數(shù)字化直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、數(shù)字化直流電機(jī)雙閉調(diào)速系統(tǒng)摘 要 本文敘述了直流電動(dòng)機(jī)的基本原理和調(diào)速原理，介紹了直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)和雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜、動(dòng)態(tài)特性，并且根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的基本方程建立了調(diào) 速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了直流電動(dòng)機(jī)雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。最后用 MATLAB 軟件搭建了仿真模型，對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真 研究。 通過對直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究與仿真， 可以清楚地看到， 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，可以在給定調(diào)速范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn) 無靜差平滑調(diào)速，這為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；雙閉環(huán)調(diào)速；轉(zhuǎn)速環(huán)；電流環(huán)；MATLAB

2、仿真目 錄第 1 章 緒論 . 1 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案 . 22.1 概述 . 2 2.2 方案選擇 . 2 2.3 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) . 4第 3 章 硬件設(shè)計(jì) . 53.1 單片機(jī)控制器 . 5 3.2 接口電路 . 5 3.3 D/A 轉(zhuǎn)換電路 . 6 3.4 觸發(fā)電路 . 6 3.5 三相整流電路 . 7 3.6 電流檢測電路 . 7 3.7 A/D 轉(zhuǎn)換電路 . 8 3.8 轉(zhuǎn)速檢測電路 . 8 3.9 鍵盤顯示電路 . 9第 4 章 軟件設(shè)計(jì) . 114.1 設(shè)計(jì)要求 . 11 4.2 電流環(huán)的設(shè)計(jì) . 11 4.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) . 12 4.4 閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì) .

3、 12 4.5 程序設(shè)計(jì) . 13第 5 章 系統(tǒng)測試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析 . 15 第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) . 17 參考文獻(xiàn) . 18第1章 緒論三十多年來，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模 擬元件，雖在一定程度上滿足生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣?，在使用中易?外界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受器件性能、溫度等因素的 影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及標(biāo)準(zhǔn)性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。而如今首先實(shí) 現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī) 組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。大功率直流調(diào)速系統(tǒng)通 常采用三相全控橋式

4、整流電路對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電， 從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 同時(shí)， 控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高， 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展， 走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng) 域中仍然難以替代。 直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械的要 求。 從機(jī)械特性上看,就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動(dòng)機(jī) 的機(jī)械特性,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn),使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn) 定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi) 平滑調(diào)速

5、，在軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖 動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用歷史悠久。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無論 在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖 動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 雙閉環(huán)不可逆調(diào)速系統(tǒng)在上世紀(jì)七十年代在國外一些發(fā)達(dá)國家興起，經(jīng)過數(shù) 十年的發(fā)展已經(jīng)成熟，在二十一世紀(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化與智能化。我國在直流調(diào) 速產(chǎn)品的研發(fā)上取得了一定的成就，但和國外相比仍有很大差距。我國自主的全 數(shù)字化直流調(diào)速裝置還沒有全面商用，產(chǎn)品的功能上沒有國外產(chǎn)品的功能強(qiáng)大。 而國外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴， 也給國產(chǎn)的全數(shù)

6、字控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間。 目前，發(fā)達(dá)國家應(yīng)用的先進(jìn)電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控 制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用到了各類儀器儀表， 機(jī)械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過程中。 隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢也向著控制的數(shù)字 化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。而在我們國內(nèi)，雙閉環(huán)控制也已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的發(fā) 展時(shí)期，已經(jīng)基本發(fā)展成熟，目前的趨勢仍是追趕著發(fā)達(dá)國家的腳步，向著數(shù)字 化發(fā)展。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得許多控制功能及算法可以采用軟件 技術(shù)來完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。第2章 課程設(shè)計(jì)的方案2.1 概述本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)

7、，設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，并在實(shí)踐的 基本技能方面進(jìn)行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練，能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“微型計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本 方法。 應(yīng)用場合: 應(yīng)用于經(jīng)常頻繁調(diào)速運(yùn)行的高性能調(diào)速系統(tǒng)，例如可逆軋鋼機(jī)和 龍門刨床等高精度工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。 系統(tǒng)功能介紹：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是串級調(diào)速控制系統(tǒng)，即分別通過轉(zhuǎn)速 環(huán)和電流環(huán)協(xié)同作用來調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，由相應(yīng)的控制器連接外圍電路， 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定、顯示和保護(hù)等功能。2.2 方案選擇方案一：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流 電動(dòng)機(jī)上安裝一臺(tái)測速裝

8、置，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓 U n 與給定轉(zhuǎn)速定電壓 U * n 比較后，得偏差電壓 U ，經(jīng) ASR 控制器進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，產(chǎn)生整流觸發(fā)裝置的 控制電壓 U k ，控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖 2.1 所示。圖 2.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖 2.2 所示。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流 分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制，系統(tǒng)中設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器 ACR 和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR?？梢?，電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)（內(nèi)環(huán)） ，ACR 接收由 ASR 輸出 U * 和反饋電流電壓 U i 的偏差電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)控制觸發(fā)

9、 i 整流裝置；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速檢測反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成了轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)） ，ASR 接收給定轉(zhuǎn)速電壓 U * 和轉(zhuǎn)速電壓 U n 的偏差電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電流環(huán)的給定電 n 壓 U * 。ASR 和 ACR 均為 PI 調(diào)節(jié)器，輸入輸出均設(shè)有限幅電路，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 i ASR 的輸出限幅電壓 U* 決定了電流給定電壓的最大值， 電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出 im 限幅電壓 U cm 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 U dm 。圖 2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖方案一采用單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí) 現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。但是反饋調(diào)節(jié)時(shí)整流電路的脈波數(shù) m

10、= 2 ，3，6， 12， 其數(shù)目總是有限的，比直流電機(jī)每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此,除 非主電路電感 L = ，否則晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總會(huì)帶來各種影響，主 要有：(1) 脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,對生產(chǎn)機(jī)械不利；(2)脈動(dòng)電流流入電源，對電 網(wǎng)不利， 同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。 晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外， 還含有交流分量，交流分量會(huì)造成電網(wǎng)波動(dòng)。 方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的 可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí) 也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過程。 在啟動(dòng)過程的主要階段， 只有電流負(fù)反饋， 沒有轉(zhuǎn)速

11、負(fù)反饋，讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差 調(diào)節(jié)， 又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程， 很好的滿足了生產(chǎn)需求。而單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于快速起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài) 速降小等環(huán)境就不能滿足要求，因?yàn)閱伍]環(huán)系統(tǒng)不能隨心所欲的控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇了方案二，即雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。2.3 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制器、接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)電路、三相整 流電路、電流檢測電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、鍵盤顯示電路和直流電 動(dòng)機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)由鍵盤輸入給定轉(zhuǎn)速，給定值與接口電路接收的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)及 電流反饋

12、信號(hào)形成偏差，由單片機(jī)控制器分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速和電流的 PID 調(diào)節(jié)，輸出 控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換作為觸發(fā)整流電路的控制電壓，調(diào)節(jié)整流輸出電壓以調(diào)節(jié)直 流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速盡快達(dá)到給定值并實(shí)現(xiàn)無靜差，并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖 2.3 所示。圖 2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)控制器雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制功能簡單，選擇單片機(jī) AT89C52 作為主控制器， AT89C52 是一個(gè)低電壓、高性能的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi) 8KB Flash ROM 程 序存儲(chǔ)器；可尋址 64KB 的片外程序存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器控制電路 ；2 個(gè) 16 位定/計(jì)數(shù)器；2 個(gè)外部中斷；

13、一個(gè)全雙工的異步串行口。單片機(jī)最小系統(tǒng)如下上 圖 3.1 所示。圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3.2 接口電路由于外圍所接電路的信號(hào)及數(shù)據(jù)線較多，故選擇 8255A 接口電路進(jìn)行拓展， 其中 8255A 接口有 PA、PB、PC 三個(gè)可編程接口，可以工作在三種方式。接口電 路與 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換電路相連，接收經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換的反饋電流信號(hào)并送往單片機(jī) P0 口，接收單片機(jī)控制信號(hào)送往 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后控制觸發(fā)整流電路。接口電 路圖如下圖 3.2 所示。圖 3.2 接口電路圖3.3 D/A 轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)的 D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器采用 DAC0832， DAC0832 是采用 CMOS 工藝制

14、成的單 片直流輸出型 8 位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，可以工作在直通、單緩沖和雙緩沖三種方式，本 設(shè)計(jì)采用直通方式。D/A 轉(zhuǎn)換圖如下圖 3.3 所示。圖 3.3 D/A 轉(zhuǎn)換電路圖3.4 觸發(fā)電路為使線路簡單，工作可靠，裝置體積小，本設(shè)計(jì)采用 KJ004 組成的六脈沖集 成觸發(fā)電路。觸發(fā)電路根據(jù)給定的控制電壓，輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖信號(hào)，分別控 制三相晶閘管整流電路的晶閘管觸發(fā)端，改變導(dǎo)通角以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的供 電電壓。a 相觸發(fā)電路圖如下圖 3.4 所示。圖 3.4 觸發(fā)原理引腳圖3.5 三相整流電路整流電路形式為三相全控橋，而全橋電路中整流晶閘管是關(guān)鍵。針對本設(shè)計(jì) 的直流電動(dòng)機(jī)，選擇型號(hào)為 KP50

15、-7 晶閘管元件。KP50-7 晶閘管工作原理圖如下 圖所示。圖 3.5 KP50-7 工作原理圖3.6 電流檢測電路電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波 整流后，用于控制系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)的電流檢測電路采用 ACS712 傳感器，ACS712 串聯(lián)在整流回路中，里面的霍爾傳感器根據(jù)電流大小感應(yīng)出電壓來，將電壓送往 A/D 轉(zhuǎn)換器處理，作為電流反饋信號(hào)。電流檢測電路腳圖如下圖 3.6 所示。圖 3.6 電流檢測電路圖3.7 A/D 轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)的 A/D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器采用 ADC0809， ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換 器。它由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、

16、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài) 輸出鎖存器組成。A/D 轉(zhuǎn)換器將采集來的電流反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，送給單片 機(jī)的接口電路，完成信息采集。A/D 轉(zhuǎn)換電路圖如下圖 3.7 所示。圖 3.7 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖3.8 轉(zhuǎn)速檢測電路對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù) 字測速，測速器選擇 EPC7553。本設(shè)計(jì)的速度測量采用數(shù)值 M/T 法測速。利用 T1 作為定時(shí)器，T0 為計(jì)數(shù)器，在一定時(shí)間 Tc 內(nèi)由單片機(jī)接口測取旋轉(zhuǎn)編碼器的 輸出脈沖個(gè)數(shù) M1，又檢測同一時(shí)間間隔內(nèi)高頻脈沖個(gè)數(shù) M2，最后由轉(zhuǎn)速中斷程 序完成轉(zhuǎn)速的測量。轉(zhuǎn)速檢測電路圖如下圖

17、3.8 所示。圖 3.8 轉(zhuǎn)速檢測電路圖3.9 鍵盤顯示電路鍵盤顯示電路要完成轉(zhuǎn)速的設(shè)定以及轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示， 本設(shè)計(jì)選取 CH451 芯片 作為鍵盤顯示驅(qū)動(dòng)芯片。 CH451 是一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制以 及P 監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451 內(nèi)置 RC 振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng) 8 位數(shù) 碼管或者 64 位 LED，具有 BCD 譯碼、閃爍、移位等功能；同時(shí)還可以進(jìn)行 64 鍵的鍵盤掃描；CH451 通過可以級聯(lián)的串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且提供 上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。由于端口接線少，而且控制簡單，實(shí)時(shí)刷新，可 以兼并鍵盤轉(zhuǎn)速設(shè)定和四位數(shù)碼管的轉(zhuǎn)速輸出，所以選擇 CH4

18、51 芯片。其中按鍵 K0 和 K5 用于控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，K1 和 K6 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速千位的增減，K2 和 K7 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速百位的增減，K3 和 K8 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速十位的增減，K43 和 K98 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速 百位的增減。 ，鍵盤顯示電路如下圖 3.9 所示。圖 3.9 鍵盤顯示電路第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)要求直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)要求如下： 1. 直流電動(dòng)機(jī)的額定功率 PN=10KW， 額定電壓 UN=220V， 額定電流 IN=55A， 額定轉(zhuǎn)速 n N =1000r/min，電樞電阻 Ra=0.5，電樞回路總電阻可取為 R=2Ra=1， 電樞繞組電感 La=17mH，

19、電流過載倍數(shù) =1.5，系統(tǒng)總飛輪矩 GD2=10 Nm2 2. 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)指標(biāo)：調(diào)速范圍 D=10，靜差率 s 5%。 系統(tǒng)參數(shù)： 電動(dòng)勢結(jié)構(gòu)常數(shù) C e =（220-55*0.5）/1000=0.1925 電磁時(shí)間常數(shù) Tl =0.017/1s=0.017s， m =10*1/(375*9.55*0.1925*0.1925)=0.075s T 所選的晶閘管裝置放大系數(shù) K s =44，觸發(fā)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts =0.00167s 設(shè)電流環(huán)的限幅電壓為 10V，則測速碼盤的轉(zhuǎn)速反饋系 =0.01158 V min/ r 電流檢測電路反饋系數(shù) =0.096 V / A4.2 電流環(huán)的

20、設(shè)計(jì)1、確定時(shí)間常數(shù) 1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts ，三相橋式電路平均失控時(shí)間 Ts =0.0017s 2) 電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi ，三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12） Toi ，因此取 Toi =2ms=0.002s。3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 T，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 T = Ts + Toi = 0.0037 s 2、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) (4.1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求靜差率 s 5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電 流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用電流型 PI 調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù) K ( s + 1) WACR ( s

21、 ) = i i (4.2) is 電流調(diào)節(jié)控制對象傳遞函數(shù) K s / R 4.224 W1 ( s ) = = (1 + Ts s )(1 + Tl s ) (1 + 0.0017 s )(1 + 0.017 s ) 由工程整定方法可知，電流環(huán)為隨動(dòng)系統(tǒng)，故可知 KI K W ACR ( s ) *W1 ( s ) = = s (Ts + 1) s (Ts + 1)(4.3)由整定方法知道 i = T =0.017sK I * Ts = K I *0.0017=0.5 可得 K I =294.2Ki = K IR i Ks=294.2*1*0.017/(0.096*44)=1.1791.1

22、79(0.017 s + 1) 0.017 s則電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為W ACR ( s ) = (4.5)4.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 PI 型，因?yàn)檗D(zhuǎn)速換為外環(huán)，抗外界擾動(dòng)能力比較強(qiáng)。 轉(zhuǎn)速環(huán)控制對象為內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即慣性環(huán)節(jié)，設(shè)調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為W ASR ( s ) = K n ( n s + 1) ns(4.6)其被控對象傳遞函數(shù)W2 ( s ) =R / CeTm s ( s / K I + 1) =0.01158 *1 / 0.05 0.1925 * 0.075s ( s / 294.12 + 1)(4.7) (4.8)W2 ( s) =由題可知抗擾系統(tǒng)的WASR

23、 (s) *W2 (s) =3.14667 s( s / 294.12 + 1)0.121Kn K = 2 2 0.144 n s (s / 294.12 + 1) s (Ts + 1) K N = 0.121K n /(0.144 n )(4.9) (4.10)由工程方法可知h=5 n =h/ K I =5/294.2=0.017sK N = (h + 1) /(2h 2 / K I2 ) K N =10386所以 K n =10386*0.017*.0144/0.121=21.08 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳函為W ASR ( s ) = 21.08(0.017 s + 1) 0.017 s (4.1

24、1)4.4 閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)在電流環(huán)之外，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出作為 電流環(huán)的給定值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。電流環(huán)控制電動(dòng)機(jī)的電流，輸出整流觸發(fā)裝置的觸發(fā)電壓，可以通過調(diào)節(jié)電流快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)快速加減速。兩個(gè)控制 器均采用 PI 調(diào)節(jié)器，雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 4.1 所示。圖 4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.5 程序設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的程序由主程序、 中斷采樣程序和鍵盤顯示子程序構(gòu)成。 中斷采樣程序主要完成電流的采樣和轉(zhuǎn)速的采樣；鍵盤顯示子程序主要完成給定 和轉(zhuǎn)速顯示；主程序主要完成電流偏差和轉(zhuǎn)速偏差的 PID 調(diào)節(jié)、輸出限幅及輸出

25、值 D/A 轉(zhuǎn)換。 4.2 為中斷采樣程序， 4.3 為鍵盤顯示子程序， 4.3 為主程序。圖 4.2 中斷采樣程序圖 4.3 鍵盤顯示子程序圖 4.3 主程序close all;clear all;clc;N=33;wc=pi/3;N1=fix(wc/(2*pi/N);N2=N-2*N1-1;A=zeros(1,N1+1),ones(1,N2),zeros(1,N1); A(N1+2)=0.3904;A(N-N1)=0.3904;theta=-pi*0:N-1*(N-1)/N;H=A.*exp(j*theta); h=real(ifft(H);v=1:

26、N;subplot(2,2,1),plot(v ,A,'k*');title('頻率樣本');ylabel('H(k)');axis(0,fix(N*1.1),-0.1,1.1);subplot(2,2,2),stem(v ,h,'k');title('脈沖響應(yīng)');ylabel('h(n)');axis(0,fix(N*1.1),min(h)*1.1,max(h)*1.1);M=500;nx=1:N;w=linspace(0,pi,M);X=h*exp(-j*nx'*w

27、);subplot(2,2,3),plot(w./pi,abs(X),'k');xlabel('omega/pi');ylabel('Hd(w)');title('幅度響應(yīng)');axis(0,1,-0.1,1.3);subplot(2,2,4),plot(w./pi,20*log10(abs(X),'k');title('幅度響應(yīng)'),xlabel('omega/pi');ylabel('dB');axis(0,1,-80,10);第5章 系統(tǒng)測試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)串級調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)過程 中采用了 MATLAB 軟件仿真，仿真結(jié)果表明，雙閉環(huán)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差， 并且調(diào)速性能好，能實(shí)現(xiàn)短時(shí)間加減速，抗外界電壓、負(fù)載干擾能力強(qiáng)。雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如下所示，圖 5.1 為設(shè)定轉(zhuǎn)速 1000r/min 的仿真曲線，圖 5.2 為設(shè)定轉(zhuǎn)速 100r/min 的仿真曲線，并記錄相關(guān)仿真數(shù)據(jù)如下表 5.1仿真曲線數(shù)據(jù)表。圖 5.1 轉(zhuǎn)速 1000r/min 的仿真曲線圖 5.2 轉(zhuǎn)速 100r/min 的仿真曲線表