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

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3、16 年 4 月 19 日1 近年來(lái)由于微型機(jī)的快速發(fā)展，國(guó)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(lái)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

4、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(jiǎn)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。：?jiǎn)纹瑱C(jī) 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(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.83.1.4 外部中斷源.93.1.5 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.113.2單片機(jī)的擴(kuò)展.12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.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(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型

5、號(hào)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(lì)磁電壓 220V,運(yùn)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(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(jiǎn)稱 G-M 系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(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(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，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

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(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選V-M 系統(tǒng)。慮使電路簡(jiǎn)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(wú)噪聲、無(wú)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。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(wú)靜差，不過(guò)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例

7、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(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)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(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)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(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。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5 用電機(jī)的允許過(guò)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(lái)，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

8、呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)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(guò)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)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(guò)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(wú)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(wú)靜差。得到過(guò)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

9、閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)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)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(guò)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

10、，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(lái)完成。6 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)。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：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(gè)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(duì) 10100KVA，U =0.050.1；skskI /I -變壓器二次實(shí)

11、際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。22N在要求不高場(chǎng)合或近似估算時(shí)，可用下式計(jì)算，即：Ud= (1 1.2)U2A B式中 A-理想情況下， =0時(shí)整流電壓 U 與二次電壓 U 之比，即 A=U /U ；B-延遲角為d02d02 時(shí)輸出電壓 U 與 U 之比，即 B=U /U ；dd0dd0根據(jù)設(shè)計(jì)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(lì)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(shí)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(jí)，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(guò)的額定電流有效值 大于實(shí)際流過(guò)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(jì)算系數(shù)。IITd此外，還需注意以下幾點(diǎn)：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過(guò)+40時(shí)，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(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。8 取。故選晶閘管的型號(hào)為K p5 - 7 。晶閘管有換相方便，無(wú)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(guò)電壓、過(guò)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。以過(guò)電壓保護(hù)的部位來(lái)分，有交流側(cè)過(guò)壓保護(hù)、直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)和器件兩端的過(guò)電壓保護(hù)三種。1）交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)對(duì)于三相電路，和的值可按下表?yè)Q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(shí)，對(duì)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(jì)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(guò)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di / dt 加大。因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過(guò)電壓保護(hù)。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(guò)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 1020501002005001000/ A抑制晶閘管關(guān)斷過(guò)電壓一般采用在晶

17、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。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(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(shí)，會(huì)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(guò)大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過(guò)電壓；由于晶閘管換/限制du dt 過(guò)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du dt 降低。10 產(chǎn)生di / dt 過(guò)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(guò)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di / dt ，除在阻容保護(hù)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(gè)橋臂上串

19、聯(lián)一個(gè)電感。所以為了防止di / dt 和du / dt ，每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè) 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(guò)電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)Ld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。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(dòng)機(jī)額定電流的510計(jì)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(dòng)的電感量L2由于晶閘管整流裝置的輸出

20、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(lái)說(shuō)，過(guò)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(guò)熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來(lái)限制輸出電流的脈動(dòng)量。平波電抗器的臨界電感量 （單位L2為 m）可用下式計(jì)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(dòng)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(dòng)機(jī)電感量 和變壓器漏電感量LLDT電動(dòng)機(jī)電感量 （單位為 mH）可按下式

21、計(jì)算UDLD = Kd11 式中UDp電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；計(jì)算系數(shù)。一般無(wú)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812，快速無(wú)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68，有補(bǔ)償電KD動(dòng)機(jī)取 56。本設(shè)計(jì)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(jì)算UshU2100IDLT = KT式中計(jì)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(jì)中取 =3.9、 =6UTshU2 =6 120所以=0.248mHLT = KT3.9 100 6.584）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：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(dòng)時(shí)的實(shí)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(shí)，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(jì)算公式為：LTL = Krr式中 計(jì)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(dòng)機(jī)電樞電流）。IrIrI120 =14.76 mH5% 6.58Lr = Kr0.695 I實(shí)際所需的均衡電感量為 ：Lra = Lr - LT如果均衡電流經(jīng)過(guò)變壓器兩相繞組，計(jì)算 時(shí)，應(yīng)代入 2 。=14.760.248 2=14.03 mHLra = Lr - LT一般說(shuō)來(lái)，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。D(AV)i可選用 ZP 型 3A、700V 的二極管。RP 為與電動(dòng)機(jī)配套的磁場(chǎng)變阻器，用來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。L12 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(guò) RP 調(diào)整。根I據(jù)額定勵(lì)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(hù)電路原理圖13 晶閘管三相全控橋式整流電路簡(jiǎn)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(gè)晶閘管，它們分為共陰極和共陽(yáng)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)镾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(guò)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

25、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( =0 )及觸發(fā)順序0單片機(jī)在觸發(fā)晶閘管時(shí),根據(jù)電流控制器的輸出控制值 u ，以同步基準(zhǔn)點(diǎn)位參考點(diǎn)，k算出晶閘管控制角 的大小，再通過(guò)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(lái)確定后一觸發(fā)

26、脈沖時(shí)刻，它用加長(zhǎng)或縮短相鄰兩次觸發(fā)脈沖之間的間距來(lái)改變控制角，在0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。14 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。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(shí)，一般均使用單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)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觸發(fā)間距時(shí)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(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 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(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)于某一 uk值的 值。由于一般均用時(shí)間值來(lái)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：6/360*50 （ s）(4-5)為了加快計(jì)算速度，可采用查表法或插值查表法來(lái)按u 值計(jì)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(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，控制系統(tǒng)。綜上，本系統(tǒng)采用 Inter 的 MCS-51 中的 80C31 單片機(jī)。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

30、 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(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、

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(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 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(jiàn)附頁(yè)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(xiě)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IN T1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(guò)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

33、測(cè)元件，旋轉(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(guò)接受器將該數(shù)碼送17 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(guò)光柵的作用，持續(xù)不斷地開(kāi)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

34、轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開(kāi)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(jiǎn)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 T 內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的

35、脈沖個(gè)數(shù)M ，用以計(jì)算這段時(shí)c1間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測(cè)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(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 f 除1以 Z 就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時(shí)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(dòng)機(jī)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(gè)數(shù) M 。高速時(shí) 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(guò)低時(shí)M 將小于 1，測(cè)速裝置便不能正常工作。所以1M 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)

36、數(shù)器對(duì)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(cè)速中，準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間T 是用所得的t高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù) M 計(jì)算出來(lái)的，即 T =M /f ，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2t2018 n =高速時(shí) M 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。23：M/T 法測(cè)速把 M 法和 T 法結(jié)合起來(lái)，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)M ，有檢測(cè)同1一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M ，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作 M/T 法測(cè)速。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖的2頻率為 f0，則準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間 Tt=M /f0，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為26 0M1 6 0M f1 0n =ZTtZM2采用 M/T 法測(cè)

37、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(kāi)始或者停止計(jì)數(shù)。由于 M/T 法的計(jì)數(shù)值 M 和 M 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12低速時(shí)，M =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，1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 T 作為定時(shí)器，計(jì)時(shí) T1c時(shí)間產(chǎn)生中斷，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M 由 P1.6 口檢測(cè)，同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘1脈沖個(gè)數(shù) M 由 P1.7 口檢測(cè)，最后由轉(zhuǎn)速中斷

38、程序完成轉(zhuǎn)速的測(cè)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(shí) 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(dòng)電流（CD4049 是一個(gè)驅(qū)動(dòng)功能的反相器），再經(jīng)過(guò) 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

39、LM339 構(gòu)成的過(guò)IN T0零比較器電路和一個(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，比較器輸出再經(jīng)過(guò)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IN T0 上，它置為調(diào)變觸發(fā)方式。19 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 5-1GnGiFnGik入信號(hào)，E 為電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)，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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為:R =4.92D電抗器電感:R =0.18T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:U - E= I R +L dI dt

40、= R (I +T dI dt)DODDDDD對(duì)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(dòng)機(jī)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(duì)式(5-4) 取拉式

41、變換得E(s)（ ID - I ）(s)Fn = E/Ce其中，M 為電動(dòng)機(jī)電磁力矩；n 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；GD2T =（GD2me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。UDOIDRE 1+Cen-1n(s)=（5-7）U DO (s) TmTDs + Tm s + 1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 。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(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(lái)說(shuō)，速度變化很緩慢。因此，可以認(rèn)為反電勢(shì)對(duì)電流產(chǎn)生的影響很小，令E=0，則圖 5

42、-3 通過(guò)結(jié)構(gòu)圖變換，簡(jiǎn)化為圖 5-4。圖 5-4 簡(jiǎn)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(shí)間在00.0033s之間隨機(jī)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L(zhǎng)FKLF0.212=（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(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖,如圖 5-5 所示。圖 5-5電流環(huán)最簡(jiǎn)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(duì)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(jì)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(gè) 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(jì)算機(jī)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(duì)象的 Z 變換,LTG(z)GG節(jié)對(duì)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(jì)算機(jī)求解式（2.18）的根為z = 0.830.13j1,2從而可知 z 、z 、z 、z S 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)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(wú)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(kāi)環(huán)狀態(tài)，速度繼續(xù)上升，只有當(dāng)U U 時(shí)，ST 才退出gnfn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(lái)設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器就成問(wèn)

48、題。為此，我們提出按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制來(lái)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(guò)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(duì)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(gè)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(gè)環(huán)節(jié)來(lái)處ii理。為了確保系統(tǒng)精度，在 G (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LB5-8 所示。圖 5-8 速度環(huán)被控對(duì)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(duì)x =1n 提出快速要求，對(duì)其他兩個(gè)狀態(tài)變量無(wú)要求，故Q 作如下選擇。Q =0 0 0 0q 不能選擇過(guò)大，否則使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，一般先q 1 ，選 q = 0。0012。111111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-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(huà)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(guò)程最優(yōu)控制律,因而令 U = 0, 此時(shí)圖Gn5-9 成為圖 5-10。圖中 KSF 是對(duì) 1000r/min 時(shí)，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(jiǎn)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(shì)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(shí)際上是速度環(huán)的控制對(duì)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(duì)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(jì)算機(jī)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(shí)有1-1e() = lim (1 - z ) G (z) 0Ez11當(dāng)給定為速度輸入時(shí)有30 4/14/2019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- 百度文庫(kù)/view/a920930a8bd63186b

56、debbcb0.html31/46 4/14/2019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- 百度文庫(kù)/view/a920930a8bd63186bdebbcb0.html32/46 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(shí)間常數(shù)。式子（6-1）的時(shí)域表達(dá)式可寫(xiě)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(jiàn)，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u ,當(dāng) u(k)u 時(shí)，便以限幅值 u 作為輸出。而位置式算法必須要同mmm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。在檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速

58、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(lái)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 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(jiǎn)化框圖（1）鎖零單元程序設(shè)計(jì)為防止電機(jī)慢速爬行，一般模擬晶閘管都設(shè)有鎖零單元。這里用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)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(yùn)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(dòng)機(jī)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(jì)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(dòng)態(tài)參數(shù)一般是按電樞回路電流連續(xù)的情況來(lái)選取，然而當(dāng)系統(tǒng)輕載工作時(shí)，如果平波電抗器的電感量不太大，就

60、會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)，晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性和電流連續(xù)相比有明顯的差別，其動(dòng)態(tài)性能也發(fā)生兩項(xiàng)重要變化。DDO（b）當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于電樞回路電磁時(shí)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(shí)情況D不同，由于電感對(duì)電流的延緩作用已在一個(gè)波頭結(jié)束，平均電壓突變后，下一個(gè)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(shuō)，在平均整流電壓和電流之間，電流連續(xù)時(shí)是慣性環(huán)節(jié)，電流斷續(xù)時(shí)就成了比例環(huán)節(jié)。1 R考慮到上述兩項(xiàng)變化，平均整流電壓與平均整流電流間的傳遞函