基于單片機控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文

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3、16 年 4 月 19 日1 近年來由于微型機的快速發(fā)展，國外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)達到實用階段。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。其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機數(shù)字控制系統(tǒng)在各個方面的性能都遠遠優(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 26KW 的直流電動機，8051 單片機構(gòu)成的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。特點是用單片機取代模擬觸發(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。最后進行軟件編程、調(diào)試以及計算機仿真。實時控制結(jié)果表明，本數(shù)字化

4、直流調(diào)速系統(tǒng)實現(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，而且各項性能指標(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。：單片機 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)字方式2 目錄3.1 單片機部分的組成.53.1.1 時鐘電路.73.1.2 復(fù)位電路.83.1.3 存儲器.83.1.4 外部中斷源.93.1.5 定時器/計數(shù)器.113.2單片機的擴展.12第五章直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計.365.1 直流電動機的調(diào)速方法.365.2 整流電路.375.3 觸發(fā)電路.387.2系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析.403 4 本次設(shè)計選用的電動機型

5、號Z 型，額定功率 1.1KW，額定電壓 230V，額定電流 6.58A,2-32額定轉(zhuǎn)速 1000r/min, 勵磁電壓 220V,運轉(zhuǎn)方式連續(xù)。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)變流機組簡稱 G-M 系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。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 的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用

6、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)計的技術(shù)要求和特點選V-M 系統(tǒng)。慮使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，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頻率比三相半波高，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。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，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。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)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例

7、如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(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，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(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)，則可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利5 用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(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)運行，此時起動電流近似

8、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)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(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時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，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。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙

9、閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。綜上所述，本系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)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 單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在此單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、A/D 轉(zhuǎn)換器送入計算機，計算機按照已定的控制算法計算產(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，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小

10、，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動機的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。6 電動機的額定電壓為 230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用 D/Y 聯(lián)結(jié)。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。一般可按下式計算，即：Ud max + nUTI2A (cos- CU)minsh式中 U -整流電路輸出電壓最大值；dmaxnU -主電路電流回路 n 個晶閘管正向壓降；TC - 線路接線方式系數(shù)；U -變壓器的短路比，對 10100KVA，U =0.050.1；skskI /I -變壓器二次實

11、際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。22N在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即：Ud= (1 1.2)U2A B式中 A-理想情況下， =0時整流電壓 U 與二次電壓 U 之比，即 A=U /U ；B-延遲角為d02d02 時輸出電壓 U 與 U 之比，即 B=U /U ；dd0dd0根據(jù)設(shè)計要求，采用公式：U =Ud(1 1.2)2A B由表查得 A=2.34；取 =0.9； 角考慮 10裕量，則 B=cos =0.985230=(11.2)=111 133VU22.340.90.985取 U2=120V。電壓比 K=U /U =380/120=3.17。12由表查得 K =0.816

12、, K =0.816I1I2考慮變壓器勵磁電流得：7 0.816 6.58I1 =1.05=1.69AK3.17I2 = K 2I = 0.816 6.58 = 5.37AIdS =m U I ；1111S2=m2U2I2；S=1/2(S +S )；12式中 m 、m -一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；12由表查得 m =3，m =312S =m U I =3 380 1.69=1.9266 KVA1111S =m U I =3 120 5.37=1.9332 KVA2222S=1/2(S +S )=1/2（1.9266+1.9332）=1.9299 KVA12晶閘管實際承受的最大峰值電壓UTm，乘

13、以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓U ，即 U =（23）UTNTNTm= (2 3)= (2 3) 6U2 = (2 3) 6 120 = 587.88 881.82VUTNUTm取700VUTN=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 大于實際流過管ITN子電流最大有效值 ，即ITIT =IT=1.57 或IT (AV)IIT (AV)T1.57 1.57 Id考慮（1.52）倍的裕量=（1.52）KId式中 K= /（1.57 ）-電流計算系數(shù)。IITd此外，還需注意以下幾點：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時，應(yīng)降低元件的額定電流值。當(dāng)元件

14、的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。8 取。故選晶閘管的型號為K p5 - 7 。晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設(shè)計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、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關(guān)鍵。以過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。1）交流側(cè)過電壓保護對于三相電路，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D 聯(lián)結(jié)Y 聯(lián)結(jié)D 聯(lián)結(jié)3C1/3R2I 取值：當(dāng) S=110KVA 時，對應(yīng)的 I =41，所以 I 取 3。ememem1

15、2132C 6I S/U = 6 3 34 10 /120 =14.17Fem233耐壓1.5Um=1.5 120=254.6V2選取 20F 的鋁電解電容器。選?。篠=110KVA，=15，所以UshUsh12U123R 2.3 U /S sh = 2.3 120 /1.9299 10=9.3723Iem3I =2 fCU 10-6=2 50 40 10-6 120 10-6=1.5 10-6ACC2R=(3-4) （ 1.5 10-6） 9.37=（6.33-8.43） 10-13W2C選取電阻為 ZB1-10 的電阻。壓敏電阻的計算9 U =1.3 U=1.321MA流通量取 5KVA。

16、選 MY31-220/5 型壓敏電阻。允許偏差+10（242V）。2）直流側(cè)過電壓保護直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成di / dt 加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。U =（1.8-2.2）U =(1.8-2.2) 230=414-460V1MADC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查下表：阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定晶閘管額定電流 1020501002005001000/ A抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶

17、閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 的 1.11.15 倍。U選 R 為 0.2F 的 CZJD-2 型金屬化紙介質(zhì)電容器。2 10 =50 0.2 10-6 ( 120) 10-6=0.45 10-6W22m-6選 R 為 20 普通金屬膜電阻器，RJ-0.5?？焖偃蹟嗥鞯臄嗔鲿r間短，保護性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護措施?？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I5.37I=I =5.37A，I = = =3.11A2T33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du

18、 / dt ：正相電壓上升率du / dt 較大時，會使晶閘管誤導(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du dt 過大的原因一般有兩點：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換/限制du dt 過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感/的濾波特性，使du dt 降低。10 產(chǎn)生di / dt 過大的原因，一般有：晶閘管導(dǎo)通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護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)保護電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等。限制di / dt ，除在阻容保護中選擇合適的電阻外，也可采用與限制du / dt 相同的措施，即在每個橋臂上串

19、聯(lián)一個電感。所以為了防止di / dt 和du / dt ，每個橋臂上串聯(lián)一個 30 H 的電感。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)Ld計算主要是電感量的計算。1）算出電流連續(xù)的臨界電感量 可用下式計算，單位 mH。L1U2L = K11式中 K1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，常取電動機額定電流的510計算。根據(jù)本電路形式查得 =0.695K1120所以 =7.38mHL0.695 16.58 10%2）限制輸出電流脈動的電感量L2由于晶閘管整流裝置的輸出

20、電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對電動機負(fù)載來說，過大的交流分量會使電動機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量。平波電抗器的臨界電感量 （單位L2為 m）可用下式計算2i d式中 K 系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，2電流最大允許脈動系數(shù)，通常單相電路 20，三相電路 （510）。SiSSii根據(jù)本電路形式查得 =1.045K2120=11.09mH所以1.045 10% 6.583）電動機電感量 和變壓器漏電感量LLDT電動機電感量 （單位為 mH）可按下式

21、計算UDLD = Kd11 式中UDp電動機的磁極對數(shù)；計算系數(shù)。一般無補償電動機取812，快速無補償電動機取68，有補償電KD動機取 56。本設(shè)計中取 =8、 =230V、 =6.58A、n=1000r/min、p=1KUDDUD8變壓器漏電感量 （單位為 mH）可按下式計算UshU2100IDLT = KT式中計算系數(shù)，查表可得KT變壓器的短路比，一般取510。U sh本設(shè)計中取 =3.9、 =6UTshU2 =6 120所以=0.248mHLT = KT3.9 100 6.584）實際串入電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量：Ld1= L - (LD + NL )1T在三相橋式電

22、路中取，其余電路可取。=7.38（5.6+2 0.248）=1.324mHTLd1 = L - (L + NL )1D考慮限制電流脈動時的實際電感量：Ld 2= L - (L + NL )2T本電路=11.09（5.6+2 0.248）=5.034 mHTLd 2 = L - (L + NL )2D如上述條件均需滿足時，應(yīng)取 和 中較大者作為串入平波電抗器的電感值，所以LLd1d2本電路選取 =6 mH 作為平波電抗器的電感值。Ld 2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）的計算公式為：LTL = Krr式中 計算系數(shù)，一般取 ； =0.695KKKrr1要求的環(huán)

23、流值，通常取 （310） （ 為直流電動機電樞電流）。IrIrI120 =14.76 mH5% 6.58Lr = Kr0.695 I實際所需的均衡電感量為 ：Lra = Lr - LT如果均衡電流經(jīng)過變壓器兩相繞組，計算 時，應(yīng)代入 2 。=14.760.248 2=14.03 mHLra = Lr - LT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，故采用較為普遍。D(AV)i可選用 ZP 型 3A、700V 的二極管。RP 為與電動機配套的磁場變阻器，用來調(diào)節(jié)勵磁電流。L12 為實現(xiàn)弱磁保護，在磁場回路中串入了欠電流繼電器KA ，動作電流通過 RP 調(diào)整。根I據(jù)額定勵磁電流 I

24、 =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。ex圖 3-1 主電路及保護電路原理圖13 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晶閘管，它們分為共陰極和共陽極兩組。在觸發(fā)時，采用雙脈沖觸發(fā)方式，每次兩組各有一個晶閘管導(dǎo)通。六個晶閘管的導(dǎo)通順序為SCR1、SCR2、SCR3、SCR4、SCR5、SCR6，如圖 4-2 所示。相電壓曲線的交點 t1t6,就是晶閘管SCR1SCR6 的控制角起點。取線電壓Uac 從負(fù)半波的過零點G（t1）作為同步基準(zhǔn)點，則應(yīng)觸發(fā)導(dǎo)通的第

25、一對晶閘管為SCR1 、SCR6，根據(jù)波形圖可分析出各晶閘管的觸發(fā)時刻（對應(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)時刻( =0 )及觸發(fā)順序0單片機在觸發(fā)晶閘管時,根據(jù)電流控制器的輸出控制值 u ，以同步基準(zhǔn)點位參考點，k算出晶閘管控制角 的大小，再通過定時器按控制角的大小以及觸發(fā)順序，準(zhǔn)確地向各個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。在控制觸發(fā)時，有兩種觸發(fā)方法：絕對觸發(fā)方法和相對觸發(fā)方法。所謂絕對觸發(fā)方法就是指觸發(fā)脈沖形成的時刻都直接取決于基準(zhǔn)時刻點。對三相全控橋式整流電路，在交流電的一個周期內(nèi)需要6 個（或者 3 個）基準(zhǔn)點。相對觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準(zhǔn)來確定后一觸發(fā)

26、脈沖時刻，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0動以及計算機定時器的誤差，會使控制角偏離要求值。因此，在相對觸發(fā)方式時，應(yīng)在一個周期內(nèi)用同步脈沖信號進行一次校正，以避免誤差的積累。14 對于單相電路，均使用絕對觸發(fā)方式。在三相全控橋式整流電路中，一般則常使用相對觸發(fā)方式。綜上本次設(shè)計使用相對觸發(fā)的觸發(fā)控制方法。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) 由應(yīng)有： =k- k-1+600在控制時，一般均使用單片機的定時器來完成觸發(fā)脈沖輸出。這樣，須把角度轉(zhuǎn)換成時間值。交流電的一個周期（對頻率為50Hz 為 20ms）對應(yīng)于 3600，故 600觸發(fā)間距時間

27、 T 可表示為：T =T k-T k-1+T600T =T k-T +T +Te（4-2）k-160三相全控橋式整流電路輸出電壓u 與控制角 有以下關(guān)系:d(4-3)其中 E 為電源相電壓有效值。對于數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求對象為線性系統(tǒng)。而根據(jù)式（4-3）可知，如果控制角 與控制輸出 u 為線性關(guān)系，則輸出電壓u 與控制輸出 U 之間為非線性關(guān)系（余弦關(guān)系），這是我kdk們所不希望的。如要求觸發(fā)整流環(huán)節(jié)為一個放大系數(shù)為K 的線性環(huán)節(jié)，則有：sds即有cos = K U /2.34E=u u /ukmax2.34Eskdmaxk=2.34Ecos u / ukmax2.34Emink=cos u /

28、ukmax= ukmink =arcos( u )(4-4)k式中， =cos min/ ukmax 是一個與最小控制角和最大控制輸出 ukmax 有關(guān)系的常數(shù)。min式(4-4)即是 與 uk的關(guān)系式。由它可算出對應(yīng)于某一 uk值的 值。由于一般均用時間值來表示 ，所以還需要對 轉(zhuǎn)換成時間值 T 。對于 50Hz 的交流電而言，控制角 對應(yīng)的時間為：6/360*50 （ s）(4-5)為了加快計算速度，可采用查表法或插值查表法來按u 值計算 T 值。k15 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）X X 0 1 1 1 1 0X X 1 1 1 1 0 0X X

29、1 1 1 0 0 1MM+1M+2SCR1,2SCR2,3M+5X X 0 0 1 1 1 1SCR5,6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。對于用于軋機傳動等要求響應(yīng)快、精度高的調(diào)速系統(tǒng)，一般需要使用16 位的單片機，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，控制系統(tǒng)。綜上，本系統(tǒng)采用 Inter 的 MCS-51 中的 80C31 單片機。80C31 單片機屬于基本型的 51 系列單片機，它采用 HMOS 工藝，片內(nèi)集成有 8 位 CPU；片內(nèi)駐留

30、 128 字節(jié)的 RAM 以及 21 個特殊功能寄存器；片內(nèi)還包括兩個16 位定時器/計數(shù)器、一個全雙工串行 I/O 口（UART）、32 條 I/O 線、5 個中斷源和兩級中斷，尋址能力達128K字節(jié)（其中程序存儲器 ROM 和數(shù)據(jù)存儲器 RAM 各 64K 字節(jié)）。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時鐘頻率為12MHz，大部分指令周期只需1 s，乘除指令也僅需 4 s。16 80C31 外接 27128EPROM 作為 16K 程序存儲器，存放全部控制軟件。用兩片74LS374和四個 PNP 中功率三極管以動態(tài)掃描方式驅(qū)動四位LED 數(shù)字，以顯示轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度、

31、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 口上外接三個按鍵，一個為啟動/停止鍵，用于啟動或停止電機運轉(zhuǎn)；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設(shè)定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉(zhuǎn)速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個LED 發(fā)光管，一個用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態(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。本系統(tǒng)使用 ADC0808 8 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，它的地址為 7FFFH

32、。寫入該地址，啟動 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IN T1中斷。這時，MCU 可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖 4-4電流測量框圖電位器至顯示值為所需的給定值。對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。但速度檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法。模擬測速一般采用測速發(fā)電機，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。不過模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴(yán)重。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。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢

33、測元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機相連，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過接受器將該數(shù)碼送17 入計算機。絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號，必須對轉(zhuǎn)角進行微分處理。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)電動機旋轉(zhuǎn)時，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動。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

34、轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(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 A 相超前 B 相；反轉(zhuǎn)時 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)字測速方法有三種：M 法、T 法和 M/T 法。1：M 法測速。在一定的時間 T 內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的

35、脈沖個數(shù)M ，用以計算這段時c1間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測速。把 M1除以Tc就得到了旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率f1=M1c所以又稱頻率法。電動機每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生Z 個脈沖（Z=倍頻系數(shù)編碼光柵數(shù)），把 f 除1以 Z 就得到電動機的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時間 T 以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù) r/minc為單位，則電動機的轉(zhuǎn)速為在上式中,Z 和 T 均為常值,因此轉(zhuǎn)速 n 正比于脈沖個數(shù) M 。高速時 M 大，量化誤差較c11小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時M 將小于 1，測速裝置便不能正常工作。所以1M 法測速只適用于高速段。2：T 法測速。在編碼器兩個相鄰輸出脈沖的間隔時間內(nèi)，用一個計

36、數(shù)器對已知頻率為編碼器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在T 法測速中，準(zhǔn)確的測速時間T 是用所得的t高頻時鐘脈沖個數(shù) M 計算出來的，即 T =M /f ，則電動機轉(zhuǎn)速為2t2018 n =高速時 M 小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以T 法測速適用于低速段。23：M/T 法測速把 M 法和 T 法結(jié)合起來，既檢測 Tc 時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M ，有檢測同1一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M ，用來計算轉(zhuǎn)速，稱作 M/T 法測速。設(shè)高頻時鐘脈沖的2頻率為 f0，則準(zhǔn)確的測速時間 Tt=M /f0，而電動機轉(zhuǎn)速為26 0M1 6 0M f1 0n =ZTtZM2采用 M/T 法測

37、速時，應(yīng)保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與關(guān)閉，以減少誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達時，兩個計數(shù)器才同時允許開始或者停止計數(shù)。由于 M/T 法的計數(shù)值 M 和 M 都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當(dāng)于M 法測速，最12低速時，M =1，自動進入 T 法測速。因此，M/T 法測速能適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種，1是目前廣泛應(yīng)用的一種測速方法。綜上所述，本系統(tǒng)的速度測量采用數(shù)字M/T 法測速。其中利用 T 作為定時器，計時 T1c時間產(chǎn)生中斷，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M 由 P1.6 口檢測，同一時間間隔的高頻時鐘1脈沖個數(shù) M 由 P1.7 口檢測，最后由轉(zhuǎn)速中斷

38、程序完成轉(zhuǎn)速的測量等等。2轉(zhuǎn)到 T0 中斷處理程序，按脈沖分配表從P1 口（P1.0P1.5）輸出晶閘管觸發(fā)脈沖。然后延時 50 s，置位 P1.0P1.5，從而輸出寬度為 50 s 的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖經(jīng)CD4049提高驅(qū)動電流（CD4049 是一個驅(qū)動功能的反相器），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)時晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。同步校正由 80C31 的定時器 T0 和外部中斷實現(xiàn)。此同步電路是由

39、LM339 構(gòu)成的過IN T0零比較器電路和一個光電耦合器及一個反相器組成的。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，比較器輸出再經(jīng)過光電隔離及反相后產(chǎn)生一個與Vac 同相位的方波信號，輸出的方波信號加到IN T0 上，它置為調(diào)變觸發(fā)方式。19 單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-1 所示。圖 5-1GnGiFnGik入信號，E 為電動機反電勢，U 為晶閘管整流電壓，I 為主回路電流。DOD原始數(shù)據(jù)：參數(shù)實測數(shù)據(jù)為:R =4.92D電抗器電感:R =0.18T單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)被控對象是直流電動機,由圖 5-1 可知:U - E= I R +L dI dt

40、= R (I +T dI dt)DODDDDD對式（5-1）取拉式變換得1/R其中, R = R +2 R +R +R , R 為晶閘管重疊角等效電阻。 R 、L 、T 的數(shù)值依次為DTPrRDR =4.92 +2 0.18 +1.88 +1.6=8.76DT=0.048H+0.0313H+2 0.017H=0.11HTD= L/ R=0.11H/8.76 =0.013s20 直流電動機軸上的力矩方程為M - M = C I - C I = （GD2/ 375）（dn/dt）FZDFZID - IFZ = （GD2/ 375 C ）（dn/dt）= T dE/ R dtm對式(5-4) 取拉式

41、變換得E(s)（ ID - I ）(s)Fn = E/Ce其中，M 為電動機電磁力矩；n 為電動機轉(zhuǎn)速；GD2T =（GD2me由式(5-2)、(5-5)和(5-6)可以作出電動機結(jié)構(gòu)框圖，如圖5-2 所示。UDOIDRE 1+Cen-1n(s)=（5-7）U DO (s) TmTDs + Tm s + 1確定了被控對象電動機的數(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 。21 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)器輸出馬上達到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機電樞電流很快上升，相對電流來說，速度變化很緩慢。因此，可以認(rèn)為反電勢對電流產(chǎn)生的影響很小，令E=0，則圖 5

42、-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（1） 閘管傳遞函數(shù)一般三相橋式電路晶閘管最大失控時間在00.0033s之間隨機分布,取其平均值,即T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245.34VKSCR=所以晶閘管傳遞函數(shù)為KSCR(s) =（5-8）TSCRs +1 0.0017s +1（2） 電流反饋傳遞函數(shù)K =2.4V/11.33A=0.212V/其A,傳遞函數(shù)為LFKLF0.212=（5-9）TLF s + 1 0.0016s + 122 注意到 TSCR和 TLF 都很小，可以把他看成是小慣性

43、群，即T =TSCR+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):20.470.0033s+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,D (s)為電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),G (s)電流環(huán)廣義控制對象。LTLSK2.34GLS (s) = (T s +1)(T s +1) = (0.0033s +1)(0.013s +1)D(5-10)(3) 電流調(diào)節(jié)器 D (s)的求取LT=(5-11)e(s)根據(jù)二階最佳工程設(shè)計方法，則有= 2KT = 2 2.34 0.003

44、3s = 0.015(s)i=T = 0.013(s)DD這樣可得:1+0.013sDLT (s) = 0.84 +64.89 s0.015s,0DLT(s)=K0+ K /s(5-12)式（5-12）是一個 PI 調(diào)節(jié)器,可以導(dǎo)出離散化方程和差分方程:kCk = K1ek + K2ei(5-13)i=0C =C +(K +K )e -K ek-1（5-14）kk-112k1其中,K = K -K,TLT =0.84-64.89 0.001=0.7810,TLT = 64.89 0.001 = 0.065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）

45、可得:nCk = 0.78ek + 0.065ei（ 5-15）（5-16）kk-1k由式（5-15）和式（5-16）可立即作出程序框圖,由計算機求解。23 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。DLT (z)G (z)LSDLB (z) =（5-17）1 + DGGLT (z) LS上式中 D (z)為電流調(diào)節(jié)器的 Z 變換, L S 為電流環(huán)控制對象的 Z 變換,LTG(z)GG節(jié)對象和電流反饋傳遞函數(shù)積的Z 變換, 即DLT (z) =0.21z + 0.16LSG(z) =(z - 0.56)(z - 0.93)0.13z2 + 0.16z + 0.0068LS

46、GG fi(z) =(z - 0.56)(z - 0.93)(z - 0.54)則有GLB (z) =由上式可得特征方程為z4 3.00z3+ 3.32 z2 1.59 z + 0.27 = 0（5-18）由計算機求解式（2.18）的根為z = 0.830.13j1,2從而可知 z 、z 、z 、z S 四個根的絕對值均小于1,它們都在單位圓內(nèi),因此電流環(huán)是穩(wěn)123 、4定的。1(z -1)(z - 0.56)(z - 0.93)(z - 0.56)fi(z) z4 - 3.00z3 + 3.32z2 - 0.159z + 0.27GLE (z) =1 + DLT (z)GGLS上式利用 Z

47、變換終值定理有24 e() = lim (1 - z-1) GLE (z) z1= 01-所以電流環(huán)在單位階躍輸入是無靜差的。KGLS (s) =(TDs + 1)(T s + 1)i則應(yīng)選擇的采樣周期為T =1/4min(T ,T)LTD=1/4min(0.013s,0.0033s)0.001sgnfn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)U U 時，ST 才退出gnfn飽和限幅，這時才真正構(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)時其初始條件不為零，而按二、三階最佳工程設(shè)計是以頻率法為基礎(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)計速度調(diào)節(jié)器就成問

48、題。為此，我們提出按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制來設(shè)計速度調(diào)節(jié)器。按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計速度調(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)計穩(wěn)態(tài)運行為初態(tài)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到零時為平衡狀態(tài)，即當(dāng)速度給定突然變?yōu)榱銜r尋找制動過程最優(yōu)控制律。若給定為一般定常線性系統(tǒng),其狀態(tài)方程為:X (t) = AX(t) + BU(t)（5-19）其中 A 為 n n 常陣，B 為 n m 常陣，試確定使性能指標(biāo)最優(yōu)泛函為1J =XT (t)QX (t) + UT (t)RU(t)dt（5-20）2t0*B ABA2BAn-1B（5-21）且為*U (t)=

49、-KX(t)（5-22）25 其中K = R-1BTP上式為狀態(tài)反饋陣，P 是 n n 對稱陣,它是 Riccati 代數(shù)方程TP+PBR-1BTP（A - BR-1BTP）+（A - BR-1BTT= -（ PBR-1BTP）-Q（5-25），不斷迭代，直到 P 和 P 幾乎相等為先給定一個初值 P止，即0，代入公式(5-25)，求出新值 P101n2P (i, j) - P (i, j) E10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Ki4.72GLB(s)=T s + 1 1 + 0.0066si26 即 K = 4.72, T = 0.0

50、066s 。這樣電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為速度環(huán)的一個環(huán)節(jié)來處ii理。為了確保系統(tǒng)精度，在 G (s)前面再串一個積分環(huán)節(jié)，則速度環(huán)被控對象結(jié)構(gòu)圖如圖LB5-8 所示。圖 5-8 速度環(huán)被控對象結(jié)構(gòu)圖y=x1=nx =I2 dx =U3giKmx& = 1Tm1Kix& = -+x3 2&= U相應(yīng)狀態(tài)方程為:Km00Tm0 x 11&X = x = 0 -&200TiT0i x3 1Y =其中:RCKm= 46.74W r minVeUHC = 0.19V min reCGD = 0.43kg m22Tm= 0.29s375C Ce0 KT0 0 158.980K T = 0 -151.52 7

51、14.70i i0000000,0,1T1,0,0把 A,B 代入式(5-21)得27 00113623 0714.70 - 108391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x =1n 提出快速要求，對其他兩個狀態(tài)變量無要求，故Q 作如下選擇。Q =0 0 0 0q 不能選擇過大，否則使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，一般先q 1 ，選 q = 0。0012。111111對于單輸入系統(tǒng)，R 為常數(shù)，選 R=1，把以上四參數(shù)代入式（2.25）。用計算機離線求出 P 陣，最后求出狀態(tài)反饋陣為-1TK=R B P=0.035,0.018,1.87（2） 速度調(diào)節(jié)器的求取引

52、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)計是在速度給定降為零時,尋找制動過程最優(yōu)控制律,因而令 U = 0, 此時圖Gn5-9 成為圖 5-10。圖中 KSF 是對 1000r/min 時，若令 USF= 2.4V, 則 K =2.4V /（1000r/min）= 0.0024V min/r 。若考慮速度調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)SF節(jié)器,并加入比例微分負(fù)反饋,其結(jié)構(gòu)圖如圖 5-11 所示。圖 5-10 速度環(huán)狀態(tài)反饋簡化圖28 圖 5-11PI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K ( s + 1)p1K T3 m

53、K1KmK +s(T s + 1)（5-26）1fsKSF 比較式(5-26)兩邊系數(shù)有：K = 0.97, = 0.063 , T = 0.0070 , 相應(yīng)速度調(diào)節(jié)器Pf的傳遞函數(shù)為Kp ( s + 1) 0.063s + 1DST (s) =s=0.063s = K0 + K s = 0.97 + 15.63 s比例微分反饋的傳遞函數(shù)為G （s）=1+Ts=1+0.0070sfnf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ki=0Ck = 0.83ek + 0.15eiC = Ckk-1kfnSFSFSF（3）速度環(huán)穩(wěn)定性分析考慮反電勢的影響,數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖5-1

54、2 所示。其（s）由圖 5-13 求之，它實際上是速度環(huán)的控制對象。Gs圖 5-12 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖29 圖 5-13 速度環(huán)被控對象結(jié)構(gòu)圖KiKmT s +1 T s113593 .53imG (s) =s=2Ki(s + 75.78) +124.8221+m-ST1 - e11359.53zG (s)= z= 2.94s(s + 75.78)2 + 124.822sz - 0.42z G (s) =1.73fnzzG G(s)= 0.0070sST由圖 5-12 可得到系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為DST (z)G (z)S=(z)G GG (z)fnS因而得到系統(tǒng)特征方程為432z 1.3

55、4z+0.58z0.24z+0.0026=0（5-32）利用計算機求解式(2.32)得到的根為z1,2=0.165 453jz =0.9983由圖 5-32 可得到系統(tǒng)誤差脈沖傳遞函數(shù)為1z(z -1)(z2 - 0.35z + 0.23)=1 + DST (z) G fn(z)G G(z)Sz4 -1.34z + 0.58z - 0.24z + 0.002632當(dāng)給定為單位階躍輸入時有1-1e() = lim (1 - z ) G (z) 0Ez11當(dāng)給定為速度輸入時有30 4/14/2019基于單片機控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文- 百度文庫/view/a920930a8bd63186b

56、debbcb0.html31/46 4/14/2019基于單片機控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文- 百度文庫/view/a920930a8bd63186bdebbcb0.html32/46 在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(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)輸入時誤差函數(shù) e(t)、輸出函數(shù)是 u(t)時，PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下K(s) =（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)器的積分時間常數(shù)。式子（6-1）的時域表達式可寫成1u(t) = Ke(t)dt（6-2）t其

57、中，K =K 為比例系數(shù)，K =1/t 為積分系數(shù)。PpiI將上式離散化成差分方程，其第k 拍輸出為ku(k) = K e(k) + K TI same(i) = K e(k) + u (k) = K e(k) + K TI same(k) + u (k - 1) （6-3）PPIPI其中，T 為采樣周期。sam為了安全起見，常須對調(diào)節(jié)器的輸出實行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對u 限幅，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值u ,當(dāng) u(k)u 時，便以限幅值 u 作為輸出。而位置式算法必須要同mmm時設(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。在檢測得到的轉(zhuǎn)速

58、信號中，不可避免地要混入一些干擾信號。在數(shù)字測速中，硬件電路只能對編碼器輸出脈沖起到整形、倍頻的作用，往往用軟件來實現(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，它可以用于測速濾波，也可以用于電壓、電流檢測信號的濾波。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 X1X2 XNNX ，剩下的取算術(shù)平均值即為濾波后的Y 值1N-11Y =XiN - 2i=2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。33

59、圖 6-2位置式數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器程序框圖34 圖 6-2電流環(huán)中斷服務(wù)程序簡化框圖（1）鎖零單元程序設(shè)計為防止電機慢速爬行，一般模擬晶閘管都設(shè)有鎖零單元。這里用計算機軟件來實現(xiàn)。首先檢查下速度給定 UGn 和速度反饋 UFn 是否為零或者小于某臨界值n ，若不為零系統(tǒng)正0常運行。若為零，使電流調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)電壓，把晶閘管調(diào)速系統(tǒng)推向逆變，迫使電動機停止（爬行），其程序框圖如圖 6-3 所示。35 圖 6-3鎖零程序框圖（2）電流自適應(yīng)程序設(shè)計在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)一般是按電樞回路電流連續(xù)的情況來選取，然而當(dāng)系統(tǒng)輕載工作時，如果平波電抗器的電感量不太大，就

60、會出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。當(dāng)電樞電流斷續(xù)時，晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的機械特性和電流連續(xù)相比有明顯的差別，其動態(tài)性能也發(fā)生兩項重要變化。DDO（b）當(dāng)電流斷續(xù)時，由于電樞回路電磁時間常數(shù)T 存在，從整流電壓 U 的突變到平均電樞電流 I 響應(yīng)不可能瞬間完成，而是按指數(shù)規(guī)律逐漸變到穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)電流斷續(xù)時情況D不同，由于電感對電流的延緩作用已在一個波頭結(jié)束，平均電壓突變后，下一個波頭的平均電流便也立即隨電壓變化。因此，從整流電壓和電流平均值的關(guān)系上看，相當(dāng)于T =0，D也就是說，在平均整流電壓和電流之間，電流連續(xù)時是慣性環(huán)節(jié)，電流斷續(xù)時就成了比例環(huán)節(jié)。1 R考慮到上述兩項變化，平均整流電壓與平均整流電流間的傳遞函