，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它在芯片

8、結(jié)構(gòu)上采用了哈佛結(jié)構(gòu)，指 令系統(tǒng)使用流水線指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)，增加的事件管理器功能和 pwm輸出，給控制的實(shí)現(xiàn) 提供了有力的支持。因此，在這樣的技術(shù)環(huán)境下，有越來(lái)越多的研究者用 dsp作為控 制手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)控制對(duì)象的控制。 用計(jì)算機(jī)控制電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要內(nèi)容。直流調(diào)速系統(tǒng)在工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機(jī) 結(jié)合使電力拖動(dòng)控制產(chǎn)生了新的變化。計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和直流拖動(dòng)技術(shù)的組 合是技術(shù)領(lǐng)域的交叉，具有廣泛的應(yīng)用前景。直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方法經(jīng)歷了機(jī)械 式的、雙機(jī)組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機(jī)式的發(fā)展過(guò)程。

9、隨著數(shù) 字信號(hào)處理器dsp的出現(xiàn)，給直流調(diào)速控制提供了新的手段和方法。將計(jì)算機(jī)技術(shù)的最 新發(fā)展成果運(yùn)用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為 計(jì)算機(jī)技術(shù)在電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些研究性的工作。 用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的選型很多。經(jīng)過(guò)選擇，選取 dsp 芯片作為控制器。直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，有開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，有閉環(huán)控制系統(tǒng)： 有單閉環(huán)控制系統(tǒng)，有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)；有可逆調(diào)速系統(tǒng)，有不可逆 調(diào)速系統(tǒng)等。 目前，對(duì)于控制對(duì)象的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實(shí)現(xiàn)控制的方法和 手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行技術(shù)

10、升級(jí)。這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷 了從分立元件控制，集成電路控制和單片計(jì)算機(jī)控制等過(guò)程。每一次的技術(shù)升級(jí)都 使 控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進(jìn)。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級(jí)提供了新 的可能。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)檢索，目前己經(jīng)有不少科技工作者開(kāi)展了將 dsp芯片用于電機(jī)控制方 面的研究，但現(xiàn)在應(yīng)用的例子較少，大部分還處于可行性研究階段。 本研究的理論基礎(chǔ)有電機(jī)控制、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等 - 2 - 理論。研究設(shè)想是：通過(guò)研究提出合理的硬件方案和算法，主要進(jìn)行的是理想情況下的 可行性研究，具有工程應(yīng)用的可能和超前性。由于不具備實(shí)現(xiàn)條件，在系統(tǒng)參數(shù)選擇和 調(diào)試方法上，運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行了

11、仿真。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景2 我國(guó)直流調(diào)速傳動(dòng)裝置經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段 :第一階段，66年76年可控硅直流調(diào)速 傳動(dòng)裝置應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)始階段。第二階段， 78年92年，不少設(shè)計(jì)、研究、制造單位吸 取了前一階段的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外廠家先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，表現(xiàn)在三個(gè)方面， 1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)德國(guó)西門子公司雙環(huán)理論及開(kāi)發(fā) modulpacc系列先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。2.元 件篩選及選用上注意了半導(dǎo)體元件質(zhì)量 (特別是印板工藝進(jìn)行了改革一大板結(jié)構(gòu) )，控制 系統(tǒng)的可靠性大大提高。 3.整機(jī)制造技術(shù)工藝上的改進(jìn)。第三階段， 9203年，世界各 國(guó)的外商向開(kāi)放的中國(guó)市場(chǎng)推銷技術(shù)先進(jìn)、性能良好的全數(shù)字直流

12、調(diào)速傳動(dòng)裝置，比較 典型的是西門子公司6r2427系列的直流調(diào)速傳動(dòng)裝置及 abb公司推出的dcv700系列 和英國(guó)歐陸公司ssd-590系列。 目前，國(guó)內(nèi)外一些公司的 6rm系列、avtron公司的add-32系列、abb公司的 dcs系列、ge公司的dc系列、ct公司的mentor、西門子公司6r2427系列、英國(guó)歐 陸公司ssd-590系列數(shù)字直流調(diào)速裝置，廣泛應(yīng)用于制糖機(jī)、橡塑機(jī)械、冶金系統(tǒng)的軋 制、拉鋼、輥道，輕工、化工、紡織系統(tǒng)的單傳動(dòng)裝置。 1.3 本研究課題的主要研究?jī)?nèi)容 本研究課題主要研究基于tms320cf240dsp控制器的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行matla

13、b仿真，進(jìn)行參數(shù)整定。在仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了 設(shè)計(jì)。 1.4 本章小結(jié) 本章對(duì)計(jì)算機(jī)控制的對(duì)象進(jìn)行了綜述，全面對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制要求做了 總結(jié)，為將要進(jìn)行的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供基本的準(zhǔn)備，打下了基 礎(chǔ)。在 下面的研究中就以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路為控制對(duì)象展開(kāi)的。 - 3 - 第二章 控制原理與方案確定 2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念34 在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要 求有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)行性能和控制特性。盡管它不 如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但是長(zhǎng)期以來(lái)，直

14、流調(diào) 速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當(dāng)然，近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技 術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)，由于微機(jī)控制的 直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國(guó)許 多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需 要高性能可控電力拖動(dòng)的場(chǎng)合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理 論上和實(shí)踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此， 直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有實(shí)際意義。 2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的大小常用下式表示： （2- ate

15、 ict 1） 式中，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，單位為 nm； e t 勵(lì)磁磁通，單位為wb； 電樞電流，單位為a； a i 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 t c 以上分析表明，直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個(gè)可控參量和是互相獨(dú)立的，可以 a i 非常方便地分別調(diào)節(jié)，這種機(jī)理使直流電動(dòng)機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，從而有優(yōu)良的 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。 由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性知道，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可用下式表示： （2- e a c riu n 2） 式中，n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min； u電樞供電電壓，單位為v； - 4 - 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢(shì)常數(shù)，=9.55 e c t c e c 在式(2-2)中，

16、為常數(shù)，的大小取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方 e c a i 法有三種： 1. 調(diào)節(jié)電樞供電電壓u 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速， 屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法.對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。 變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 a i 2. 改變電動(dòng)機(jī)主磁通 改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速， 屬恒功率調(diào)速方法，變化時(shí)遇到的時(shí)間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速 f i a i 度較慢，但所需電源容量小。 3. 改變電樞回路電阻r 在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串

17、電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能有級(jí) 調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗 大量電能。 改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性 能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓 調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往 以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來(lái)使用。 2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵(lì) 磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可

18、控直流電源有以下三種： 1. 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 2. 靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生 可調(diào)的直流電壓。 3. 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流 斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。 下面分別對(duì)各種可控直流電源以及由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)作概括性介紹。 1. 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組作為可調(diào)電源的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖 2.1所示。 - 5 - 圖2.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng) 由交流電動(dòng)機(jī)(稱原動(dòng)機(jī)，通常采用三相交流異步電動(dòng)機(jī) )拖動(dòng)直流

19、發(fā)電機(jī)g實(shí)現(xiàn)變 流，由g給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)m供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的大小，就能夠方i 便地改變其輸出電壓u，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n。這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱g-m系統(tǒng)，國(guó)際上通稱ward-leonard系統(tǒng)。為了供給直流發(fā)電機(jī) g和電動(dòng)機(jī) m的勵(lì)磁，還需專門設(shè)置一臺(tái)并勵(lì)的直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī) ge，可裝在變流機(jī)組同軸上由原 動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，也可另外單用一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時(shí)，可直接由勵(lì)磁電源供電，要求較高的閉環(huán)直流調(diào)i 速系統(tǒng)一般都通過(guò)放大裝置 (g-m系統(tǒng)的放大裝置多采用交磁放大機(jī)或磁放大器 )進(jìn)行控 制。如果改變的方向，則u的極性和n的轉(zhuǎn)向都跟著改

20、變，因此g-m系統(tǒng)的可逆運(yùn)行i 是很容易的，圖2.2給出了采用旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電時(shí)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性，它們 基本上都是相互平行的直線，由圖 2.2可見(jiàn)，g-m系統(tǒng)可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)四象 限運(yùn)行。 圖2.2 g-m系統(tǒng)的機(jī)械特性 g-m系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，在 20世紀(jì)50年代曾廣泛地使用，至今在尚未進(jìn)行設(shè) 備更新的地方仍然使用這種系統(tǒng)。但是這種由機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī) 組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)（原動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)）和一 臺(tái)容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、效率低、安裝需打地基、運(yùn)行有噪 第i象限 第iv象限 otetl -tl n0

21、 n1 n2 第ii象限 第iii象限 n - 6 - 音、維護(hù)不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，在 20世紀(jì)50年代開(kāi)始采用靜止變流裝置來(lái)代替 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了由靜止變流裝置供電的時(shí)代。 2. 靜止可控整流器 在20世紀(jì)50年代，開(kāi)始采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來(lái)代替旋轉(zhuǎn)變 流機(jī)組，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。離子拖動(dòng)系統(tǒng)克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而 且縮短了響應(yīng)時(shí)間，但是由于汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，尤其是 水銀如果泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。因此，應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，到了 20世 紀(jì)60年代又讓位給更經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器。 1957年，晶閘管問(wèn)

22、世，它是一種大功率半導(dǎo)體可控整流元件，俗稱可控硅整流元件， 簡(jiǎn)稱“可控硅”，20世紀(jì)60年代起就已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置。晶閘管問(wèn)世以來(lái)， 變流技術(shù)出現(xiàn)了根本性的變革。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (即 晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱v-m系統(tǒng)，又稱靜止的ward-leonard系統(tǒng))己經(jīng)成為直 流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖 2.3所示為v-m系統(tǒng)的原理框圖。 圖2.3 v-m系統(tǒng)的原理框圖 圖2.3中vt是晶閘管可控整流器，它可以是任意一種整流電路，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 gt的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流輸出電壓平均值，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī) d u 的平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離

23、子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性 和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流 器的控制功率小，有利于微電子技術(shù)引入到強(qiáng)電領(lǐng)域；在控制作用的快速性上也大大提 高，有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是，晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下 方面： 1) 晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動(dòng) 機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時(shí)，只好采用開(kāi)關(guān)切換或正、反兩 組全控型整流電路，構(gòu)成 v-m可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。 2) 晶閘管元件對(duì)于過(guò)電壓、過(guò)電流以及過(guò)高的和十分敏感，其中任一dtdudtdi

24、- 7 - 指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)使元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要 求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)保留有足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn) 行。 3) 晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此晶閘管可控整流器對(duì)交流電源來(lái) 說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)載，吸取滯后的無(wú)功電流 ，因此功率因數(shù)低，特別是在深調(diào)速狀 態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生 較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管 整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的 “電力公害”。為此， 應(yīng)采取相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償、濾波和高次諧波

25、的抑制措施。 4) 晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，而且脈波數(shù)總是有限的，如果主電路電 感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù) 兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非 線性。 3. 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷 續(xù)加到負(fù)載上，通過(guò)通、斷時(shí)間的變化來(lái)改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的 直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流 直流變換器。它具有效率高、體積 小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無(wú)軌電車以及電瓶搬 運(yùn)車等

26、電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中。 圖2.4為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波形，圖中 vt代表開(kāi)關(guān)器件。當(dāng)開(kāi)關(guān) vt接通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)vt斷開(kāi)時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī) s u 電樞端電壓為零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖 2.4(b)所示。 a）原理圖 b）電壓波形圖 圖2.4 直流斬波器電路和輸出電壓波形 m + + _ vd vt us t o u us ud t ton 控制電路 m - 8 - 這樣，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值為 ： (2-3) ss on d uu t t u 式中，t開(kāi)關(guān)器件的通斷周期；開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間; on t 占空比； 開(kāi)關(guān)頻率。ft t t

27、 on on f 由式(2-3)可知，直流斬波器的輸出電壓平均值可以通過(guò)改變占空比即通過(guò)改變 d u 開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和（或）關(guān)斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三 種： 1) 脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱pwm)。開(kāi)關(guān)器件的通斷周期t保持 不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時(shí)間，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即 on t 定頻調(diào)寬，稱為脈沖調(diào)寬。 2) 脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency modulation，簡(jiǎn)稱pfm)。開(kāi)關(guān)器件每次導(dǎo)通的時(shí) 間不變，只改變通斷周期t或開(kāi)關(guān)頻率，也就是只改變開(kāi)關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，即定寬調(diào) on tf 頻

28、，稱為調(diào)頻。 3) 兩點(diǎn)式控制。開(kāi)關(guān)器件的通斷周期 t和導(dǎo)通時(shí)間均可變，即調(diào)寬調(diào)頻，亦可 on t 稱為混合調(diào)制。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓 高于某一最大值時(shí)，使開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間以及通斷周期都是不確定的。 構(gòu)成直流斬波器的開(kāi)關(guān)器件過(guò)去用得較多的是普通晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身 沒(méi)有自關(guān)斷能力，必須有附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路，增加了裝置的體積和復(fù)雜性，增加了損 耗，而且由它們組成的斬波器開(kāi)關(guān)頻率低，輸出電流脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。自 20 世紀(jì)70年代以來(lái)，電力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)出多種既能控制其導(dǎo)通又能控制 其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷

29、晶閘管 (gto)，電力晶體管(gtr)、電力場(chǎng)效應(yīng)管 (p-mosfet)、絕緣柵極雙極型晶體管 (igbt)等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu) 成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱pwm調(diào)速系統(tǒng))近年來(lái)在中小功率直流傳動(dòng)中得到了 迅猛的發(fā)展，與v-m調(diào)速系統(tǒng)相比，pwm調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 采用全控型器件的pwm調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開(kāi)關(guān)頻率高，一般在幾 khz，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 2) 由于開(kāi)關(guān)頻率高，僅靠電動(dòng)機(jī)電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流 電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時(shí)電動(dòng)機(jī) - 9 - 的損耗和

30、發(fā)熱都較小。 3) pwm系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高， 而且對(duì)交流電網(wǎng)的影響小，沒(méi)有晶閘管整流器對(duì)電網(wǎng)的 “污染”，功率因數(shù)高，效率 高。 4) 主電路所需的功率元件少，線路簡(jiǎn)單，控制方便。 目前，受到器件容量的限制， pwm直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。 2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹34 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和多閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有控制容易、能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速和快速響應(yīng)等特點(diǎn)， 在直流調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 許多生產(chǎn)機(jī)械，由于加工和運(yùn)行的要求，使電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的過(guò)

31、 渡過(guò)程中，因此起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間在很大程度上決定了生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)效率。為縮 短這一部分時(shí)間，僅采用 pi 調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能還不很令人 滿意。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 pi 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提 下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(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)就難以滿足需要。是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨 心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 我們希望能實(shí)現(xiàn)控制： 1) 起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋； 2) 穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在

32、系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào) 速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。 本節(jié)將著重闡明其原理及設(shè)計(jì)線路。 2.2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是由電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，可獲得良好的靜、 動(dòng)態(tài)性能（兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用 pi 調(diào)節(jié)器） ，由于調(diào)整系統(tǒng)的主要參量為轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速 環(huán)作為主環(huán)放在外面，電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，這樣可以抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的 影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2.5 所示。 圖 2.5 中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去 - 10 -

33、控制電力電子變換器 upe。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊， 稱作外環(huán)。 這就形成了速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖2.5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg測(cè)速發(fā)電機(jī) ta電流互感器 upe電力電子變換器 2.2.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 pi 調(diào)節(jié)器，這 樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于圖 2.6。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸 出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的， c u 并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。 圖2.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路

34、原理圖 圖 2.6 中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值； * im u 2. 電流調(diào)節(jié)器 acr 的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 cm u 。 dm u tg n asr acr u*n + - un ui u*i + - uc ta v m + - ud id upe l - m t g + 內(nèi)環(huán) 外 環(huán) g - 11 - 2.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.7。它可 以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫(huà)出來(lái)，只要注意用帶限幅的輸出特性表示pi 調(diào)節(jié)

35、器就 可以了。 圖2.7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); 電流反饋系數(shù) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù) dm i 反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào) dm i 節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)pi 調(diào)節(jié) 器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系 統(tǒng)靜特性好。 2.2.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.8 所示。 圖2.8 雙閉環(huán)直流調(diào)

36、速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖 2.8 中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。一般來(lái))(swasr)(swacr 說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗 擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流 內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能 u* n uc -idl n ud0 un + - - + - ui wasr(s) wacr(s) ks tss+1 1/r tl s+1 r tms u*i id 1/ce + e ks 1/ce u*nuc id enud0 un + - asr

37、 + u*i - r acr - ui upe - 12 - 反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。 2.2.5 起動(dòng)過(guò)程分析 設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程，因此在分析雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過(guò)程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程 * n u 示于圖 2.9。 由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè) 動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的 i、ii、iii 三個(gè)階段。 圖2.9 轉(zhuǎn)速和電流的啟動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線 第階段： 突加給定電壓后，上升，當(dāng)小于負(fù)載電流時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) * n u

38、d i d i dl i 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 d i dl i asr 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上 * im u d i 升。直到，=，=電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié) d i dm i i u * im u d i 束。 第階段： 在這個(gè)階段中，asr 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電 壓 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈 * im u d i 線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) e 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， e 是 一個(gè)線

39、性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才 0d u c u 能保持恒定。 d i 當(dāng) acr 采用 pi 調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一 - 13 - 定的恒值，也就是說(shuō)，應(yīng)略低于。 d i dm i 第階段： 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于 積分作用還維持在限幅值，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， asr * im u 輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于 * i u d i d i 負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則=0，轉(zhuǎn)速 n 才 dl i

40、 d i dl i le tt dtdn 到達(dá)峰值(t=t3 時(shí))。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間 內(nèi)(t3t4)，直到穩(wěn)定。 d i dl i 2.2.6 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng) 態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 1.抗負(fù)載擾動(dòng) 由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì) asr 時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的

41、 調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。 2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理34 2.3.1 以電流調(diào)節(jié)器 acr 為核心的電流環(huán)工作原理 電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器acr和電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過(guò) 電流檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流。由于 acr為pi調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸入偏差電壓 ，即=。其中為電流反饋系數(shù)。0 * diiii iuuuu d i * i u 當(dāng)一定時(shí)，由于電流負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在 * i u 數(shù)值上。當(dāng)時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程為： * i u d i * i u = d i i u di iu * a u d u d i 最

42、終保持電流穩(wěn)定。當(dāng)電流下降時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過(guò)程。 2.3.2 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)工作原理 轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過(guò) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。 - 14 - 由于asr采用pi調(diào)節(jié)器，所以在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)滿足，即n=0 * nuu nn 。 * n u 當(dāng)一定時(shí),轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在數(shù)值上。當(dāng)n時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程為： * n u * n u * n u fzn= ()0n n unun * i u i u a u d u 最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過(guò)程。 2.4 控制方案的確定 隨

43、著微處理器的出現(xiàn)及運(yùn)算速度的提高，運(yùn)動(dòng)控制也由原來(lái)的以模擬量反饋、模擬 控制器為核心的連續(xù)控制系統(tǒng)過(guò)渡到以數(shù)字量處理為主、以高速信號(hào)處理器為控制核心 的數(shù)字控制系統(tǒng)。特別是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù) (主要是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù))在工業(yè)領(lǐng)域的普及和發(fā)展， 就更加確定了數(shù)字控制的主導(dǎo)地位。 2.4.1 連續(xù)控制與數(shù)字控制的特點(diǎn) 連續(xù)控制系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎(chǔ)，由模擬電子電路構(gòu)成控制器，因而存在如 下主要弱點(diǎn)： 1由運(yùn)算放大器構(gòu)成的pid調(diào)節(jié)器，其參數(shù)一經(jīng)設(shè)定，不易經(jīng)常調(diào)整，對(duì)工況的變 化和對(duì)象的變化自適應(yīng)能力差； 2模擬控制器很難實(shí)現(xiàn)高級(jí)的控制策略和控制方法，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)這樣復(fù) 雜對(duì)象的控制； 3受成本的限

44、制，對(duì)反饋量的模擬電路檢測(cè)精度不高，因而控制精度也不易提高； 4用模擬器件構(gòu)成的控制電路集成度不高，硬件復(fù)雜，可靠性低，可重復(fù)性差。 因而，連續(xù)控制已經(jīng)不能適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展需要。 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，不僅克服了上述連續(xù)控制的弱點(diǎn)，而且可以實(shí) 現(xiàn)原連續(xù)控制不可想象的高復(fù)雜程度、高精度的控制，為運(yùn)動(dòng)控制注入了新的活力，并 將其推向更高的發(fā)展階段。歸納數(shù)字控制的主要特點(diǎn)如下 : 1控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路簡(jiǎn)單而且統(tǒng)一，可靠性高，可重復(fù)性好，對(duì)于不 同的控制對(duì)象和控制要求，只需改變控制算法軟件即可，可以實(shí)現(xiàn)同一控制器既可控制 直流電機(jī)又可控制交流電機(jī)。 2數(shù)字控制器的輸入輸出通道可

45、以實(shí)現(xiàn)控制量的模擬輸出、反饋量的數(shù)字輸入， 具有數(shù)據(jù)采集速度快、值域范圍寬、分辨率高、精度高等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高性能的運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。 - 15 - 3采用高速數(shù)字信號(hào)處理器為控制器，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高性能的各種控制策略和 方法，如矢量控制、多變量模糊控制等。由于軟件的靈活性，可以盡可能充分地實(shí)現(xiàn)人 工智能，更好地適應(yīng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜多變。 4借助一些人機(jī)界面設(shè)備 (如與處理器相連的液晶顯示屏、控制面板、觸摸屏等 ) 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警、故障診斷等功能 ；借助處理器的通訊能力實(shí)現(xiàn)與 上位機(jī)的通訊；借助現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)底層控制設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)：因而更方便地實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜 度的多機(jī)協(xié)同工作。

46、2.4.2 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 在2.2和2.3中己經(jīng)了解了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，現(xiàn)在采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)該 系統(tǒng)的數(shù)字控制，其原理框圖如圖 2.10所示： 圖2.10 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 在數(shù)字裝置中，由計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)其功能 ，即為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)： 1雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制； 2全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測(cè)； 3采用數(shù)字pi算法，由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。 2.5 本章小結(jié) 本章對(duì)計(jì)算機(jī)控制的對(duì)象進(jìn)行了綜述，全面對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制要求做了 總結(jié)，為將要進(jìn)行的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供基本的準(zhǔn)備，打下了基礎(chǔ)。在下 面的研究中就以

47、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路為控制對(duì)象展開(kāi)的。 - 16 - 第三章 基于 simulink 的系統(tǒng)仿真 為了在研究和設(shè)計(jì)中去獲得合適的參數(shù)，不斷的改進(jìn)設(shè)計(jì)，在軟件設(shè)計(jì)之前， 首 先用目前流行的matlab軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真是在理想的情況下進(jìn)行的， 獲得結(jié)果對(duì)研究分析系統(tǒng)可以得到相當(dāng)好的幫助。 在仿真模型的建立過(guò)程中，控制部分中的 simulink模塊參數(shù)的設(shè)置比較困難，也 很關(guān)鍵，為了獲得比較好的仿真效果，為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，需要在仿真過(guò) 程中不斷調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的效果。 系統(tǒng)的仿真分為三個(gè)步驟，分別是：建模、設(shè)置參數(shù)、仿真及仿真結(jié)果分析。 在建模的時(shí)候，首先要分析系

48、統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)的每個(gè)細(xì)節(jié)，從 simulink模塊箱中找到 合適的模塊；然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置是一個(gè)難點(diǎn)，可以將實(shí)際系統(tǒng)中的主電路參 數(shù)作為初始值，根據(jù)需要，不斷調(diào)整控制部分的參數(shù)。 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 直流電機(jī)：220v，136a，1460r/min，=0.132v min/r，允許過(guò)載倍數(shù)=1.5。晶 e c 閘管裝置放大系數(shù)=40；電樞回路總電阻：r=0.5；時(shí)間常數(shù)：=0.03s, s k l t =0.18s。電流反饋系數(shù)：取電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅值為 10v，則電流反饋系數(shù) m t =0.05v/a(10v/1.5)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：同理取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值為 10v，則 n i 轉(zhuǎn)

49、速反饋系數(shù)=0.007 v min/r(10v/)。 n n 首先按照調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 將電流環(huán)校正為典型型系統(tǒng)，取 =0.5，考慮電流反饋中的電流紋波，取電 i it k 流濾波時(shí)間常數(shù)為2ms，電流調(diào)節(jié)器選用pi調(diào)節(jié)器。 將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型型系統(tǒng)，取h=5，考慮到轉(zhuǎn)速反饋中的電壓紋波，取轉(zhuǎn)速濾 波時(shí)間常數(shù)為3ms，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用pi調(diào)節(jié)器。 根據(jù)橋式整流電路、電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、晶閘管的放大倍數(shù)等來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。根據(jù)工 程設(shè)計(jì)方法，理論分析得出 模型參數(shù)設(shè)計(jì)如下： 電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。 s s swacr 03 . 0 013 . 1 03039 . 0 )( 轉(zhuǎn)速

50、調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。 s s swasr 087 . 0 7 . 110179 . 1 )( - 17 - 變換器模型為； 10017 . 0 40 1 sst k s s 電機(jī)模型參數(shù)為。 132 . 0 1 18 . 0 5 . 0 103 . 0 21 1 /1 sscst r st r eml 給定轉(zhuǎn)速為714r/min；階躍給定值5v； acr、asr的參數(shù)分別設(shè)計(jì)為： acr：=1.013,=1.013/0.03； asr：=11.7,=11.7/0.087。 cp k ci k sp k si k 限幅器的上下限設(shè)置為10,0。 3.2 系統(tǒng)仿真5 利用sinmulink的元件庫(kù)

51、功能，在matlab中進(jìn)行雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模，如圖 3.1所示，圖中asr是速度調(diào)節(jié)器模塊，acr是電流調(diào)節(jié)器模塊，還用到了放大器 gain，示波器scope等。 圖3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模 仿真的結(jié)果可以通過(guò)示波器模塊輸出，當(dāng)給定信號(hào)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，示波器的輸 出將發(fā)生變化。本仿真是模擬 給定階躍變化時(shí)轉(zhuǎn)速和電流的啟動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程 ，輸出是速 度和電流。圖 3.2 給出了突加給定，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電樞電流波形和轉(zhuǎn)速 n 波形 g u d i 的示波器仿真輸出。 從圖3.2中可以看到速度與電流之間的關(guān)系基本上符合理想的波形。圖中橫坐標(biāo)表示 - 18 - 時(shí)間，縱坐標(biāo)表示幅值。 圖3.2

52、電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線和電流曲線 3.3 仿真結(jié)果分析 從仿真結(jié)果可以看到，啟動(dòng)過(guò)程的第一階段是電流上升階段。突加給定電壓， asr的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流上升也很快，接近其峰值。第二階段， asr飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值 后，由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后， asr輸入端 出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它推出了飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使速度保持恒定，仿真結(jié) 果基本上反映了這一點(diǎn)。 3.4 本章小結(jié) 在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)硬

53、件要求進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。比如，電 流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)的確定，都需要反復(fù)修改，才能使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 滿足要求。為了獲得良好效果，用 matlab軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，給系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定提 供支持。 轉(zhuǎn)速 電流 - 19 - 第四章 硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明 4.1 控制系統(tǒng)的組成67 微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 4.1所示，系統(tǒng)由以下部分組成： 主電路、檢測(cè)電路、故障綜合、數(shù)字控制器。硬件電路圖見(jiàn)附錄圖 b。 圖4.1 微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流 pwm調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 4.1.1 主回路 三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過(guò)直流 pwm變換 器得到可調(diào)的直流電

54、壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。 4.1.2 檢測(cè)回路 檢測(cè)回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其中電壓、電流和溫度檢測(cè)由 a/d 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。 a.轉(zhuǎn)速檢測(cè) 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， 如圖4.2所示。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)相連，當(dāng) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。 - 20 - 圖4.2 光電碼盤(pán)轉(zhuǎn)換電路 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 在一定時(shí)間內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)。把除以就可得到旋轉(zhuǎn)編 1 m 1 m c

55、t 碼器輸出脈沖的頻率，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 c tmf 11 (z=倍頻系數(shù)編碼器光柵數(shù))，把除以z就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時(shí)間以 1 f c t 秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)為單位的，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 (4-1) c zt m n 1 60 在上式中，z和均為常值，因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個(gè)數(shù)。高速時(shí)大，量化誤差 c t 1 m 1 m 較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)將小于1，測(cè)速裝置便不能正常工作。 1 m 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)已知頻率為的高頻 0 f 時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)

56、，并由此來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作 t法測(cè)速。在這里，測(cè)速時(shí)間緣于編碼器 輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在 t法測(cè)速中，準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間是用所得的高頻 t t 時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算出來(lái)的，即，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 m 02 fmtt (4-2) 2 0 6060 zm f zt n t 高速時(shí)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， 2 m 與m法恰好相反。 (3) m/t法測(cè)速 m法測(cè)速在高速段分辨率強(qiáng)； t法測(cè)速在低速段分辨率強(qiáng)；因此，可以將兩種測(cè)速 方法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。既檢測(cè)時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)，又檢測(cè)同一 c t 1 m 時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速

57、，稱作m/t法測(cè)速。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖 2 m - 21 - 的頻率為，則準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 0 f 02 fmtt (4-3) 2 011 6060 zm fm zt m n t 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(kāi)啟與關(guān)閉，以減小誤差，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(kāi)始或停止計(jì)數(shù)。 由于m/t法的計(jì)數(shù)值和都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于 m法測(cè)速， 1 m 2 m 最低速時(shí)，=1，自動(dòng)進(jìn)入t法測(cè)速。因此m/t法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩 1 m 種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。 所以，測(cè)速采用m/t法

58、。 b.電流和電壓檢測(cè) 電流和電壓檢測(cè)除了用來(lái)構(gòu)成相應(yīng)的反饋控制外，還是各種保護(hù)和故障診斷信息的 來(lái)源。電流、電壓信號(hào)也存在幅值和極性的問(wèn)題，需經(jīng)過(guò)一定的處理后，經(jīng) a/d轉(zhuǎn)換送 入微機(jī)，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。 電流檢測(cè)原理如圖4-3所示?；魻栯娏鱾鞲衅骶哂袦y(cè)量精度高、線性度好、響應(yīng)快、 隔離徹底的特點(diǎn)，近來(lái)在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。 圖4.3 霍爾效應(yīng)電流變換器 電壓檢測(cè)原理圖如圖4.4所示： 圖4.4 信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換 a1 a2 r1 ro ui r2 r3 r4 r5 r6 uia +15v + 5v ua ub a/d r1 ro r2 r3 r4 ub r5 r6 uia ui -

59、22 - 4.1.3 故障綜合 利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若 發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控 制的優(yōu)勢(shì)所在。 4.1.4 數(shù)字控制器 數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，可選用單片微機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（ dsp）。在本設(shè)計(jì) 中，采用tms320x240系列專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的微處理器，本身都帶有 a/d轉(zhuǎn)換器、通 用i/o和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測(cè)速和 pwm生成功能， 可大大簡(jiǎn)化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。 4.2 控制器芯片的選擇和應(yīng)用89101112 長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)一直是

60、電力拖動(dòng)控制領(lǐng)域最活躍的部分，各 個(gè)階段都不斷出現(xiàn)新技術(shù)新方法 ，經(jīng)歷了機(jī)械式調(diào)速、電子式調(diào)速、集成電路應(yīng)用調(diào)速、 計(jì)算機(jī)控制等階段和過(guò)程。隨著新技術(shù)的發(fā)展，特別是芯片技術(shù)的發(fā)展，再一次提供了 機(jī)遇。本研究就是試圖將 dsp技術(shù)與電力拖動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行一些創(chuàng)新性的工作。 4.2.1 dsp 芯片的選擇 在這次設(shè)計(jì)中，我們采用的是 tms320f240系列。ti公司最新推出的tms320c2xx 系列具有良好的性能價(jià)格比。 tms320f240內(nèi)置8k/16k字快閃存儲(chǔ)器，增加了兩路 10 位a/d，每路采樣頻率可達(dá)166khz，提供9路獨(dú)立的pwm輸出，內(nèi)置sci和spi接口，內(nèi) 置ca