直流電動機雙閉環(huán)系統(tǒng)軟件設(shè)計本科畢業(yè)論文

沈陽化工大學(xué)本科畢業(yè)論文題目：直流電動機雙閉環(huán)系統(tǒng)軟件設(shè)計

摘要近年來，自動化控制系統(tǒng)在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速系統(tǒng)作為電力拖動系統(tǒng)的主要方式之一，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著十分重要的作用。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用使控制系統(tǒng)得到簡化，體積減小，可靠性提高，而且各種經(jīng)典和智能算法也都分別在調(diào)速系統(tǒng)中得到了靈活的應(yīng)用，以此來達到最優(yōu)控制效果。以單片機為控制核心的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)有著許多優(yōu)點：由于速度給定和測速采用了數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測速，所以擴大了調(diào)速的范圍，提高了測速控制系統(tǒng)的精度；由于硬件的高度集成化，所以使得零部件數(shù)量大大減少；由于很多功能都是由軟件實現(xiàn)的，使硬件得以簡化，因此故障率??；單片機以數(shù)字信號工作，控制方法靈活便捷，抗干擾能力較強。本論文在直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究的基礎(chǔ)上，以80C196KC單片機為控制核心，對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采了用PID控制算法、電流調(diào)節(jié)器采用了PI算法，設(shè)計了一套全數(shù)字直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。并且介紹了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的功能和特性，分析了雙閉環(huán)PID控制的調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的比例和積分系數(shù)。此外，本次設(shè)計采用了數(shù)字式速度給定和數(shù)字式測速方法，大大提高了速度控制的精度。關(guān)鍵詞：直流電動機；調(diào)速；PID控制；雙閉環(huán)AbstractInrecentyears,automationcontrolsysteminallawiderangeofapplicationsanddevelopment,anddcspeedcontrolsystemasthemainwayofelectricdrivesysteminoneofthemodernproductionplaysaveryimportantrole.Withthedevelopmentofthemicroelectronics,theuseofthecomputerinspeedregulationsystemsimplifiedthesystem,reducesthevolume，increasesthereliability.TheOptimumControlisachievedbytheuseofbothclassicalmethodsandintelligentmethods.ThedigitalspeedcontrolsystemforDCmotor,whichuseChipMicrocomputer(SCM)asitsprocessorhasmanymerits.Thespeedgivingandspeedmeasuringadoptdigitalmethod,thesystemcanmeasurethespeedaccuracywithinawiderange,whichexpandthespeedcontrolscopeandenhancesitsprecession;thehardwareishighlyintegrated,thenumberofthepartsissharplyminimized;asmostfunctionsarecarriedoutbysoftware,Moreover,asSCMworkswithdigitalsignal,itscontrolisflexibleanditsabilitytoanti-interferenceisveryhigh.ThepaperisbasedonthetheoryofDCspeedregulation.Inthispaper，a80C196KCSCMisusedastheprocessorforthespeedcontrolsystemofDCmotor.ThekindofspeedcontrollerisPIDandthatofcurrentcontrollerisPI.Itisalsodiscussedinthispaperhowtoanalyzethemathmodelofdouble-close-loopspeedcontrolsystembyanalyzingthefunctionsandcharacteristicsofthespeedcontrollingsystemforDCmotor，andfindouttheproportionandintegralfactorsofthecurrentandvoltageloop.Moreover，thesystemadopteddigitalspeedmeasuringmethodtoenhancetheaccuracyofspeedcontrol.Keywords：DCmotor;Speedregulation;PIDcontrol;Double-closed-loop目錄第一章緒論 11.1引言 11.2課題的背景 21.3課題研究的目的和實際意義 2第二章直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 42.1調(diào)速方案的選擇 42.1.1電動機型號的選擇 42.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 42.1.3電動機供電方案的選擇 52.2調(diào)速系統(tǒng)的性能指標 52.2.1調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標 52.2.2調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 62.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 8第三章數(shù)字直流電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制 103.1PID調(diào)節(jié)器的基本原理 103.2PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計 113.3位置式PID算法 133.4調(diào)速單元PI參數(shù)的整定 153.4.1直流電動機的數(shù)學(xué)模型 153.4.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析 173.4.3比例、積分系數(shù)初值的確定 18第四章主電路的設(shè)計與參數(shù)計算 194.1變壓器的設(shè)計 194.1.1變壓器二次側(cè)電壓U2的計算 194.1.2一次、二次側(cè)相電流I1、I2的計算 204.1.3變壓器容量的計算 204.2晶閘管型號的選擇 214.2.1晶閘管的額定電壓 214.2.2晶閘管的額定電流 214.3直流調(diào)速系統(tǒng)的保護 224.3.1過電壓保護和限制 224.3.2過電流保護和限制 244.4主電路及保護電路圖 24第五章數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計 265.1采樣周期T的選擇 265.2主程序的設(shè)計 265.3數(shù)字測速的軟件設(shè)計 285.4顯示模塊的軟件設(shè)計 315.5觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計 31第六章總結(jié)與展望 346.1工作總結(jié) 346.2研究展望 35致謝 36參考文獻 36沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論1.1引言按照拖動的電動機的類型來劃分，自動調(diào)速系統(tǒng)可以分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩大類。由于直流電動機的電壓、電流和磁通的耦合較弱，使直流電動機具有良好的運行性能和控制特性，能夠在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，啟動、制動性能良好，其在20世紀70年代以來一直在高精度，大調(diào)速范圍的傳動領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。在要求高起、制動轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)和較寬速度調(diào)節(jié)范圍的電氣傳動領(lǐng)域中，采用直流電動機作為調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行電機。由于直流電動機具有良好的機械特性和調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，易于在大范圍內(nèi)進行平滑調(diào)速，過載能力較大，能夠承受頻繁的沖擊負載，可以實現(xiàn)無級快速制動和反轉(zhuǎn)，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過程中的特殊運行要求，因此直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛用于自動控制要求較高的生產(chǎn)過程，仍然是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)中，控制回路全部采用模擬電子器件，如晶體管、各種線性運算電路等，雖然一定程度上滿足了生產(chǎn)過程的要求，但是因為在使用中易受外界干擾影響，線路復(fù)雜、通用性差，而且容易老化，控制系統(tǒng)的效果受到器件性能、溫度等不確定因素的影響，致使系統(tǒng)的運行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，可靠性較差。隨著微電子技術(shù)、微處理器的出現(xiàn)和運算速度的提高以及計算機控制技術(shù)的發(fā)展電機調(diào)速系統(tǒng)由原來的以模擬量反饋、模擬調(diào)速器為核心的連續(xù)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展到以數(shù)字量處理為主，以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，即從過去的模擬控制向模擬和數(shù)字混合控制發(fā)展，最后實現(xiàn)全數(shù)字化。數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)是指用微機處理器代替以往的模擬調(diào)速器，它具有體積小、實現(xiàn)方便等優(yōu)點，不僅是一般的PID控制，就是復(fù)雜的矢量控制、非線性魯棒控制、模糊控制等方法都可以通過編程實現(xiàn)，這給設(shè)計和構(gòu)造調(diào)速系統(tǒng)帶來了許多便利。數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)通過數(shù)字控制器和數(shù)字觸發(fā)器實現(xiàn)對系統(tǒng)調(diào)速控制，從而達到預(yù)期的控制精度和要求。調(diào)速系統(tǒng)的控制方案是依靠軟件程序來實現(xiàn)，軟件的模塊化結(jié)構(gòu)可以實時增加、更改、刪減應(yīng)用程序，當時及系統(tǒng)變化時也可以徹底更新，軟件控制的這種靈活性大大增強了控制器對被控對象的適應(yīng)能力，使各種新的控制策略和控制方法得到實現(xiàn)。1.2課題的背景我國從上世紀60年代研制出第一只晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。晶閘管整流裝置逐漸取代了水銀整流裝置，使直流電力拖動完成了一次巨大的飛躍。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高度集成化、小型化，可靠性及低成本，以上技術(shù)的應(yīng)用，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅度提升，應(yīng)用范圍不斷地擴大，直流調(diào)速系統(tǒng)得到較大的發(fā)展。隨著微型計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動控制理論的發(fā)展，電力電子器件、超大規(guī)模集成電路和傳感器的出現(xiàn)，電力拖動控制系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。微機的應(yīng)用使電力拖動系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化，極大地推動了電力拖動的進步。世界上許多國家都開發(fā)出了數(shù)字式調(diào)速裝置，當前直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個很高的水平：功率元件采用可控硅，控制方式采用換相、相位控制等。特別是采用微處理器和其他先進技術(shù)，數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)具有越來越具有優(yōu)良的控制性能，較高的精度和較強的抗干擾能力，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動裝置之一。在軋鋼機、冶金、金屬切削機床和造紙機、高層電梯等需要高性能的可控電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外一些主要電氣公司，已經(jīng)研制出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標準化、模塊化的應(yīng)用產(chǎn)品供各生產(chǎn)企業(yè)和科研單位選用。1.3課題研究的目的和實際意義數(shù)字化和智能化已被公認為運動控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，在直流電機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用也已成為發(fā)展趨勢。直流調(diào)速系統(tǒng)是指人為地或自動地調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速，以滿足控制系統(tǒng)性能的要求。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機的機械特性，使電動機的運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。電機調(diào)速通常通過給定環(huán)節(jié),中間放大環(huán)節(jié),校正環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)等來實現(xiàn)。隨著微電子技術(shù)，微處理器以及計算機軟件的發(fā)展，使調(diào)速控制的各種功能幾乎全部可通過微處理機，借助軟件來實現(xiàn),實現(xiàn)全數(shù)字化。在數(shù)字化系統(tǒng)中，除具有常規(guī)的調(diào)速功能外，還具有故障報警，診斷及數(shù)據(jù)采集和顯示等功能，同時，數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強的通信能力和較強的抗干擾能力。國外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對應(yīng)的全數(shù)字交、直流調(diào)速裝置產(chǎn)品可供選用，新開發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)幾乎全是數(shù)字式的。采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化，標準化程度高，制作成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作和維護較為方便，電機運行的動態(tài)性能較高，精度也達到了一定的要求。直流電動機具有良好的調(diào)速特性，可以平滑調(diào)速，調(diào)速范圍廣，操作方便；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可以實現(xiàn)頻繁的無級快速起、制動和反轉(zhuǎn)，因而能夠滿足生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)等各種不同場合的需要。由于微機具有較高的性價比，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程和設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，盡管交流調(diào)速技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但由于直流電機良好的起、制動性能，在礦井卷揚機、軋鋼機、金屬切削機床、造紙機和高層電梯等需要在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速的電力拖動領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國在具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字化調(diào)速裝置的研發(fā)水平上還落后于發(fā)達國家，而且進口的控制器價格昂貴，因此，學(xué)習(xí)和研究國外先進的控制器，具有重大的經(jīng)濟價值和實際意義。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，展望未來，全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)必將向高性能、高精度的方向發(fā)展，朝著調(diào)試手段更加先進，控制、通訊功能更豐富的方向邁進，尤其是它的控制精度和平滑性還可以得到進一步的提高。沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文第二章直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定第二章直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定本設(shè)計的主電路供電方案采用晶閘管三相全控橋整流電路，控制電路由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了單片機及外部擴展設(shè)備代替模擬調(diào)速系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等器件，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。2.1調(diào)速方案的選擇調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的效果，因此必須根據(jù)電機的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)設(shè)計方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運行，取得良好的效果。2.1.1電動機型號的選擇本次設(shè)計選用的電動機型號Z2-32型，額定功率4.2KW，額定電壓110V，額定電流46A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，勵磁電壓220V。2.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇直流電動機轉(zhuǎn)速的表達式如下：（r/min）（2-1）式（2-1）中：U——電樞電壓（V）；——電樞電流（A）；——電樞電路總電阻（）；由式（2-1）可知，調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速n的控制方法有以下三種：⑴調(diào)節(jié)電樞電壓U。調(diào)壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于要求大范圍內(nèi)的無級平滑調(diào)速系統(tǒng)。⑵減弱磁通調(diào)速。此種方法使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)慢，調(diào)速范圍小。⑶改變電樞回路電阻R。此法屬于有級調(diào)速，平滑性差，機械特性軟，效率低。改變電樞回路電阻的方法缺點很多，目前較少采用；弱磁調(diào)速調(diào)節(jié)范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用。因此，調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，本設(shè)計采用調(diào)壓調(diào)速方式。變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞電壓主要有三種方式：旋轉(zhuǎn)變流機組，靜止變流裝置，PWM脈寬調(diào)制變換器(或稱直流斬波器)。⑴旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱G-M系統(tǒng)，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其系統(tǒng)較為復(fù)雜、體積大、效率低、維護不便。⑵靜止變流裝置，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流電壓，采用靜止變流裝置又稱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，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用的快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。⑶脈寬調(diào)制交換器采用PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓，因受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。本設(shè)計根據(jù)技術(shù)要求和特點選用V-M系統(tǒng)。2.1.3電動機供電方案的選擇在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]到使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，因此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。晶閘管可控整流裝置無噪聲、響應(yīng)快、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。綜上選用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。2.2調(diào)速系統(tǒng)的性能指標2.2.1調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的性能指標稱為穩(wěn)態(tài)性能指標，它有調(diào)速范圍D和靜差率s兩個指標。⑴調(diào)速范圍D生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即（2-2）其中和一般指電機在額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)輕載的機械，也可以用實際負載時的轉(zhuǎn)速。⑵靜差率s當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定負載時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率s，表示為：（2-3）顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，而且調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，只有同時提示才有意義。一個系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低轉(zhuǎn)速是還能滿足靜差率要求下的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間有以下關(guān)系。在調(diào)壓調(diào)速中，常以電機額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若在額定負載時轉(zhuǎn)速降為，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)是最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，即（2-4）于是，而調(diào)速范圍為：（2-5）將代入上式得（2-6）對于同一調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或值是一定的，因此，由上式（2-6）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求s越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。2.2.2調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標可分為跟隨性能指標和抗擾性能指標兩種。⑴隨性能指標上升時間在典型階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時間。超調(diào)量輸出量超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比（2-7）調(diào)節(jié)時間響應(yīng)曲線到達并不再超出允許誤差帶所需要的最短時間，允許誤差帶=穩(wěn)態(tài)值。⑵抗擾性能指標動態(tài)降落最大動態(tài)降落與原穩(wěn)態(tài)值之比?；謴?fù)時間從階躍擾動開始，到響應(yīng)曲線到達并不再超出允許誤差帶所需的最短時間間隔段稱為恢復(fù)時間。2.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，選擇最適合設(shè)計要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實際，選擇轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電機轉(zhuǎn)速通過光電脈沖轉(zhuǎn)換器的計數(shù)，再直接連到單片機。交流側(cè)電流通過電流互感器的作用，經(jīng)采樣，A/D轉(zhuǎn)換連到單片機。2.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇若采用轉(zhuǎn)速負反饋和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，不過當對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(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)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。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反饋，而它和轉(zhuǎn)速負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)速負反饋，不靠電流負反饋發(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)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主調(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)在具有較強的抗負載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文第三章數(shù)字直流電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制第三章數(shù)字直流電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制單片機控制的操作功能包括從控制對象中獲取各種信息，執(zhí)行反映控制規(guī)律的控制算法，把計算結(jié)果以一定的形式傳送到行機構(gòu)或顯示報警裝置，實現(xiàn)操作人員--控制臺--單片機系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。其中，最主要的任務(wù)是執(zhí)行控制算法。系統(tǒng)構(gòu)成后，控制規(guī)律是反映單片機控制系統(tǒng)性能的核心。隨著控制理論和單片機水平的不斷發(fā)展，單片機控制系統(tǒng)的功能日益增強，適用的控制規(guī)律也越來越多，如PID調(diào)節(jié)、史密斯(Smith)預(yù)估控制、最優(yōu)控制、基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計方法和基于輸入輸出模型的設(shè)計方法等。PID控制式工業(yè)控制過程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。在本系統(tǒng)中，采用了PID控制算法。PID控制器具有簡單而固定的控制形式，可以在很管得范圍內(nèi)保持較好的魯棒性，三種不同形式的控制作用組合起來跟隨被控對象的變化，可以減小動態(tài)誤差。它是一種基于負反饋的控制方法，不僅在模擬調(diào)節(jié)器得到了廣泛應(yīng)用，而且更適合于單片機控制系統(tǒng)。PID具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)的物理意義明確，動態(tài)特性和靜態(tài)特性較好的優(yōu)點。在控制理論不斷發(fā)展的今天，常規(guī)PID控制器仍然是過程控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制器，3.1PID調(diào)節(jié)器的基本原控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。如圖3-1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差：e(t)=r(t)-c(t)（3-1）將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：⑴比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。⑵積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用度強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。⑶微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。3.2PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器的PID控制規(guī)律為：（3-2）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式（3-3）式中--比例系數(shù)；--積分時間系數(shù)；--微分時間常數(shù)。將上式離散化為數(shù)字PID，只要將式中各項分別離散化就可以了，即為：（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）其中，T為采樣周期。在上面離散化的過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e（kT）簡化表示為e（k），將上式（3-4）、（3-5）、（3-6）、(3-7)代入式（3-2）中，可得離散的PID表達式為（3-8）或（3-9）上式中，k是采樣序號k=0、1、2...;是k次采樣時刻的輸出值；是第k次采樣時刻輸入的偏差值；是k-1次采樣時刻輸入的偏差值：是積分系數(shù)，;是微分系數(shù)，.3.3位置式PID算法在單片機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于本文的PID控制算法的輸出量要控制晶閘管的輸出電壓，此類對象適合用位置式PID控制算法，所以下面主要介紹位置式PID控制算法。由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式(3-2)中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。按照模擬PID算法的算式(3-2)，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可以作如下近似變換；(3-4)式中T--采樣周期。顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)，即省去T。將式(3-4)代入(3-2)，可得離散的PID表達式為（3-5）或（3-6）式中k--采樣序號，k=0，1，2u(k)--第k次采樣時刻的單片機輸出值；e(k)--第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)--第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；-積分系數(shù)，=T/；--微分系數(shù)，=/T；由z變換的性質(zhì)式（3-6）的z變換式為（3-7）由式（3-7）便可得到數(shù)字PID控制器的z傳遞函數(shù)為（3-8）或者（3-9）由于單片機輸出的u(k)直接去控制執(zhí)行機構(gòu)：晶閘管u(k)的值和晶閘管的輸出電壓值是一一對應(yīng)的，所以通常稱式(3-5)或(3-6)為位置式PID控制算法。圖3-2給出了位置式PID控制系統(tǒng)示意圖。3.4調(diào)速單元PI參數(shù)的整定本系統(tǒng)選用的控制對象為直流電動機，基本參數(shù)為：額定功率為=4.2kW，額定電壓為=110V，額定電流=46A，額定轉(zhuǎn)速為=1500rpm，電樞內(nèi)阻為R=0.32，電磁時間常數(shù)為Td=0.0469s，電勢常數(shù)=0.0635，機電時間常數(shù)=l.ls，三相橋式晶閘管整流器的滯后時間為=0.0017s，放大倍數(shù)為=20，速度反饋系數(shù)=0.0104，速度反饋濾波時間常數(shù)為0.022s，電流反饋系數(shù)，=0.054V/A3.4.1直流電動機的數(shù)學(xué)模型在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，直流電動機通常以電樞電壓作為輸入量，以電動機轉(zhuǎn)速作為輸出量。假設(shè)電機補償良好，不計電樞反應(yīng)、禍流效應(yīng)和磁滯等因素帶來的影響，并設(shè)勵磁電流恒定，得直流電機數(shù)學(xué)模型為：（3-10）式中--電樞電壓；-電樞回路電感；--電樞電流；--電樞回路總電阻；由電機結(jié)構(gòu)決定的電勢系數(shù)，單位為n電動機轉(zhuǎn)速。根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動定律，電動機軸上的運動方程式為（3-11）式中J電動機軸上(包括負載折算過來的)n電動機轉(zhuǎn)速；M電動機軸的電磁力矩：電動機軸的負載力矩。當磁通不變時，有（3-12）式中電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為整理得到直流電機的微分方程（3-13）式中電樞回路的電磁時間常數(shù)，；機電時間常數(shù)，；電力拖動系統(tǒng)整個運動部分折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：n電動機轉(zhuǎn)速。進而，我們可得直流電動機的電壓和轉(zhuǎn)速間的傳遞函數(shù)為：（3-14）根據(jù)式（3-14）可以看出直流電動機可以近似認為具有兩個慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。3.4.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析該系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。其中轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)均采取PI控制。對于電流閉環(huán)，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以表示為（3-15）式中--電流調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)；調(diào)節(jié)器時間常數(shù)。對于速度閉環(huán)，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以表示為（3-16）式中--調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；調(diào)節(jié)器時間常數(shù)。對于晶閘管整流器，它本身是一個時滯環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)可以表示為（3-17）式中--管整流器放大倍數(shù)；--閘管整流器時間常數(shù)?？紤]到一般比起系統(tǒng)其它部分的時間常數(shù)往往小很多，可以將該時滯環(huán)節(jié)近似為慣性環(huán)節(jié)處理，傳遞函數(shù)為（3-18）3.4.3比例、積分系數(shù)初值的確定⑴電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇由于電流的響應(yīng)過程比轉(zhuǎn)速響應(yīng)過程快得多，所以可以不考慮反電勢的影響，反電勢支路相當于斷開。取，=0.0469，使用PI調(diào)節(jié)器將電流環(huán)校正為典型I型系統(tǒng)。為了滿足電流超調(diào)量。5%，取電流環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)為電流調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)為⑵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇，取，即中頻寬h=5，使PI調(diào)節(jié)器將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型II型系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的跟隨行和抗干擾性。此時轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)為沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文第四章主電路的設(shè)計與參數(shù)計算第四章主電路的設(shè)計與參數(shù)計算電動機的額定電壓為110V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降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和三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。4.1變壓器的設(shè)計工業(yè)供電電壓為AC380V，而電動機的額定電壓為110V，所以必須通過降壓變壓器使之達到系統(tǒng)供電要求。本設(shè)計采用的是直流電動機，故還要通過整流電路使之轉(zhuǎn)換成連續(xù)的直流電壓。4.1.1變壓器二次側(cè)電壓U2的計算U2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓，選擇過高又會造成延遲角加大，整流元件的承受電壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算即：（4-1）式中A--理想情況下，=0°時整流電壓與二次電壓之比，即；B--延遲角為時輸出電壓與之比，即——電網(wǎng)波動系數(shù)；1～1.2——考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；表查可得A=2.34；取ε=0.9；角考慮10°裕量，則B==0.985則,取=120V。電壓比K=U1/U2=380/120=3.17。4.1.2一次、二次側(cè)相電流I1、I2的計算查表可得KI1=0.816，KI2=0.8164.1.3變壓器容量的計算S1=m1U1I1；S2=m2U2I2；S=1/2(S1+S2)；式中m1、m2--次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；S1=m1U1I1=3×380×12.43=14.1702KVAS2=m2U2I2=3×120×37.536=13.51296KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（14.1702+13.51296）=13.84158KVA4.2晶閘管型號的選擇整流電路采用晶閘管全控橋電路。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，不允許電流反向，對過電壓過電流敏感，在低速運行時，導(dǎo)通角很小等缺點。結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當型號的晶閘管十分重要。4.2.1晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（2～3），整流電路形式為三相全控橋，而，則，取800V4.2.2晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使晶閘管允許通過的額定電流有效值大于實際流過的電流最大有效值即，考慮（1.5～2）倍的裕量。式中K--電流計算系數(shù)。此外，還需注意以下幾點：①當周圍環(huán)境溫度超過+40℃時，應(yīng)降低元件的額定電流值。②當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。③關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當選的大些。由表查得K=0.368，考慮1.5～2倍的裕量，取49A故選晶閘管的型號為KP49-8。4.3直流調(diào)速系統(tǒng)的保護晶閘管有換相方便，無噪音等優(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。采取正確的保護措施是晶閘管裝置可靠地運行的必要條件。4.3.1過電壓保護和限制⑴凡是超過晶閘管正常工作時承受的最大峰值電壓的情況都算過電壓，產(chǎn)生過電壓的原因是電路中電感元件積聚的能量驟然釋放或者是外界侵入的大亮點和累積。按照過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)保護、直流側(cè)保護和元件保護。不能從根本上消除過電壓的根源，只能設(shè)法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內(nèi)，這是過電壓保護的基本思想。抑制過電壓的方法不外乎三種：用非線性元件限制過電壓的幅度；用電阻消耗產(chǎn)生過電壓的能量；用儲能元件吸收產(chǎn)生過電壓的能量。實用中常視需要在電路的不同部位選用不同的方法，或者在同一部位同時用兩種不同保護方法。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。交流側(cè)過電壓保護：本設(shè)計采用阻容保護，如圖4-1所示。S=13.84158KVA，U2=120VC≥6S/2=6×12×13842/1202=69.2μF選取70μF的鋁電解電容器。R≥2.32/S=2.3×1202/13.84158×103=9.37Ω選取電阻為ZB1-10的電阻。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，因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。=（）=（）×110V=V選MY31-230/5型壓敏電阻。允許偏差+10％（253V）。晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.1～1.15倍。得C=0.1μF，R=100Ω。選R為0.2μF的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器。=fC×10=50×0.2×10-6×1202×10-6=0.45×10-6W選R為20Ω普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。⑵電壓上升率du/dt：正相電壓上升率較大時，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；由于晶閘管換相時相當于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過大。限制過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使其降低。4.3.2過電流保護和限制⑴由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流，溫度就會急劇上升，可能會把PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的主要原因有以下幾種：負載端過載或者短路；牧歌晶閘管被擊穿短路，造成其它元件的過電流;觸發(fā)電路不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤導(dǎo)通，引起過電流。晶閘管過電流的保護的常用措施有快速熔斷器和硒堆保護等?？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)。交流側(cè)快速熔斷器的選擇由I2=37.536A選取RLS-10快速熔斷器，熔體額定電流40A。⑵電流上升率di/dt：導(dǎo)通時電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此對晶閘管的電流上升率必須有所限制。產(chǎn)生電流上升率過大的原因一般有：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)負載突然短路等。所以為了防止飽和，在每個橋臂上串聯(lián)一個30μH的電感。4.4主電路及保護電路圖系統(tǒng)的主電路是晶閘管三相全控橋和直流電動機，保護電路采用了阻容吸收電路和快速熔斷器進行保護。沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文第五章數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計第五章數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1采樣周期T的選擇微機數(shù)字控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，數(shù)字控制其必須定定時對給定信號和反饋信號進行采樣。必須對系統(tǒng)的采樣頻率作出一定的要求，才能保證離散的數(shù)字信號在處理完畢后能夠不失真地重復(fù)連續(xù)的模擬信號。如何合理的選擇采樣周期，同時能夠達到最高的控制特性是個重要的問題。目前，對于采樣周期的選擇，還沒有特別有效的辦法，一般憑經(jīng)驗選擇相對合理的采樣周期，因此選擇應(yīng)綜合考慮各方面因素，采取折衷的辦法。其中的兩個主要因素有：⑴保證單片機在一個采樣周期內(nèi)完成所需操作從數(shù)字PI控制器對連續(xù)PI調(diào)節(jié)器的模擬精度考慮，采樣周期越小越好。但采樣周期小，控制器占用CPU的時間就長，增加了控制系統(tǒng)對CPU的占用率。在一個采樣周期內(nèi)，單片機要采集A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，進行PI運算，輸出控制量，顯示，啟動A/D轉(zhuǎn)換，處理其它中斷等。所以采樣周期不能太小。⑵保證有用信號不失真根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不低于有用信號頻率的兩倍，實際工程上采樣頻率通常取有用信號頻率的4-10倍。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電流環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，響應(yīng)速度快，采樣周期取3ms；速度環(huán)是外環(huán)，采樣周期取15ms,每個工頻周期轉(zhuǎn)速環(huán)PID算一次，電流環(huán)算三次。這樣即方便編程，也能滿足采樣精度。5.2主程序的設(shè)計數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)中的所有硬件也靠軟件來管理。運行在數(shù)字控制器中的軟件有主程序、初始化子程序和中斷服務(wù)子程序等。主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其它外圍設(shè)備通信等功能。主程序框圖如圖5-1所示。5.3數(shù)字測速的軟件設(shè)計本文采用M/T'法對脈沖進行測速。具體方法如下：在圖5-1中，T為實際檢測時間，T0是一固定不變的定時時間，當轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿到來時，啟動定時T0，由兩個計數(shù)器分別對轉(zhuǎn)速脈沖M1和高頻脈沖數(shù)M2計數(shù)。當定時T0結(jié)束時，Ml停止計數(shù)，M2繼續(xù)計數(shù)。當轉(zhuǎn)速脈沖的下一個上升沿到來時，M2停止計數(shù)，則可得到電機的轉(zhuǎn)速（5-1）式中高頻計數(shù)脈沖信號的頻率，本系統(tǒng)中為80C196KC內(nèi)定時器T1的時鐘信號，由于采用16MHz晶振，=1MHz；P光電脈沖編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，P=60016倍頻次數(shù)。將和P的參數(shù)代入上式，得（5-2）轉(zhuǎn)速脈沖信號被送到80C196KC的HSI0引起上升沿中斷，此時開始定時T0，同時記下計數(shù)器T1的值，T2開始對HSI1接收到的轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)，并關(guān)閉HSI0中斷。當定時T0到時，開啟HSI0中斷，停止計數(shù)，等待HSI0的上升沿。當上升沿到來時，讀取計數(shù)器T1的值，計算兩次計數(shù)器T1的差值得到高頻脈沖數(shù)，這樣就完成了一次轉(zhuǎn)速測量周期。由此根據(jù)式(5-2)即可計算出當前電機的轉(zhuǎn)速。下面介紹一下如何在程序中具體實現(xiàn)。⑴因為要在軟件定時器2的第一次中斷中進行轉(zhuǎn)速環(huán)的PID計算，所以測速從這里開始。首先允許HSI0中斷，然后設(shè)HSI中斷模式為每個脈沖的正跳變引起中斷。⑵轉(zhuǎn)速脈沖引起HSI0中斷，如果是第一次中斷則記下當前時間作起始時間ST，設(shè)軟件定時器1中斷時間T0，關(guān)HSI0中斷，啟動HSI數(shù)據(jù)有效對計數(shù)；如果是第二次中斷則把當前的時間作為結(jié)束時間FT。⑶啟動HSI數(shù)據(jù)有效中斷后，每一個轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿都會引起HSI數(shù)據(jù)有效中斷，在每一次HSI數(shù)據(jù)有效中斷程序中，讓計數(shù)變量增加1。⑷過了T0時間后，軟件定時器1產(chǎn)生中斷。在中斷程序中開HSI0中斷(允許HSI0中斷)，關(guān)HSI數(shù)據(jù)有效中斷(停止對計數(shù))。見圖5-3⑸下一個轉(zhuǎn)速脈沖來時，就引起HSI0中斷。這個中斷是第二次HSI0中斷，把當前的時間作為結(jié)束時間FT。見圖5-3然后用公式(5-3)計算轉(zhuǎn)速。至此，轉(zhuǎn)速測量結(jié)束。圖5-4軟件定時中斷子程序5.4顯示模塊的軟件設(shè)計顯示部分的程序是采用軟件定時中斷來完成的，多少時間顯示一次可在軟件中設(shè)定。圖5-4是軟件定時中斷子程序。PID計算也是在軟件定時中斷子程序中完成的。5.5觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計本系統(tǒng)中，用定時器1作為HSO的時間基準，觸發(fā)角和脈寬的控制都是靠HSO的定時功能來實現(xiàn)的。定時器1在系統(tǒng)中作實時時鐘用，其時鐘信號來自內(nèi)部的時鐘發(fā)生電，每8個狀態(tài)周期計數(shù)加1，80C196KC的狀態(tài)周期由振蕩器信號2分頻后獲得，采用16MHz晶振，其狀態(tài)周期為125ns。這時HSO的時間分辨力，也就是定時器1的時間分辨力為ls。那么，1o所對應(yīng)的計數(shù)器1的計數(shù)值為（5-3）把觸發(fā)角和脈寬所對應(yīng)的計數(shù)值，寫入HSO時間寄存器，靠HSO的定時功能來控制角度的大小。⑴同步中斷子程序為了可靠觸發(fā)三相全橋6只晶閘管，該控制系統(tǒng)使用了雙脈沖觸發(fā)信號，一個周期共需輸出24個HSO信號，包括HSO上升沿和下降沿。因為HSOCAM只能存儲8個HSO事件，考慮到軟件定時器對HSOCAM的占用情況，我們把24個觸發(fā)時刻分為4組，每組6個觸發(fā)時刻，分別由同步中斷與HSO中斷產(chǎn)生。同步中斷由同步中斷模塊在交流同步信號過零時刻引起(EXTINTI)。同步中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是復(fù)位計數(shù)基準T2，產(chǎn)生A，B，C，D，E，F(xiàn)時刻的HSO輸出信號，允許HSO中斷，置A，B，C，D，E，F(xiàn)輸出結(jié)束標志，在F時刻產(chǎn)生HSO中斷。其控制流程圖如圖5-6所示。⑵HSO中斷服務(wù)程序流程HSO中斷分別由F，L，R時刻的HSO輸出命令引起。HSO中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)就是根據(jù)狀態(tài)標志位產(chǎn)生不同組的HSO輸出信號，并置相應(yīng)狀態(tài)標志位。其控制流程圖如圖5-7所示。沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文第六章總結(jié)與展望第六章總結(jié)與展望6.1工作總結(jié)本設(shè)計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、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。用軟件編程完成電流、轉(zhuǎn)速等各項參數(shù)的計算，實現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié)。本設(shè)計采用了Inter系列中的80C196KC單片機，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，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動機的速度。在以往的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速常用測速發(fā)電機來檢測，這種模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴重，很難保障生產(chǎn)的高效、安全運行，所以在本次設(shè)計中測速采用了目前較先進的旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測速。數(shù)字測速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護方便，同時采用M/T數(shù)字測速方法，兼?zhèn)淞薓法和T法測速的優(yōu)點，有效地擴大了調(diào)速范圍。通過本次畢業(yè)設(shè)計，總結(jié)出了數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有以下主要特點：(1)速度給定和測速采用數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測速，進而擴大了調(diào)速范圍，提高了速度控制的精度。(2)控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路簡單而且統(tǒng)一，零部件的數(shù)量和觸點大大減少，而且可靠性高，可重復(fù)性好。對于不同的控制對象和控制要求，只需要改變控制算法軟件即可。(3)數(shù)字控制系統(tǒng)用計算機進行數(shù)據(jù)處理和計算，系統(tǒng)中的控制量和反饋量都必須根據(jù)一定的采樣周期進行離散化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。(4)由于許多功能都是由軟件來完成的，所以使硬件得以簡化，故障率比較小。單片機以數(shù)字信號來工作，其控制手段方便靈活，抗干擾能力強。(5)數(shù)字控制裝置具有很強的通信功能，通過現(xiàn)場總線可以與工業(yè)控制系統(tǒng)的上位機聯(lián)機工作，并且可以對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)視、預(yù)警、故障診斷和數(shù)據(jù)采集。6.2研究展望微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、可靠性高，可以提高控制性能，它將是未來調(diào)速系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢。當然，離散化和數(shù)字化的結(jié)果導(dǎo)致了信號在時間上和量值上的不連續(xù)，從而會引起量化誤差，影響控制精度和平滑性。數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A和零階保持器會提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，系統(tǒng)性能。隨著微電子技術(shù)的進步，微處理器的運算速度不斷提高，其位數(shù)也不斷增加，上述兩個問題的影響已經(jīng)越來越小。根據(jù)目前的發(fā)展，展望未來，全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)必將向著高性能高指標的方向發(fā)展，朝調(diào)試手段先進，控制、通信更加豐富的方向邁進，尤其是它的動態(tài)性能指標還可以進一步提高?，F(xiàn)階段，我國還沒有自主的系列的全數(shù)字化的控制系統(tǒng)商用，而且國外先進的進口控制器設(shè)備價格較為昂貴。因此，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)全數(shù)字化直流調(diào)速裝置具有重大價值。學(xué)習(xí)和研究國外先進的控制器，對于研制出有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的控制器，具有重大的經(jīng)濟價值和重要而又深遠的實際意義。通過本次畢業(yè)設(shè)計，加強了我對單片機應(yīng)用技術(shù)和直流電機調(diào)速等知識的掌握程度，進一步鞏固了我的專業(yè)課知識?？傊?，本次設(shè)計不僅進一步強化了我的專業(yè)知識技能，還是我獲得了設(shè)計控制系統(tǒng)的一般方法和步驟，對我以后的學(xué)習(xí)和工作具有重大的幫助。沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文參考文獻參考文獻陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)．北京：機械工業(yè)出版社，2003.32-40.羅飛，郗曉田.電力拖動與運動控制系統(tǒng).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.111-122.余發(fā)山，鄭征.自動控制系統(tǒng).徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.94-165.李正熙，白晶．電力拖動自動控制系統(tǒng)．北京：冶金工業(yè)出版社，2000.12-21.顧繩谷．電機及拖動基礎(chǔ)．北京：機械工業(yè)出版社，2000.34-52.王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)．北京：機械工業(yè)出版社，2003.78-95.李華德，李擎.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2008.359-394.徐愛卿.Intel16位單片機.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.152-178.孫和平，楊寧．單片微機原理與接口技術(shù)．北京：冶金工業(yè)出版社，2003.65-78.沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文致謝致謝在此，我要感謝我的指導(dǎo)老師——老師。在本人畢業(yè)設(shè)計過程中，楊老師傾注了大量的精力和寶貴的建議，在他的悉心指導(dǎo)下，我才得以順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計。他從最初就為我們制定了周密科學(xué)的工作任務(wù)安排，始終認真負責(zé)地檢查我們的工作進度情況，對于我們的提問也總給予細致耐心的解答。楊老師以其淵博的知識和豐富的經(jīng)驗，給了我莫大的幫助。和楊老師一起討論相關(guān)的課題和解決設(shè)計中遇到的問題，我的思路得到極大的開闊，并發(fā)現(xiàn)了自己在某些專業(yè)知識上的不足，使我取得了很大的進步。還有許多在畢業(yè)設(shè)計過程中給予我很大幫助和支持的人，在這里表示感謝?；贑8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究