【正文】 編程定時 /計數(shù)器 Intel8253 的工作原理 .......................................... 24 本章小結 ................................................................................................. 26 結論 .................................................................................................................... 27 致謝 .................................................................................................................... 28 參考文獻 ............................................................................................................ 29 附錄 .................................................................................................................... 31 哈爾濱理工大學學士學位論文 1 第 1章 緒論 課題研究的背景和意義 對于平滑調速范圍較廣 、 起制動性能較好的 直流電動機 來說 ，在 各個方面 中 都被認可，并且應用范圍較廣 。其在 1970 年以后 被大眾認可 。直流調速 能夠精確控制 電樞電流和勵磁電流 是因為 電樞和勵磁不是耦合的 。直流調速 有很多優(yōu)點，例如：直流調速的抗干擾能力特別強 、 調速范圍特別廣 、動態(tài)響應 快速等 。 通過學習《運動控制系統(tǒng)》， 我們知道 單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)采用 轉速負反饋和 PI 調節(jié)器 可以達到轉速無靜差，但是必須保證系統(tǒng)是在穩(wěn)定運行的條件 。 如果想要得到電流為最大值的恒流系統(tǒng)，而且要實現(xiàn)在很短的時間內快速啟動，可以 按照反饋 系統(tǒng)的 控制規(guī)律， 選取 電流負反饋就能 收獲恒定的電流 。 因此希望輸入端只有 電流負反饋 作用，轉速負反饋不作用。因此轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器不能同時加到一個 調節(jié)器的輸入端， 當轉速達到穩(wěn)定轉速時 ， 我們 希望只 需要 轉速負反饋 起作用， 電流負反饋 不 發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán) 直流電機調速 系統(tǒng) [1]。 直流電機調速系統(tǒng) 是交流調速系統(tǒng)的 最基本知識，是交流的 基礎。 故直流 電機 調速系統(tǒng)的 衡量 在 某 一 特 定的 層面 內 能平滑調節(jié) 速度 而 且 有特別好的功能特性，包括 靜 態(tài)特性 、動態(tài) 特性 。 后來數(shù)字化直流電機調速系統(tǒng)的出現(xiàn)使得直流調速系統(tǒng)應用越來越廣。 首先在直流調速系統(tǒng)的初期，模擬電子器件被作為控制回路， 如晶體管等， 盡管也滿 足了要求，然而模擬電子器件 在使用中 易老化、通用性變差， 控制 系統(tǒng)效果較差，使控制性能普遍偏低。 其次微電子技術、微處理器的出現(xiàn)使得電機調速系統(tǒng)從連續(xù)調速系統(tǒng)中的模擬量到離散調速系統(tǒng)的數(shù)字量轉化，不但提高了本身的運算速度，而且也使系統(tǒng)直觀清晰。 最后由于運動控制系統(tǒng)的主要是以實現(xiàn)實現(xiàn)數(shù)字化和智能化為主，故經過時間的洗禮，數(shù)字化直流電機調速系統(tǒng)被大量的使用在各個領域。而在各個數(shù)字化調速系統(tǒng)中，以計算機為基礎的控制使得制作成本特別低，結構也非常簡單。由于計算機性價比較高、可靠性較好，因此在很多領域得到了大量的應用。 再加上計算機的操作和維護都非常方便快捷，使得數(shù)字化雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在工程上的應用又上了一個臺階。而在計算機控制雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，以單片機控制的應用最為方便、準確，因此受到各個公司的極力青睞！ 哈爾濱理工大學學士學位論文 2 直流調速系統(tǒng)在國內外發(fā)展現(xiàn)狀 國內的發(fā)展現(xiàn)狀 1970 年 以后 ， 主要以晶閘管 直流調速系統(tǒng) 為主，因為晶閘管調速 效 率高 、 噪 聲小 和響應 快 。 咱們知曉雙 閉環(huán) 直流 調速系統(tǒng)一般 由主電路（ 晶閘管可控整流電路 ） ，控制電路 （移相電路和轉速 、電流雙閉環(huán)直流電機調速電路 ） ，以及 保護電路（ 缺相和過流 保護電路）等組成，當給定的直流電壓為 10V 以內 的時候，可進行平滑調速，然后采用 PI 調節(jié)器達到既放大倍數(shù)又達到穩(wěn)態(tài)無靜差的效果 [2]。雖然交流電機調速系統(tǒng)發(fā)展速度很快，技術也越來越成熟，然而直流調速系統(tǒng)仍被大量使用，歸因于直流電動機的調速性能出奇的好，而且交流調速系統(tǒng)原理的最基礎知識就是直流調速系統(tǒng) [3]。在中國，經過了幾十年的發(fā)展時期，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)控制也已經基本成熟，然而時下還在趕超著發(fā)達國家，為了實現(xiàn)數(shù)字化不斷發(fā)展。 國外的發(fā)展現(xiàn)狀 從 1980 年起，數(shù)字化直流調速系統(tǒng)在對全世界的公司影響非常深遠，故直流調速系統(tǒng)的發(fā)展提高了很多；在國外，采用電 源換相的控制方式，而且特別采用了計算機技術以及其他先進的技術，受到國內外各大電氣公司廣泛的應用 [4]。今天，發(fā)達國家基本上已經完全落實了數(shù)字化控制雙閉環(huán)。 本文主要研究內容 根據本論文的設計要點，應從以下幾個方面來設計分析： 1. 雙閉環(huán)直流調速的幾種控制方法，選擇最優(yōu)控制 2. 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學模型 3. 分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理，并畫出其動態(tài)結構圖 4. 應用 Matlab 軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正 5. 仿真：運用 Simulink 工具箱對系統(tǒng)進行仿真，獲得系統(tǒng)的模型圖和動態(tài)響應圖。 6. 數(shù)字化雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 的設計：分別進行電流環(huán)和轉速環(huán)的設計。 哈爾濱理工大學學士學位論文 3 第 2章 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)理論和數(shù)學模型 直流調速系統(tǒng)的控制方法的選擇 穩(wěn)定狀態(tài)下，直流電動機轉速的表達式如下式（ 21）： Φ= eaC RIUn （ 21） 式（ 21）中： U—— 電樞電壓，單位是（ V）； aI —— 電樞電流，單位是（ A）； R—— 電樞電路的總電阻，單位是（ Ω）； ?—— 勵磁磁通，單位是（ Wb）； n—— 轉速，單位是（ r/min）； 由式（ 21）可知，改變直流電機轉速 n 有三種控制方法： 1. 改變電樞電壓 U 的控制方法。調壓調 速適合于大范圍無極平滑調速，而且動態(tài)響應快，屬于恒轉矩調速方法，因此，應用較廣。 2. 減小磁通的調速控制方法。這種方法調速范圍較小，動態(tài)響應較慢，而且是讓電動機從額定轉速向上變速，屬于恒功率調速方法。 3. 改變電樞回路電阻 R 的控制方法。此法屬于有級調速，控制效率較低，而且平滑性較差，很軟的機械特性。 將此三種方法進行比較可知改變電樞回路電阻的控制方法缺點非常多，因此一般不采用；減小磁通的調速控制方法調節(jié)范圍小，而調壓調速的特長較多，被大規(guī)模的使用。因此，本論文的調速系統(tǒng)采用調壓調速。 變電壓 的 調速 方式被公認為 是直流 調速系統(tǒng) 的 主要 方法 ， 而 調節(jié)電樞電壓 也有很多方法，主要被使用的有 旋轉 變 流機組 （ GM 系統(tǒng)） ，靜止 變流裝置（ VM 系統(tǒng)） ， PWM 脈寬調制變換器 (也稱 直流斬波器 )三種方法 。 1. 旋轉變流機組 被 稱 為 GM 系統(tǒng)， 此系統(tǒng)是由直流發(fā)電機和 交流電動機 組 組成， 目的是得到 可調的直流電壓 。此系統(tǒng) 適 宜要求調速低的 可逆運行系統(tǒng)， 然而系統(tǒng)的效率低下，體積也大，維護不合適。 2. 靜止 變流裝置（ VM 系統(tǒng) )， 此方式是 通過 去 調節(jié) 晶閘管的 觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來達到 改變 dU ，從而實現(xiàn) 調速系統(tǒng)的 平滑調 節(jié) ， 此方法快速性能 、 動態(tài)性能較好。 3. PWM 脈寬調制交換器， 這種方法是 用 某一特 定直流或不可控 的整流電源 來供電的，然后通過 PWM 生成 可 調 的電壓 ，然而元器 件 易受很多因素的影響，此系統(tǒng)在 中、小功率的系統(tǒng) 中受到歡迎 。 本 論文 選 用 VM 系統(tǒng) ，因為 VM 系統(tǒng)應用范圍較廣 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 4 在 VM 系統(tǒng)中， 變化 給定電壓 的數(shù)值 ， 便可改變 觸發(fā)裝置 GT 的 輸出脈沖相位，從而改變整流器的輸出 量值 dU 。 為了讓 直流電壓 的波 動 以 較小 的波形顯示 ，故采用三相整流電路。 但要考慮到 晶閘管可控整流裝置 要達到的目的 ，即 噪聲 特別小 、響應 特別 快、 性價比高， 而且 還要要求 工作可靠 性高 ， 耗能較低 。 故采用 晶閘管三相 橋式 全控整流電路供電方 法 [5]。下圖 21 為 三相橋式全控整流電路原理圖。 圖 21 三相橋式全控整流電路原理圖 調速系統(tǒng)的靜動態(tài)性能指標 調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標 系統(tǒng)調試效果的優(yōu)劣取決于 調速 系統(tǒng)的性能，因此必須選擇最優(yōu)設計方案?？梢愿鶕恍┍匾獥l件來選取最優(yōu)設計方案。 控制轉速的大小可以使調速性能發(fā)生變化。即要求最高轉速和最低轉速之間的范圍差距有多大 ,是有級調速還是無級調速，從正轉到反轉運行的時間是否合適，為了有較高 的生產率，對于經常起 /制動的設備可以使其加減速快一些，突加負載時波動的允許值，精度的大小等。 可以用“調速范圍”和“靜差率”來衡量調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，下面就介紹一下這兩項指標： 1. 調速范圍 D 在機械、生產上電動機的最高轉速 maxn 與最低轉速 minn 之比叫做調速范圍 ,用 D 表示，它們的關系見下式（ 22）： minmaxnnD= （ 22） 其中 maxn 是運行到額定負載的最高轉速， minn 是最低轉速。若 Nn = 哈爾濱理工大學學士學位論文 5 maxn ,則它們的關系見下式（ 23）： m inm inm ax nnnnD N== （ 23） 2. 靜差率 s 當轉速為一特定值時 ,負載從“ 0”（空載）狀態(tài)增加到電動機的額定值時之間的差值（轉速降落） NnΔ 與理想空載轉速 0n 之比為靜差率 s ，見式（ 24）： 0nns NΔ= （ 24） 靜差率主要研究轉速的穩(wěn)定度的，靜差率隨負載變化而變化，它有關于機械特性的硬度 ,并且可知機械特性的硬度越高 ,靜差率就越小 ,轉速的穩(wěn)定度就會越高 [6]。 但是靜差率和機械硬度特性又是不一樣的，下圖 22 為不同轉速下的靜差率。 圖 22 不同轉速下的靜差率 從圖 22 可以看出 ba nn Δ=Δ ,兩者的機械特性硬度是相同的 ,但是理想空載轉速 ba nn? ,所以 ba ss ,可見靜差率不同，因此可知道靜差率和機械特性是不一樣的。 因此可得出結論 ,D 和 s 這兩項指標不能單獨存在的，在調速過程中， 讓額定轉速降落相同，則降低轉速，靜差率就會變大。如果額定轉速很低的靜差率都能達到系統(tǒng)的理想要求，那么額定轉速很高時的靜差率更能滿足設計要求，因此可得出結論：靜差率的選擇以最低速時的數(shù)值為準。 3. 變壓調速系統(tǒng)中調速范圍 D、靜差率 s 和轉速降落 n? 之間的關系 在直流調速系統(tǒng)中，可認為電動機的額定轉速為最高轉速，該系統(tǒng)在最低速時的靜差率 s 見下式（ 25）： NNN nn nnns Δ+Δ=Δ=m i nm i n0 （ 25） 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 因此最低轉速 minn 為下式（ 26）： NNN ns snsnn ???????? 1m in (26） 而調速范圍 D 為 : minminmax nnnnD N== 將上面幾式聯(lián)立可得下式（ 27）： )1( sn snD NNΔ= （ 27） 由上式知，在一個調速系統(tǒng)中，讓轉速降落一定，若靜差率 s 的值變小 ,調速范圍 D 也變小 [7]。 調 速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 直流電機調速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括跟隨性能指標 (對給定輸入信號 )和抗擾性能指標 (對擾動輸入信號 )。 1. 跟隨性能指標 當 R(t)變化時 ， C(t)跟隨系統(tǒng)變化。上升時間 、 超調量和調節(jié)時間為階躍響應跟隨性能指標，下圖 23 反應了典型的階躍響應跟隨性能指標。 圖 23 典型的階躍響應過程和跟隨性能指標 (1) 上升時間 rt 上升時間