直流電動機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本科畢業(yè)論文

1、. . . . 化工大學(xué)本科畢業(yè)論文題 目：直流電動機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(dá)到最優(yōu)控制效果。以單片機(jī)為控制核心的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)有著許多優(yōu)點(diǎn)：由于速度給定和測速采用了數(shù)字化，能夠在很寬的圍高精度測速，所以擴(kuò)大了調(diào)速的圍，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

2、功能都是由軟件實(shí)現(xiàn)的，使硬件得以簡化，因此故障率??；單片機(jī)以數(shù)字信號工作，控制方法靈活便捷，抗干擾能力較強(qiáng)。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(jī)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(jì)了一套全數(shù)字直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。并且介紹了直流電機(jī)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(jì)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(jī)；調(diào)速；PID 控制；雙閉環(huán)AbstractIn recent years,

3、automation control system in all a wide range of applications and development, and dc speed control system as the main way of electric drive system in one of the modern production plays a very important role.With the development of the microelectronics,the use of the computer in speed regulation sys

4、tem simplified the system,reduces the volume，increases the reliability.The Optimum Control is achieved by the use of both classical methods and intelligent methods.The digital speed control systemfor DC motor,which use Chip Microcomputer(SCM) as its processor has many merits.The speed giving and spe

5、ed measuring adopt digital method,the system can measure the speed accuracy within a wide range,which expand the speed control scope and enhances its precession;the hardware is highly integrated,the number of the parts is sharply minimized;as most functions are carried out by software,Moreover,asSCM

6、workswithdigital signal,its control is flexible and its ability to anti-interference is very high.The paper is based on the theory of DC speed regulation.In this paper， a 80C196KC SCM is used as the processor for the speed control system of DC motor. The kind of speed controller is PID and that of c

7、urrent controller is PI. It is also discussed in this paper how to analyze the math model of double- close- loop speed control system by analyzing the functions and characteristics of the speed controlling system for DC motor，and find out the proportion and integral factors of the current and voltag

8、e loop. Moreover，the system adopted digital speed measuring method to enhance the accuracy of speed control. Key words：DC motor;Speed regulation; PID control; Double-closed-loop39 / 44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(shí)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(jī)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

9、 電動機(jī)供電方案的選擇52.2 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)52.2.1 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)52.2.2 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)62.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)72.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇8第三章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制103.1 PID調(diào)節(jié)器的基本原理103.2 PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)與參數(shù)計(jì)算194.1 變壓器的設(shè)計(jì)194.1.1 變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算194.1.2 一次、二次側(cè)相電流I

10、1、I2的計(jì)算204.1.3 變壓器容量的計(jì)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(hù)224.3.1 過電壓保護(hù)和限制224.3.2 過電流保護(hù)和限制244.4 主電路與保護(hù)電路圖24第五章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)265.1 采樣周期T的選擇265.2 主程序的設(shè)計(jì)265.3 數(shù)字測速的軟件設(shè)計(jì)285.4 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)315.5 觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計(jì)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36參考文獻(xiàn)36第一章 緒論1.1 引言按照拖動的電動機(jī)的類型來劃分，自動調(diào)速系統(tǒng)可以分為

11、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(jī)的電壓、電流和磁通的耦合較弱，使直流電動機(jī)具有良好的運(yùn)行性能和控制特性，能夠在大圍平滑調(diào)速，啟動、制動性能良好，其在20世紀(jì)70年代以來一直在高精度，大調(diào)速圍的傳動領(lǐng)域占據(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)圍的電氣傳動領(lǐng)域中，采用直流電動機(jī)作為調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。由于直流電動機(jī)具有良好的機(jī)械特性和調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，易于在大圍進(jìn)行平滑調(diào)速，過載能力較大，能夠承受頻繁的沖擊負(fù)載，可以實(shí)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(yùn)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

12、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(yùn)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?yàn)樵谑褂弥幸资芡饨绺蓴_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(yùn)行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性與準(zhǔn)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(yùn)算速度的提高以與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展電機(jī)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(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)是指用

13、微機(jī)處理器代替以往的模擬調(diào)速器，它具有體積小、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)，這給設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)調(diào)速控制，從而達(dá)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(shí)現(xiàn)，軟件的模塊化結(jié)構(gòu)可以實(shí)時增加、更改、刪減應(yīng)用程序，當(dāng)時與系統(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(qiáng)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(shí)現(xiàn)。1.2 課題的背景我國從上世紀(jì)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

14、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(shí)現(xiàn)高度集成化、小型化，可靠性與低成本，以上技術(shù)的應(yīng)用，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅度提升，應(yīng)用圍不斷地?cái)U(kuò)大，直流調(diào)速系統(tǒng)得到較大的發(fā)展。隨著微型計(jì)算機(jī)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(jī)的應(yīng)用使電力拖動系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化，極推動了電力拖動的進(jìn)步。世界上許多國家都開發(fā)出了數(shù)字式調(diào)速裝置，當(dāng)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

15、進(jìn)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(qiáng)的抗干擾能力，在國外得到了廣泛的應(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(jī)、冶金、金屬切削機(jī)床和造紙機(jī)、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(biāo)準(zhǔn)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(shí)際意義數(shù)字化和智能化已被公認(rèn)為運(yùn)動控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，在直流電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足

16、控制系統(tǒng)性能的要求。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性，使電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。電機(jī)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(hù)環(huán)節(jié)等來實(shí)現(xiàn)。隨著微電子技術(shù)，微處理器以與計(jì)算機(jī)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(jī)，借助軟件來實(shí)現(xiàn),實(shí)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，診斷與數(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(qiáng)的通信能力和較強(qiáng)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(jī)控制后

17、，整個調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作和維護(hù)較為方便，電機(jī)運(yùn)行的動態(tài)性能較高，精度也達(dá)到了一定的要求。直流電動機(jī)具有良好的調(diào)速特性，可以平滑調(diào)速，調(diào)速圍廣，操作方便；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可以實(shí)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(jī)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(jī)良好的起、制動性能，在礦井卷揚(yáng)機(jī)、軋鋼機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)和高層電梯等需要在較大圍平滑調(diào)速的電力拖動領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階

18、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(dá)國家，而且進(jìn)口的控制器價格昂貴，因此，學(xué)習(xí)和研究國外先進(jìn)的控制器，具有重大的經(jīng)濟(jì)價值和實(shí)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(jìn)，控制、通訊功能更豐富的方向邁進(jìn)，尤其是它的控制精度和平滑性還可以得到進(jìn)一步的提高。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定本設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)與外部擴(kuò)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)

19、調(diào)節(jié)器等器件，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)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(jī)的型號與參數(shù)選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行，取得良好的效果。2.1.1 電動機(jī)型號的選擇本次設(shè)計(jì)選用的電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法有以下三種：調(diào)節(jié)電樞

20、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)于要求大圍的無級平滑調(diào)速系統(tǒng)。減弱磁通調(diào)速。此種方法使電動機(jī)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)速圍小。改變電樞回路電阻R。此法屬于有級調(diào)速，平滑性差，機(jī)械特性軟，效率低。改變電樞回路電阻的方法缺點(diǎn)很多，目前較少采用；弱磁調(diào)速調(diào)節(jié)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(jì)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(jī)組，靜止變流裝置，PWM脈寬調(diào)制變換器(或稱直流斬波器)。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱G-M系統(tǒng)，用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電

21、壓，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其系統(tǒng)較為復(fù)雜、體積大、效率低、維護(hù)不便。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(shí)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。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(jì)根據(jù)技術(shù)要求和特點(diǎn)選用V-M系統(tǒng) 。2.1.3 電動機(jī)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

22、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(jì)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(diǎn)。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(jī)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(biāo)2.2.1 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，它有調(diào)速圍D和靜差率s兩個指標(biāo)。調(diào)速圍D生產(chǎn)機(jī)械要

23、求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速圍，用字母D表示，即 （2-2）其中和一般指電機(jī)在額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)輕載的機(jī)械，也可以用實(shí)際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速。靜差率s當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)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(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，而且調(diào)速圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)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)圍。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速圍、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(jī)額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若在額定負(fù)載時轉(zhuǎn)速降

24、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(yán)，即要求s越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速圍也越小。2.2.2 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)可分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩種。隨性能指標(biāo)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(dá)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?？箶_性能指標(biāo)動態(tài)降落最大動態(tài)降落與

25、原穩(wěn)態(tài)值之比。恢復(fù)時間從階躍擾動開始，到響應(yīng)曲線到達(dá)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(jì)全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要現(xiàn)的功能，選擇最適合設(shè)計(jì)要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際，選擇轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過光電脈沖轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)，再直接連到單片機(jī)。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(jī)。2.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇若采用轉(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)速無靜差，不過當(dāng)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(fù)載動態(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

26、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(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態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)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(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)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(dá)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(yùn)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

27、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(shí)行串級聯(lián)接，這樣就可以實(shí)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(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(hù)。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(qiáng)的抗負(fù)

28、載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示圖2-1 系統(tǒng)的總體框圖第三章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制單片機(jī)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(jì)算結(jié)果以一定的形式傳送到行機(jī)構(gòu)或顯示報警裝置，實(shí)現(xiàn)操作人員-控制臺-單片機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)性能的核心。隨著控制理論和單片機(jī)水平的不斷發(fā)展，單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能日益增強(qiáng)，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(jì)方法和基于輸入輸出模型的設(shè)計(jì)方法等。PID控制式工業(yè)控制

29、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，可以在很管得圍保持較好的魯棒性，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(fù)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(jī)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(diǎn)。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，3.1 PID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。

30、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(shí)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(jìn)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：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。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(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。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

31、，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。3.2 PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計(jì)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(xiàng)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(dá)式為 （3-8

32、）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(jī)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(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式 (3-2)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按照模擬PID算法的算式

33、(3-2)，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點(diǎn)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(dá)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(jī)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

34、（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(jī)輸出的u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)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。圖3-2 位置式PID控制系統(tǒng)原理圖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(jī)，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，電樞阻為R=0.32，電磁時間常數(shù)為Td=0.0469s，電勢常數(shù)=0.063 5，機(jī)電時間常數(shù)=l.ls，三相橋式晶閘管整

35、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(jī)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(jī)通常以電樞電壓作為輸入量，以電動機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸出量。假設(shè)電機(jī)補(bǔ)償良好，不計(jì)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢系數(shù)，單位為n-電動機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動定律，電動機(jī)軸上的運(yùn)動方程式為 （3-11）式中J-電動機(jī)軸上(包括負(fù)載折算過來的)

36、n-電動機(jī)轉(zhuǎn)速； M-電動機(jī)軸的電磁力矩：-電動機(jī)軸的負(fù)載力矩。當(dāng)磁通不變時，有 （3-12）式中-電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為整理得到直流電機(jī)的微分方程 （3-13）式中-電樞回路的電磁時間常數(shù)， ； -機(jī)電時間常數(shù)，；- 電力拖動系統(tǒng)整個運(yùn)動部分折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量：n-電動機(jī)轉(zhuǎn)速。進(jìn)而，我們可得直流電動機(jī)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(jī)可以近似認(rèn)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。圖3-3雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖其中轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流環(huán)均采取PI控制。對于電流

37、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(dāng)于斷開。取，=0.0469， 使用PI調(diào)節(jié)

38、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)為第四章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算電動機(jī)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(jì)工業(yè)供電電壓為AC 380V，而電動機(jī)的額定電壓為110V，所以必須通過降壓變壓器使之達(dá)到系統(tǒng)供電要求。本設(shè)計(jì)采用的是直流電動機(jī)

39、，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(jì)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(jì)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)；11.2考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；表查可得 A=2.34；取=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(jì)算查表可得 KI1

40、=0.816， KI2=0.8164.1.3 變壓器容量的計(jì)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=14.1702 KVAS2=m2U2I2=3×120×37.536=13.51296 KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（14.1702+13.51296）=13.84158 KVA4.2 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(yùn)行時，導(dǎo)通角很小等缺點(diǎn)。結(jié)合課題提供的

41、參數(shù)，選擇適當(dāng)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(shí)際承受的最大峰值電壓，乘以（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，即=（23），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(shí)際流過的電流最大有效值即，考慮（1.52）倍的裕量。式中K -電流計(jì)算系數(shù)。此外，還需注意以下幾點(diǎn)：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。關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選的大些。由表查得 K=0.368，考慮

42、1.52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(hù)晶閘管有換相方便，無噪音等優(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電壓、過電流保護(hù)措施。采取正確的保護(hù)措施是晶閘管裝置可靠地運(yùn)行的必要條件。4.3.1 過電壓保護(hù)和限制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(diǎn)和累積。按照過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)保護(hù)、直流側(cè)保護(hù)和元件保護(hù)。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，這是過電壓保護(hù)的基本思想。抑

43、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(shí)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(hù)方法。以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。 交流側(cè)過電壓保護(hù)：本設(shè)計(jì)采用阻容保護(hù)，如圖4-1所示。圖4-1 交流側(cè)保護(hù)電路S=13.84158KVA， U2=120V C6S/2= 6×12×13842/1202=69.2 µF選取70µF的鋁電解電容器。R2.32/S=2.3×1202/13.84158

44、×103 =9.37選取電阻為ZB1-10的電阻。 直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)一樣的方法，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，因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。=（）=（ ）×110V=V選MY31-230/5型壓敏電阻。允許偏差+10（253V）。 晶閘管與整流二極管兩端的過電壓保護(hù)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(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。得 C=0.1µF，R=100。選R為0.2µF的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器。=

45、fC×10=50×0.2×10-6×1202×10-6=0.45×10-6W選R為20普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。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(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換相時相當(dāng)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(hù)和限制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

46、升，可能會把PN結(jié)燒壞，造成元件部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的主要原因有以下幾種：負(fù)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(hù)的常用措施有快速熔斷器和硒堆保護(hù)等?？焖偃蹟嗥鞯臄嗔鲿r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)。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。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

47、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(hù)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(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)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30H的電感。4.4 主電路與保護(hù)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(jī)，保護(hù)電路采用了阻容吸收電路和快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。圖4-2 主電路第五章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1 采樣周期T的選擇微機(jī)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(jìn)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

48、夠達(dá)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(yàn)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：保證單片機(jī)在一個采樣周期完成所需操作從數(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，單片機(jī)要采集A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，進(jìn)行PI運(yùn)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。 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(shí)際工程上采樣頻率通常取

49、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(jì)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(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中的所有硬件也靠軟件來管理。運(yùn)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(shí)時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)和其它外圍設(shè)備通信等功能。主程序框圖如圖5-1所示。如圖5-1 主程序框圖5.3 數(shù)字測速的軟件設(shè)計(jì)本文采用M/T'法對脈沖

50、進(jìn)行測速。具體方法如下： 在圖5-1中，T為實(shí)際檢測時間，T0是一固定不變的定時時間，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿到來時，啟動定時T0，由兩個計(jì)數(shù)器分別對轉(zhuǎn)速脈沖M1和高頻脈沖數(shù)M2計(jì)數(shù)。當(dāng)定時T0結(jié)束時，Ml停止計(jì)數(shù)，M2繼續(xù)計(jì)數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的下一個上升沿到來時，M2停止計(jì)數(shù)，則可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速圖5-2 M/T法檢測轉(zhuǎn)速原理圖 （5-1）式中-高頻計(jì)數(shù)脈沖信號的頻率，本系統(tǒng)中為80C196KC定時器T1的時鐘信號，由于采用1 6MHz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

51、中斷，此時開始定時T0，同時記下計(jì)數(shù)器T1的值，T2開始對HSI1接收到的轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)，并關(guān)閉HSI0中斷。當(dāng)定時T0到時，開啟HSI0中斷，停止計(jì)數(shù)，等待HSI0的上升沿。當(dāng)上升沿到來時，讀取計(jì)數(shù)器T1的值，計(jì)算兩次計(jì)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(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。下面介紹一下如何在程序中具體實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐谲浖〞r器2的第一次中斷中進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的PID計(jì)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。轉(zhuǎn)速脈沖引起HSI0中斷，如果是第一次中斷則記下當(dāng)前時間作起始時間ST，設(shè)軟件定時器1中斷

52、時間T0，關(guān)HSI0中斷，啟動HSI數(shù)據(jù)有效對計(jì)數(shù)；如果是第二次中斷則把當(dāng)前的時間作為結(jié)束時間FT。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(jì)數(shù)變量增加1。圖5-3 HSI0中斷 /HIS數(shù)據(jù)有效中斷過了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(jì)數(shù))。見圖5-3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(dāng)前的時間作為結(jié)束時間FT。見圖5-3然后用公式(5-3)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)本系統(tǒng)中，用定時器1作為HSO的時間基準(zhǔn)，觸發(fā)角和脈寬的控制都是靠HSO的定時功能來實(shí)現(xiàn)的。定時器1在系統(tǒng)中作實(shí)時時鐘用，其時鐘信號來自部的時鐘發(fā)生電，每8個狀態(tài)周期計(jì)數(shù)加1，80C196KC