【正文】 8051 單片及實現(xiàn)的雙環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)。 直流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展概況 直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速 ,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看 ,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性 ,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點 ,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。 隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)相應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速 系統(tǒng)。由于直流電機的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從 20 世紀 30 年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的： 由最早的旋轉(zhuǎn)變流機組控制發(fā)展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的 PWM 控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可靠性、經(jīng)濟性不斷提高。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 3 調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、 高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能。在高性能的拖動技術(shù)中，相當(dāng)長時期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。 目前，我國直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面： 1. 提高調(diào)速系統(tǒng)的單機容量。 2. 提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使 變流器結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊。 3. 提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)視、保護、診斷及自復(fù)原等多種功能。 控制系統(tǒng)的計算機仿真 控制系統(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的綜合性新型學(xué)科。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計算機為工具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實際系統(tǒng)進行試驗和研究，而計算機仿真能夠為各種試驗提供方便、廉價、靈活可 *的數(shù)學(xué)模型。因此，凡是要用模型進行試驗的，幾乎都可以用計算機仿真來研究被仿真系統(tǒng)的工作特點、選擇最佳參 數(shù)和設(shè)計最合理的系統(tǒng)方案。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真越來越多的取代純物理仿真，他為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設(shè)計以及自動控制系統(tǒng)的計算機輔助教學(xué)提供了快速、經(jīng)濟、科學(xué)及有效的手段。 目前，比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件是 MATLAB，使用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。 MATLAB 簡介 MATLAB 的優(yōu)勢與特點 MATLAB 具有如下的優(yōu)勢與特點： 1. 友好的工作平臺 和編程環(huán)境 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 4 2. 簡單易用的程序語言 3. 強大的科學(xué)計算機數(shù)據(jù)處理能力 4. 出色的圖形處理功能 5. 應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱 6. 實用的程序接口和發(fā)布平臺 7. 模塊化的設(shè)計和系統(tǒng)級的仿真 由于 MATLAB 具有以上其他計算語言無法比擬的優(yōu)勢，目前它已作為工程和科學(xué)教育界的一種行業(yè)標準。隨著他日益風(fēng)靡全球，我國也掀起了學(xué)習(xí) MATLAB 的熱潮。 MATLAB 的 Simulink 簡介 Simulink是一種用來實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具。它是 MATLAB的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)級的建模與動 態(tài)仿真工作平臺。它一般可以附在 NMATLAB 上同時安裝，也有獨立安裝版。 Simulink 使用模塊組合的方法來實用戶能夠快速、準權(quán)的創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型的，特別對于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。 Simulink 模型可以用來模擬線性或者非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。另外， Simulink 還提供一套圖形動畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個過程。 Simulink 沒有單獨的語言，但他提供了 S函數(shù)規(guī)則。所謂的 S函數(shù)可以是一個 M文件、 FORTRAN 程序、 C或 C++語言程序等，通過特殊的語法規(guī)則使之能夠被 Simulink模型或模塊調(diào)用。 S 函數(shù)使 Simulink 更加充實、完備，具有更強的處理能力。 同 MATLAB 一樣， Simulink 也不是封閉的，它允許用戶可以很方便的定制自己的模塊和模塊庫。同時 Simulink 也同樣有比較完整的幫助系統(tǒng)，使用戶可以隨時找到對應(yīng)模塊的說明，便于應(yīng)用。 綜上所述， Simulink 就是一種開放性的，用來模擬線性或非線性的一級連續(xù)或離散的或者兩者混合的動態(tài)系統(tǒng)的強有力的系統(tǒng)級仿真工具。 目前，隨著軟件的不斷升級換代， Simulink 在軟硬件的接口方面有了長足的進步，使用 Simulink 已經(jīng)可以很方便的進行實時的信號控制和處理、信息通信以及 DSP處理。世界上須都大公司已經(jīng)使用 Simulink 作為他們產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的強有力工具。 本設(shè)計主要內(nèi)容 本設(shè)計的主要目的是更好的 學(xué)習(xí)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 5 本原理，了解直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用狀況，并對 Matlab 軟件有進一步的認知。 本設(shè)計根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備的情況，利用實驗手段 測定和計算出實驗室電動機的各項參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)， 設(shè)計仿真方案， 最后采用 MATLAB 中的 Power System工具箱對所設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真 ,得到了比較理想的運行曲線。分析轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并進行調(diào)試，使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理、完善。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理及參數(shù)的測定 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理及原理圖 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的 觸發(fā)裝置。 電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流 調(diào)速系統(tǒng)原理圖如下圖 2－ 1 所示。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，對負載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器 使 電流緊緊跟隨其 給定電壓變化，對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用，在 轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中能夠獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程， 當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。 圖 2－ 1雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 ASR– 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 ACR– 電流調(diào)節(jié)器 GT– 觸發(fā)裝置 M – 直流電動機 TG– 測速發(fā)電機 TA– 電流互感器 整流裝置原理圖如圖 2－ 2所示 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 7 圖 2－ 2整流裝置原理圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 23所示 圖 2－ 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的測定 已知的數(shù)據(jù)和調(diào)速要求 : 直流電動機 M03: 額定功率 eP =185W, 額定電 壓 eU =220V, 額定電流 eI =, 額定轉(zhuǎn)速 en =1600r/min 調(diào)速指標 :調(diào)速范圍 D=10。靜差率 S≤ 5% 參數(shù)測定試驗的系統(tǒng)組成和工作原理 主要通過晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)來測定雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中所需的各項參數(shù)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由整流變壓器、晶閘管整流裝置、平波 電抗器、電動機內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 —— 測功機組等組成。 整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制電路可直接由給定電壓 gU 作為觸發(fā)器的移相控制電壓 ctU ，改變 gU 的大小即可改變控制角 ? ，從而獲得可調(diào)的直流電壓，以滿足實驗要求。實驗系統(tǒng)的組成原理圖如圖 2－ 4所示。 圖 2－ 4 實驗系統(tǒng)原理圖 為研究晶閘管－電動機系統(tǒng)，須首先了解電樞回 路的總電阻 R、總電感 L以及系統(tǒng)的電磁時間常數(shù) dT 與機電時間常數(shù) mT ，這些參數(shù)均需通過實驗手段來測定，具體方法如下： 1. 電樞回路總電阻 R的測定 電樞回路的總電阻 R包括電機的電樞電阻 aR 、平波電抗器的直流電阻 lR 及整流裝置的內(nèi)阻 nR ，即 a l nR R R R? ? ? (21) 由于阻值較小，不宜用歐姆表或電橋測量，因是小電流檢測，接觸電阻影響很大，故常用直流伏安法。為測出晶閘管整流裝置的電源內(nèi)阻須測量整流裝置的理想空載電壓 0dU ，而晶閘管整流電源是無法測量的，為此應(yīng)用伏安比較法，實驗線路如圖 2－ 5所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 圖 2－ 5伏安比較法實驗線路圖 將變阻器 1R 、 2R 接入被測系統(tǒng)的主電路，測試時電動機不加勵磁，并使電機堵轉(zhuǎn)。合上 1S 、 2S ，調(diào)節(jié)給定使輸出直流電壓 dU 在 30% edU ～ 70% edU 范圍內(nèi)，然后調(diào)整2R 使電樞電流在 80% edI ～ 90%edI 范圍內(nèi)，讀取電流表 A和電壓表 2V 的數(shù)值為 1I 、 1U ，則此時整流裝置的理想空載電壓為 0 1 1dU I R U?? (22) 調(diào)節(jié) 1R 使之與 2R 的電阻值相近，拉開開關(guān) 2S ，在 dU 的條件下讀取電流表、