【正文】 ,快速響應(yīng)性能好,增強(qiáng)了動態(tài)抗干擾能力，還能獲得很寬的頻帶，由于開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、提高了裝置效率，直流電源采用三相不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器要高，正因為直流PWM調(diào)速系統(tǒng)有如上所述的優(yōu)點，并且隨著電力電子器件開關(guān)性能的提高，直流脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。現(xiàn)在，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。根據(jù)PWM控制的原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓是等效的[3]。那么如果在短時間（T）內(nèi)脈沖寬度為,幅值是U，由圖23可求得在這段時間內(nèi)脈沖的等效直流的電壓為：圖21 PWM脈沖，如果令，則上式可簡化為： （21）式中 U——脈沖的幅值 ——占空比如果PWM脈沖為如圖22所示的周期性矩形脈沖時，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即： （22）由公式22可知，想要改變等效直流電壓的大小，就可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現(xiàn)，在實際控制系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅值一般是恒定的，因此常常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在0～U之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到了利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。圖22 周期性PWM矩形脈沖為了實現(xiàn)直流電動機(jī)的PWM可逆控制，還必須產(chǎn)生四路驅(qū)動信號來控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)PWM控制電路工作時，H橋的一測有相位相反但占空比相同的兩路驅(qū)動信號，而且隨著控制信號的變化還具有互鎖功能。 測速方法的確定和實現(xiàn)M法又稱又稱測頻法，其測速原理是在給定的檢測時間內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)的測速方法，M法測速大多數(shù)用在測量高轉(zhuǎn)速，因為對于確定的光電編碼器線數(shù)N是一定的，和給定的檢測時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，計數(shù)脈沖M越大脈沖也就越?。籘法也被稱作測周期法，該測速方法是在一個脈沖周期內(nèi)對時鐘信號的脈沖進(jìn)行記數(shù)，為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測速用于低轉(zhuǎn)速測量，但是轉(zhuǎn)速過低，光電編碼器輸出脈沖的時間過長，時鐘脈沖數(shù)就有可能超過計數(shù)的最大值而產(chǎn)生溢出，此外時間過長還會影響控制系統(tǒng)的快速性。與M法測速一樣選用線數(shù)相對較多的光電編碼器，也能提高電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的快速性和精度；另一種測速方法是結(jié)合M法和T法的測速特點產(chǎn)生了一種M/T的測速方法，即在規(guī)定的時間范圍里，同時對時鐘脈沖數(shù)和光電編碼器輸出的脈沖數(shù)同時計數(shù)，有公式計算出轉(zhuǎn)速。采用M/T法不論是在高速還是在低速測量時都具有較強(qiáng)的分辨能力和測量精度，轉(zhuǎn)速覆蓋范圍廣，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量中應(yīng)用十分廣泛，所以本設(shè)計采用M/T測速法測速。已知旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出N個脈沖（N=1024），在被系統(tǒng)中用單片機(jī)的INT0（）對在檢測周期內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行記數(shù)，記數(shù)值是則轉(zhuǎn)角可以表示成： （24） 已知單片機(jī)的時鐘頻率是，用單片機(jī)INT1()在檢測周期T內(nèi)時鐘脈沖計數(shù)值為,則檢測周期T可以寫成： （25） 檢測周期T內(nèi)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，則有： （26）綜合式（24）,式（25）和（26）求出被測轉(zhuǎn)速為： （27） 控制系統(tǒng)方案的選擇 單閉環(huán)系統(tǒng)的組成和分析在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中如圖23所示，應(yīng)用了PI調(diào)節(jié)器之后可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制，應(yīng)用了電流截止負(fù)反饋環(huán)用來限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過流現(xiàn)象。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)的量是轉(zhuǎn)速，所以檢測的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動對轉(zhuǎn)速的影響。所以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。但是在調(diào)速系統(tǒng)中有兩類情況對電流的控制提出了新的指標(biāo)：一是啟制動對時間的控制問題，二是由于載擾動對電流控制問題。對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的減少啟動制動過程的時間，完成最優(yōu)控制。就是在過渡過程中應(yīng)保持轉(zhuǎn)矩為最大值，使得直流電機(jī)盡可能以最大加速度或減速度，達(dá)到我們預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速，馬上讓勵磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，使轉(zhuǎn)速以恒定的速度運(yùn)行。即在在過渡過程中始終保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)為最大值，使直流電動機(jī)以最大加速度，減速。達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時，立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。所以為了滿足控制要求本設(shè)計采用了雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。圖23 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的組成和分析在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于主電路中都存在電感作用，電流無法突變，圖24所示的理想過渡過程只能得到近似的逼近，其關(guān)鍵是要獲得使電流保持最大值的恒流啟制動過程，所以提出了雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)上的，實際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動和制動過程的要求,尤其是在機(jī)床控制方面，這就需要一個電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。nt0圖24 時間最優(yōu)的理想控制過程電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電動機(jī)的動態(tài)電流不超過某一數(shù)值，而把電流控制在所需值上。但是根據(jù)反饋控制原理，對某一變量對其作負(fù)反饋控制就能實現(xiàn)對該變量的無差控制。用一個調(diào)節(jié)器無法兼顧對轉(zhuǎn)速和電流的控制。如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個電流調(diào)節(jié)器，就可以構(gòu)成電流閉環(huán)。 由圖25啟動電流的變化特性可知，在電機(jī)啟動時, 啟動電流很快加大到電機(jī)所允許過載能力值, 而且是恒定不變, 在這種條件下,轉(zhuǎn)速程線性增長，當(dāng)達(dá)到我們設(shè)定的值時，電動機(jī)的電流又迅速下降到能夠克服負(fù)載所需的電流值 ，于是這就要求晶閘管的電壓在一開始啟動的時候應(yīng)為，由于轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速n上升， 也上升, 達(dá)到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時,.這種情況就要求電動機(jī)在啟動過程中把電流作為被調(diào)節(jié)量，并保持在電動機(jī)電流允許的最大值，這就需要設(shè)計一個電流調(diào)節(jié)器。因此電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在這種控制要求下產(chǎn)生了[4]。 圖25 帶截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動電流波形TAV+++ACRASRn圖26 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 為了能夠?qū)崿F(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速兩個負(fù)反饋都能起作用，在系統(tǒng)中分別設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器，把他們串級相連，如圖26所示。這就是說把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再由電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 時間常數(shù)的確定（1）三相整流裝置的滯后時間常數(shù)，即平均時空時間 Ts=。（2），確保能夠濾平波頭，應(yīng)有（1~2） ，所以電流濾波時間常數(shù)=2ms=。（3）按照小時間常數(shù)近似計算，電流環(huán)的小時間常數(shù)之和。（4）電樞回路電磁時間常數(shù)。 （28）2. 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)任務(wù)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)來設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （29） 式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ——電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)表2 1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系KT阻尼比超調(diào)量0%%%%%上升時間峰值時間相角穩(wěn)定裕度截止頻率 檢查對電源電壓的抗擾性能：，參表21的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。 3. 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： =電流開環(huán)增益：要求時，取 所以 （210）于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)是： = （211）式中，為電流反饋系數(shù)其值為；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=36。4. 近似條件的校驗有上面的計算可知：電流環(huán)截止頻率（1） 晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)近似為： （212） （2） 反電動勢的改變對電流環(huán)的影像忽略不計近似條件： （213）（3） 處理電流環(huán)小時間常數(shù)的近似條件： （214）其中式（212）、式（213）和式（214）均滿足近似條件 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 時間常數(shù)的確定 （1） 電流環(huán)時間常數(shù)等效為1/KI,由前述已知，則： （215） （2） 轉(zhuǎn)速濾波的時間常數(shù)，取。 （3） 按照小時間常數(shù)近似處理轉(zhuǎn)速時間常數(shù)，取 （216）2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇按照設(shè)計要求，選則PI調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)式為： （217）3. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)按照跟隨性和抗擾性能都比較好的原則，先取h=5，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為： （218） 則轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益 K （219）可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為 （220）式中 電動勢常數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 4. 近似條件的校驗轉(zhuǎn)速截止頻率是： （221） （1）能把電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化的條件為: （222） （2）近似處理轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)的條件是： （223） 式（222）和式（223）均滿足近似條件。 第3章 硬件電路的設(shè)計根據(jù)任務(wù)要求和設(shè)計目標(biāo)，調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖31，其核心控制部件是單片機(jī)，通過鍵盤輸入一些參數(shù)進(jìn)行簡單啟停，正反轉(zhuǎn)，加速減速操作；系統(tǒng)由單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，通過PWM波接口電路整形放大后，經(jīng)過光電隔離，有電機(jī)驅(qū)動電路，通過改變PWM波的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。速度檢測模塊檢測直流電動機(jī)的速度，反饋到單片機(jī)的中，對直流電動機(jī)進(jìn)行一個實時反饋控制；最后再由LCD1602液晶顯示把轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向顯示出來，便于操作控制。 單 片 機(jī) 直 流 電 動 機(jī) 鍵 盤 驅(qū)動 電路 PWM波 接口電路LCD1602 速度檢測圖31 系統(tǒng)方案框圖 主電路的設(shè)計直流電動機(jī)不能直接接三相交流電，因此要把三相交流電整流成所需的直流電才能給電機(jī)供電。本設(shè)計采用電容濾波的三橋式相不可控整流電路，電路圖如32所示。當(dāng)某一對二極管導(dǎo)通時輸出的直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓即向電容供電，也向負(fù)載供電。圖32 主電路圖 電源電路的設(shè)計電源電路是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是輸出的電壓是否穩(wěn)定對整系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，因此很據(jù)需要設(shè)計了5V和12V的電源。先通過變壓器把380V的交流電降為220V，后經(jīng)過橋式整流電路把交流電轉(zhuǎn)變成直流電，整流后的電流經(jīng)過穩(wěn)壓器LM7805輸出穩(wěn)定的+5V電壓。橋式整流電路由四個型號相同的二極管組成，VD1和VD3兩個二極管組成一對橋臂；VD2和VD4兩個兩個二極管組成一對橋臂。由于二極管的啟動電壓比較小，所以經(jīng)過變壓器的電壓可以使VD1和VD3二極管組成橋臂在正半周期導(dǎo)通，VD2和VD4兩個二極管組成的橋臂在負(fù)半周期導(dǎo)通。穩(wěn)壓器LM7805是由三