【正文】 一定范圍呢無極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展 因為直流電機調(diào)速主要采用調(diào)壓調(diào)速，電機電樞電壓需要有專門的可控盒子里電源，所以，以可控直流電源的發(fā)展可把直流電機分為三個階段：旋轉變流機組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈沖寬度調(diào)制變換器。 20 世紀 60 年代以前官方使用的是旋轉變流機組，由交流電動機拖動直流發(fā)電機實現(xiàn)變流，給需要調(diào)速的直流電機供電，調(diào)節(jié)的勵磁電流即可改變輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電機轉速。 靜止式變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)最開始時時 有的是閘流管整流器的離子拖動系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉變流機組的許多缺點，而且還大大縮短了相應時間，但閘流管容量小，維護麻煩。 到了 20世紀 70年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了全控型器件。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成各種脈沖寬度調(diào)制的開關電路，簡稱脈寬調(diào)制變換器。 重慶郵電大學 本科 畢業(yè)論文 3 雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點： 電流連續(xù) 可使電機在 4象限運行 電機停止是有微震電流，能消除靜摩擦死去 =區(qū)。 低速平穩(wěn)性好。 低速時，每個開關器件的驅動脈沖任然較寬，有利于保證器件的可靠性雙極性控制的橋式 可逆 PWM 變換器在工作過程中， 4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。 80 年代以后，以晶閘管為功率開關器件的斬波調(diào)壓調(diào)速器以其無級、高效、節(jié)能而得到大力推廣。 直流調(diào)速系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀 我國從 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用。目前，用于中、小功率的晶閘管直流調(diào)速裝置已作為標準化，系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)，用于大功率的產(chǎn)品也開始在某些大型機械上應用。 晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應用。隨著各種新型控制期間的發(fā)展，直流電動機晶閘管調(diào)速系統(tǒng)除向大功率發(fā)展外，正在實現(xiàn)控制單元標準化、集成化、小型化。對某些中小功率裝置，正在做到使電動機課控制設備組合一體化。 國外主要電氣公司如 ABB 公司、西門子公司、 AEG公司、三菱公司等，均已開發(fā)出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標準化、模板化的應用產(chǎn)品。 我國關于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有：綜合性最優(yōu)控制、補償 PID 控制，很少將模糊控制等智能技術應用于其中。隨著新型電力半導體器件 MOSFET\IGBT等的發(fā)展，開關器件具有了開關速度快、驅動簡單和可自關斷等優(yōu)點，克服了晶閘管的主要缺點。我國直流調(diào)速整向前發(fā)展。 第二節(jié) 本章小結 本章節(jié)主要對直流電機調(diào)速系統(tǒng)做了一個簡要的介紹，包括我們常用到的一些調(diào)速方法，電機調(diào)速系統(tǒng)的整個發(fā)展的大致情況，以及就目前而言，國內(nèi)和國外的直流電機調(diào)速的一些進步性的突破與發(fā)展情況做了一些介紹。 重慶郵電大學 本科 畢業(yè)論文 4 第 二 章 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計 該系統(tǒng)是 以 STC12C5410AD 單片機作為主 控制 器， 通過普通 PI控制算法和模糊 PI 兩種控制算法來控制電機，通過比較兩種控制算法的優(yōu)劣，來體現(xiàn)模糊PI 控制算法的優(yōu)越性。該系統(tǒng)是 使用霍爾 傳感器 來對直流電機的速度 進行測量 ，通過 LCD1602 來顯示 的直流電機轉速測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器敏感速率信號，具有頻率響應快，抗干擾能力強等特點。結合硬件電路設計，采用模塊化方法進行了軟 件設計。編制了電機轉速的測量設計了測量模塊、轉速模塊、顯示模塊等的 C51 程序 ，來 表明 基于模糊 PI 控制的直流電機調(diào)速方案是可行的，并且有較好的發(fā)展前景 。 第一節(jié) PI 算法 在工程設計運用工程中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律是：比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制。 PID 控制器結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便因而成為工業(yè)控制的主要技術之一。 對于 PID 算法 可以選擇的功能有： 比例控制規(guī)律 P：采用 P 控制規(guī)律的顯著優(yōu)點是克服擾動影響的能力比較強，它經(jīng)常用于輸出值較快，但輸出值不能夠穩(wěn)定在一個有效的數(shù)字 上。雖然能有效的克服擾動的影響，但往往還是會有余差出現(xiàn)。它適用于控制要求不高、控制通道滯后較小、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差、負荷變化不大的場合。 比例積分控制規(guī)律 (PI)：在工程中，比例積分控制規(guī)律應用往往是最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎上消除余差，它適用于被控參數(shù)不允許有余差、控制通道滯后較小、負荷變化不大、的場合。 對于 PID 算法，可以選擇的功能有 （ 1）加速的動態(tài)過程 在這個算法之中，基于 P 和 I 的正負符合有如下的關系：相同的符號的條件是當被控制的量一直偏離于給定值；這兩項符號相 反的條件是改變給定值方向。 接近到一個給定值時，積分作用就不及反號的比例作用大，從而避免了振蕩，這會起到更加有效的控制。然而，被控制量的值小于給定值， P 和 I 的作用是反向的，那么整個控制過程將會減慢很多。要加快啟動的動態(tài)過程，當然，我們可以通過定偏差范圍 v，當偏差 E（ t）的絕對值小于β的時候，我們就正常的調(diào)節(jié)，來縮短起步動態(tài)過程的時間。偏差 E（ t）的絕對值大于β，調(diào)整的方向會自動重慶郵電大學 本科 畢業(yè)論文 5 的趨向去給定值的方向，也可以減少起步動態(tài)過程的時間，從而使整個動態(tài)過程得到更快的控制。 （ 2）濾波器選擇 對于該輸入，可以添加一個預 過濾器，訪問的控制算法的一個給定值不發(fā)生突然的變化，但有一定的慣性變量延遲緩沖器。 （ 3） PID 增量算法飽和效應 在增量式的 PID 算法之中，執(zhí)行元件本身的性質(zhì)是物理的存儲性質(zhì)，遇到一些突發(fā)情況的話， PD 的增量部分比較大，往往超過執(zhí)行器的最大允許范圍，整個系統(tǒng)的動態(tài)過程的時間將會變得更長，那么我們?nèi)绾蝸韽浹a呢？我們可以采用累積補償法，通過累積超出額定承受能力以外的部分，把額定范圍之內(nèi)的部分執(zhí)行完之后，再著手于執(zhí)行累積起來的部分，這樣就可以彌補整個動態(tài)過程，從而使得整個動態(tài)過程的時間縮短。 當被控制對象的結構和 參數(shù)不能夠完全掌握，我們無法得到精確的數(shù)學模型，采用其他的技術就難以實現(xiàn)。如果應用 PID 控制技術，就會分成方便。當然 PID 控制技術也有它的不足，那就說被控對象通常要呈現(xiàn)出一種線性關系，這種方法才能夠得到很好的控制。所以我們就想法在 PI 算法的基礎上加以改善，來讓系統(tǒng)得到更好的控制，那便是模糊 PI 控制。 第 二 節(jié) 模糊 PI 控制 模糊 PI 控制是該系統(tǒng)中運用到的一種關鍵控制算法，那么到底什么是模糊PI 控制算法呢？下面對模糊 PI 控制做一下簡單的了解。 模糊 PI背景介紹 PI 控制算法不但簡單，而且易于 調(diào)整參數(shù)，它被廣泛地用于電機雙閉環(huán)控制，但由于該控制是線性控制 PI，那么當被控對象的非線性特性的時候，設計將不能夠保持性能，魯棒性也就不能夠達到令我們十分滿意的效果。因此， 在該系統(tǒng)中，我們 提出模糊 PI 控制速度控制回路和閉環(huán)電流控制方法從而達到令人滿意的效果。令基準速度的信號和實際速度的反饋信號來做一個有效的進行比較，把他們所不同的圓周速度調(diào)節(jié)器的模糊輸入，輸出的基準電流信號。速度控制器的輸出基準電流的反饋信號，比較實際的電流值的電流調(diào)節(jié)器的輸入圓周率的周期序列，形成一個 PWM 的邏輯控制信號的輸出信號，然后再 根據(jù)換向邏輯模塊，順序控制設備來打開電源的開關，從而控制逆變器輸出電壓的振幅，采用相重慶郵電大學 本科 畢業(yè)論文 6 位電流來充分控制繞組，使逆變器的輸出電流，根據(jù)一個給定的電流變化，穩(wěn)態(tài)的靜態(tài)誤差。 模糊 PI理論分析 要想更清楚的了解模糊 PI 控制理論，我們必須要充分的了解 常規(guī) PID 控制算法。 因為模糊 PI 算法就是在普通 PI控制算法的基礎上做適當修正而形成的。要實現(xiàn) PID 算法，必須在硬件上除了要有閉環(huán)控制以外，還得有反饋。比如控制一個電機的轉速，就得有一個測量轉速的傳感器，并將結果反饋到控制路線上，下面我以轉速控制為例，對 PID 算法做簡要分析。 PID 是比例、積分、微分控制算法的簡稱。但事實上，我們并不是同時運用這三種算法，我們經(jīng)常運用其中的兩種或者是一種。比如可以是 PD,PI,甚至只有 P 算法控制。當我以前開始學自動控制原理的時候，對于閉環(huán)控制的一個最樸素的想法就只有 P 控制，那就是把當前結果反饋回來，與目標量相減，為正的話，就減速，為負的話就加速?，F(xiàn)在知道這只是最簡單的閉環(huán)控制算法。 3，比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)控制算法各有作用： 比例，反應系統(tǒng)的基本（當前）偏差 e(t)，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比 例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定； 積分，反應系統(tǒng)的累計偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無誤差； 微分，反映系統(tǒng)偏差信號的變化率 e(t)e(t1)，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是微分對噪聲干擾有放大作用，加強微分對系統(tǒng)抗干擾不利。 積分和微分都不能單獨起作用，必須與比例控制配合。 FuzzyPI 實際上就是在常規(guī) PID 控制器的基礎上 ,應用 Fuzzy 建立參數(shù) KP、KI與 KD 同偏差絕對值 |E|和偏差變化 |EC|間的二元連續(xù)函數(shù)關系 : KP=f1 (|E|,|EC|) KI=f2 (|E|,|EC|) KD=f3 (|E|,|EC|)。 第三節(jié) 直流電機調(diào)速原理 在直流電機轉速關系式中，電機速度只和電壓電流有關，我們通常都會采用重慶郵電大學 本科 畢業(yè)論文 7 改變電樞電壓的方式來對直流電機的速度進行調(diào)節(jié)，這里我們常用都就是 PWM調(diào)速。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的 技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸 出 電壓在工作條件變化時保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進行編碼。 第四節(jié) 無刷直流電機 該系統(tǒng)中的一個非常重要的部分就是無刷直流電機部分，下面就對無刷直流電機座一個簡要的介紹。 無刷直流電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(shù) (P)影響： n=60* f / P。在轉子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制 (驅動器 )，控制定子旋轉磁場的頻率 并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉子 維持一定的轉速。 普通直流電機的磁場做定子，給轉子通電，所以必須用電刷給轉子通電。 直流無刷電機正好反過來，定子做成線圈，轉子做成永磁體，靠定子磁場吸引轉子永磁體旋轉，所以不需要給轉子通電，也就不需要碳刷了。換相的時候，檢測轉子位置，通過電子換向根據(jù)轉子永磁體地位置改變定子磁場的方向吸引永磁體旋轉。 取消了碳刷 ，效率高，壽命長，功率 體積比高，噪音小。但是永磁體采用稀土合金制造，成本較高，還需要額外的電子換向器控制，所以成本比直流電機更高。 重慶郵電大學 本科 畢業(yè)論文 8 無刷直流電機可以想象成與刷式直流電機截然相反，其中永久磁性在轉子上，而繞線在定子上。因此，該電機沒有刷子和換向器，消除了與刷式直流電機產(chǎn)生火花相關的劣勢。 該電機被稱為直流電機，是因為其線圈通過直流電源驅動，而直流電源是按預定順序的形式應用到不同的定子線圈。這一過程稱為換向。但是，無刷直流并不恰當，因為該電機實際上屬于交流電機。在電路循環(huán)過程中，每個線圈中的電流正負交 替。定子一般是凸極結構，旨在產(chǎn)生梯形反電動勢波形，盡可能符合所應用的換向電壓波形。但是實際上很難做到，產(chǎn)生的反電動勢波形通常更像正弦，而非梯形。因此， PMSM 電機使用的許多控制技術（如場定向控制）同樣適用于無刷直流電機電機。 對 BLDC 電機的另一個誤解是關于其如何驅動。不同于開環(huán)步進應用中驅動的定子線圈決定轉子位置，在 BLDC 電機中，轉子位置決定要驅動哪個定子線圈。定子磁通矢量位置必