直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

摘要近年來，自動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(cè)速采用了數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測(cè)速，所以擴(kuò)大了調(diào)速的范圍，提高了測(cè)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(shí)現(xiàn)的，使硬件得以簡(jiǎn)化，因此故障率?。粏纹瑱C(jī)以數(shù)字信號(hào)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(duì)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(cè)速方法，大大提高了速度控制的精度。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；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(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(dòng)機(jī)型號(hào)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(dòng)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(dòng)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 103.1PID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(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(dòng)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I1、I2的計(jì)算 204.1.3變壓器容量的計(jì)算 204.2晶閘管型號(hào)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主電路及保護(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(cè)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致謝 36參考文獻(xiàn) 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(dòng)的電動(dòng)機(jī)的類型來劃分，自動(dòng)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(dòng)機(jī)的電壓、電流和磁通的耦合較弱，使直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行性能和控制特性，能夠在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，啟動(dòng)、制動(dòng)性能良好，其在20世紀(jì)70年代以來一直在高精度，大調(diào)速范圍的傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。在要求高起、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)和較寬速度調(diào)節(jié)范圍的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，采用直流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。由于直流電動(dòng)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，易于在大范圍內(nèi)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(jí)快速制動(dòng)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(dòng)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(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)行可靠性及準(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)算速度的提高以及計(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(duì)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(shí)增加、更改、刪減應(yīng)用程序，當(dāng)時(shí)及系統(tǒng)變化時(shí)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(duì)被控對(duì)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(guó)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(dòng)完成了一次巨大的飛躍。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)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(biāo)大幅度提升，應(yīng)用范圍不斷地?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(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使電力拖動(dòng)系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電力拖動(dòng)的進(jìn)步。世界上許多國(guó)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(gè)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(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(guó)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(dòng)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(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)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(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(dòng)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(shì)。直流調(diào)速系統(tǒng)是指人為地或自動(dòng)地調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足控制系統(tǒng)性能的要求。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，使電動(dòng)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)，微處理器以及計(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(bào)警，診斷及數(shù)據(jù)采集和顯示等功能，同時(shí)，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(guó)外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對(duì)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，整個(gè)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(jiǎn)單，可靠性高，操作和維護(hù)較為方便，電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能較高，精度也達(dá)到了一定的要求。直流電動(dòng)機(jī)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(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，因而能夠滿足生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)等各種不同場(chǎng)合的需要。由于微機(jī)具有較高的性價(jià)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(dòng)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范圍內(nèi)平滑調(diào)速的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國(guó)在具有完全自主知識(shí)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(guó)家，而且進(jìn)口的控制器價(jià)格昂貴，因此，學(xué)習(xí)和研究國(guó)外先進(jìn)的控制器，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，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。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(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)及外部擴(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)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(hào)及參數(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(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)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(lì)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(dòng)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：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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于要求大范圍內(nèi)的無級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)。⑵減弱磁通調(diào)速。此種方法使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，動(dòng)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(jí)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)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(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)。⑴旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，用交流電動(dòng)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。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(dòng)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(dòng)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(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(dòng)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(dòng)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(shí)電壓。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路。考慮到使電路簡(jiǎn)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(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)。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(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)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(shí)的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，它有調(diào)速范圍D和靜差率s兩個(gè)指標(biāo)。⑴調(diào)速范圍D生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)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(jī)在額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)輕載的機(jī)械，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。⑵靜差率s當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)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(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，而且調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，只有同時(shí)提示才有意義。一個(gè)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(jī)額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若在額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降為，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)是最低轉(zhuǎn)速時(shí)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(duì)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(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求s越小時(shí)，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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動(dòng)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。⑴隨性能指標(biāo)上升時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間，允許誤差帶=穩(wěn)態(tài)值。⑵抗擾性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)降落最大動(dòng)態(tài)降落與原穩(wěn)態(tài)值之比?；謴?fù)時(shí)間從階躍擾動(dòng)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(shí)間間隔段稱為恢復(fù)時(shí)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)要求實(shí)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(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(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控制動(dòng)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(dòng)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(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，充分利用電機(jī)的允許過載能力，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，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)為電流無靜差。得到過電流的自動(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，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中表現(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)。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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制第三章數(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(duì)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(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)操作人員--控制臺(tái)--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(jiǎn)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(duì)象的變化，可以減小動(dòng)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(jiǎn)單，參數(shù)的物理意義明確，動(dòng)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，3.1PID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(duì)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(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(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。簡(jiǎn)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(hào)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(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。⑶微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。3.2PID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(shí)間系數(shù)；--微分時(shí)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(jiǎn)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）或（3-9）上式中，k是采樣序號(hào)k=0、1、2...;是k次采樣時(shí)刻的輸出值；是第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；是k-1次采樣時(shí)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(duì)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(shí)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(3-2)，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)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(jiǎn)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(hào)，k=0，1，2u(k)--第k次采樣時(shí)刻的單片機(jī)輸出值；e(k)--第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)--第k-1次采樣時(shí)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(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(duì)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(duì)象為直流電動(dòng)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，電樞內(nèi)阻為R=0.32，電磁時(shí)間常數(shù)為Td=0.0469s，電勢(shì)常數(shù)=0.0635，機(jī)電時(shí)間常數(shù)=l.ls，三相橋式晶閘管整流器的滯后時(shí)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(shí)間常數(shù)為0.022s，電流反饋系數(shù)，=0.054V/A3.4.1直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)通常以電樞電壓作為輸入量，以電動(dòng)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(lì)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(shì)系數(shù)，單位為n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)定律，電動(dòng)機(jī)軸上的運(yùn)動(dòng)方程式為（3-11）式中J電動(dòng)機(jī)軸上(包括負(fù)載折算過來的)n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；M電動(dòng)機(jī)軸的電磁力矩：電動(dòng)機(jī)軸的負(fù)載力矩。當(dāng)磁通不變時(shí)，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(shí)間常數(shù)，；機(jī)電時(shí)間常數(shù)，；電力拖動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。進(jìn)而，我們可得直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)可以近似認(rèn)為具有兩個(gè)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(dòng)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(duì)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(shí)間常數(shù)。對(duì)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(shí)間常數(shù)。對(duì)于晶閘管整流器，它本身是一個(gè)時(shí)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(shí)間常數(shù)?？紤]到一般比起系統(tǒng)其它部分的時(shí)間常數(shù)往往小很多，可以將該時(shí)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(shì)的影響，反電勢(shì)支路相當(dāng)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(shí)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(jì)與參數(shù)計(jì)算第四章主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算電動(dòng)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(dòng)勢(shì)的不良影響和三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。4.1變壓器的設(shè)計(jì)工業(yè)供電電壓為AC380V，而電動(dòng)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(dòng)機(jī)，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(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無法保證輸出額定電壓，選擇過高又會(huì)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(shí)整流電壓與二次電壓之比，即；B--延遲角為時(shí)輸出電壓與之比，即——電網(wǎng)波動(dòng)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(jì)算查表可得KI1=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=14.1702KVAS2=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(hào)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(duì)過電壓過電流敏感，在低速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通角很小等缺點(diǎn)。結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當(dāng)型號(hào)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（2～3）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，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(shí)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(jì)算系數(shù)。此外，還需注意以下幾點(diǎn)：①當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40℃時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。②當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。③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1.5～2倍的裕量，取49A故選晶閘管的型號(hào)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⑴凡是超過晶閘管正常工作時(shí)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內(nèi)，這是過電壓保護(hù)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(chǔ)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(shí)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。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(hù)直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)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，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）。晶閘管及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1.1～1.15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(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(shí)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(gè)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⑴由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流，溫度就會(huì)急劇上升，可能會(huì)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(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(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)。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(shí)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(duì)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(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(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)30μH的電感。4.4主電路及保護(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(dòng)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)。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(jì)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(shí)對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。必須對(duì)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(hào)在處理完畢后能夠不失真地重復(fù)連續(xù)的模擬信號(hào)。如何合理的選擇采樣周期，同時(shí)能夠達(dá)到最高的控制特性是個(gè)重要的問題。目前，對(duì)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(duì)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(gè)主要因素有：⑴保證單片機(jī)在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成所需操作從數(shù)字PI控制器對(duì)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(shí)間就長(zhǎng)，增加了控制系統(tǒng)對(duì)CPU的占用率。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，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(dòng)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(hào)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(hào)頻率的兩倍，實(shí)際工程上采樣頻率通常取有用信號(hào)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(gè)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(shí)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。5.3數(shù)字測(cè)速的軟件設(shè)計(jì)本文采用M/T'法對(duì)脈沖進(jìn)行測(cè)速。具體方法如下：在圖5-1中，T為實(shí)際檢測(cè)時(shí)間，T0是一固定不變的定時(shí)時(shí)間，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿到來時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)T0，由兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖M1和高頻脈沖數(shù)M2計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)T0結(jié)束時(shí)，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(gè)上升沿到來時(shí)，M2停止計(jì)數(shù)，則可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速（5-1）式中高頻計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)的頻率，本系統(tǒng)中為80C196KC內(nèi)定時(shí)器T1的時(shí)鐘信號(hào)，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(hào)被送到80C196KC的HSI0引起上升沿中斷，此時(shí)開始定時(shí)T0，同時(shí)記下計(jì)數(shù)器T1的值，T2開始對(duì)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(shí)T0到時(shí)，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(shí)，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(cè)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)。⑴因?yàn)橐谲浖〞r(shí)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(cè)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(gè)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(dāng)前時(shí)間作起始時(shí)間ST，設(shè)軟件定時(shí)器1中斷時(shí)間T0，關(guān)HSI0中斷，啟動(dòng)HSI數(shù)據(jù)有效對(duì)計(jì)數(shù)；如果是第二次中斷則把當(dāng)前的時(shí)間作為結(jié)束時(shí)間FT。⑶啟動(dòng)HSI數(shù)據(jù)有效中斷后，每一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿都會(huì)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。⑷過了T0時(shí)間后，軟件定時(shí)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(duì)計(jì)數(shù))。見圖5-3⑸下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖來時(shí)，就引起HSI0中斷。這個(gè)中斷是第二次HSI0中斷，把當(dāng)前的時(shí)間作為結(jié)束時(shí)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(cè)量結(jié)束。圖5-4軟件定時(shí)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(shí)中斷來完成的，多少時(shí)間顯示一次可在軟件中設(shè)定。圖5-4是軟件定時(shí)中斷子程序。PID計(jì)算也是在軟件定時(shí)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(shí)器1作為HSO的時(shí)間基準(zhǔn)，觸發(fā)角和脈寬的控制都是靠HSO的定時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)的。定時(shí)器1在系統(tǒng)中作實(shí)時(shí)時(shí)鐘用，其時(shí)鐘信號(hào)來自內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生電，每8個(gè)狀態(tài)周期計(jì)數(shù)加1，80C196KC的狀態(tài)周期由振蕩器信號(hào)2分頻后獲得，采用16MHz晶振，其狀態(tài)周期為125ns。這時(shí)HSO的時(shí)間分辨力，也就是定時(shí)器1的時(shí)間分辨力為ls。那么，1o所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值為（5-3）把觸發(fā)角和脈寬所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，寫入HSO時(shí)間寄存器，靠HSO的定時(shí)功能來控制角度的大小。⑴同步中斷子程序?yàn)榱丝煽坑|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(hào)，一個(gè)周期共需輸出24個(gè)HSO信號(hào)，包括HSO上升沿和下降沿。因?yàn)镠SOCAM只能存儲(chǔ)8個(gè)HSO事件，考慮到軟件定時(shí)器對(duì)HSOCAM的占用情況，我們把24個(gè)觸發(fā)時(shí)刻分為4組，每組6個(gè)觸發(fā)時(shí)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(hào)過零時(shí)刻引起(EXTINTI)。同步中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是復(fù)位計(jì)數(shù)基準(zhǔn)T2，產(chǎn)生A，B，C，D，E，F(xiàn)時(shí)刻的HSO輸出信號(hào)，允許HSO中斷，置A，B，C，D，E，F(xiàn)輸出結(jié)束標(biāo)志，在F時(shí)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(shí)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(biāo)志位產(chǎn)生不同組的HSO輸出信號(hào)，并置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)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(jì)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、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。用軟件編程完成電流、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用了Inter系列中的80C196KC單片機(jī)，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，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)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(cè)速發(fā)電機(jī)來檢測(cè)，這種模擬測(cè)速方法的精度不夠高，在低速時(shí)更為嚴(yán)重，很難保障生產(chǎn)的高效、安全運(yùn)行，所以在本次設(shè)計(jì)中測(cè)速采用了目前較先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。數(shù)字測(cè)速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護(hù)方便，同時(shí)采用M/T數(shù)字測(cè)速方法，兼?zhèn)淞薓法和T法測(cè)速的優(yōu)點(diǎn)，有效地?cái)U(kuò)大了調(diào)速范圍。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，總結(jié)出了數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：(1)速度給定和測(cè)速采用數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測(cè)速，進(jìn)而擴(kuò)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(jiǎn)單而且統(tǒng)一，零部件的數(shù)量和觸點(diǎn)大大減少，而且可靠性高，可重復(fù)性好。對(duì)于不同的控制對(duì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)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(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。(4)由于許多功能都是由軟件來完成的，所以使硬件得以簡(jiǎn)化，故障率比較小。單片機(jī)以數(shù)字信號(hào)來工作，其控制手段方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)。(5)數(shù)字控制裝置具有很強(qiáng)的通信功能，通過現(xiàn)場(chǎng)總線可以與工業(yè)控制系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)機(jī)工作，并且可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jī)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(shì)。當(dāng)然，離散化和數(shù)字化的結(jié)果導(dǎo)致了信號(hào)在時(shí)間上和量值上的不連續(xù)，從而會(huì)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(huì)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(jìn)步，微處理器的運(yùn)算速度不斷提高，其位數(shù)也不斷增加，上述兩個(gè)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(biāo)的方向發(fā)展，朝調(diào)試手段先進(jìn)，控制、通信更加豐富的方向邁進(jìn)，尤其是它的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)還可以進(jìn)一步提高?，F(xiàn)階段，我國(guó)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(guó)外先進(jìn)的進(jìn)口控制器設(shè)備價(jià)格較為昂貴。因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)全數(shù)字化直流調(diào)速裝置具有重大價(jià)值。學(xué)習(xí)和研究國(guó)外先進(jìn)的控制器，對(duì)于研制出有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制器，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和重要而又深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我對(duì)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)和直流電機(jī)調(diào)速等知識(shí)的掌握程度，進(jìn)一步鞏固了我的專業(yè)課知識(shí)?？傊敬卧O(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了我的專業(yè)知識(shí)技能，還是我獲得了設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的一般方法和步驟，對(duì)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(xiàn)參考文獻(xiàn)陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.32-40.羅飛，郗曉田.電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng).徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.94-165.李正熙，白晶．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)．北京：冶金工業(yè)出版社，2000.12-21.顧繩谷．電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.34-52.王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.78-95.李華德，李擎.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.359-394.徐愛卿.Intel16位單片機(jī).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(jī)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(jì)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(jì)。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(rèn)真負(fù)責(zé)地檢查我們的工作進(jìn)度情況，對(duì)于我們的提問也總給予細(xì)致耐心的解答。楊老師以其淵博的知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(jì)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(shí)上的不足，使我取得了很大的進(jìn)步。還有許多在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予我很大幫助和支持的人，在這里表示感謝。基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)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(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究