【正文】 黃石理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一部分 直流調(diào)速系統(tǒng) 摘 要 近年來由于微型機(jī)的快速發(fā)展，數(shù)字交直流調(diào)速系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在各個(gè)方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來越廣泛。本設(shè)計(jì)是用 8031 單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。特點(diǎn)是用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設(shè)備。 最后進(jìn)行軟件編程、調(diào)試以及計(jì)算機(jī)仿真。實(shí)時(shí)控制結(jié)果表明，本數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的恒速調(diào)節(jié)，并具有結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，成本低，易推廣等特點(diǎn)，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，從而能夠?qū)嶋H的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。 關(guān)鍵詞 ：單片機(jī) 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)字方式 2 ABSTRACT WITH THE RAPID DEVELOPMENT OF MICROCOMPUTER RECENT YEARS, THE DIGITIZATION OF OVERSEA AC/DC SPEED REGULATION SYSTEM HAS ACHIEVED TO A PRACTICAL STAGE. AS THE HARDWARE CIRCUIT OF DIGITAL CONTROL SYSTEM CENTERED ON MICROPROCESSOR POSSESSES THE ADVANTAGES THAT IT HAS HIGHER STANDARDIZATION AND LOWER COST, AND IT WON’T BE INFLUENCED BY THE TEMPERATURE DRIFT OF DEVICES. FURTHERMORE, THE CONTROL SOFTWARE OF DIGITAL CONTRO L SYSTEM CAN CARRY OUT LOGICAL JUDGMENT AND SOPHISTICATED CALCULATION， AND IT CAN MAKE THE CONTRO L RULES WHICH ARE DIFFERENT FROM THE OPTIMALITY, ADAPTIVE TRAIT, NONLINEAR AND INTELLIGENCE OF THE ORDINARY LINEAR ADJUSTABILITY COME TRUE. SO THE FUNCTION OF DIGITAL CONTROL SYSTEM IS MUCH MORE SUPERIO R TO ANALOG CONTROL SYSTEM IN EVERY ASPECTS, AND IS BEING USED WIDELY. THIS DESIGN IS A DIGITAL DC SPEED REGULATION SYSTEM CONSTITUTED OF 8031 SINGLECHIP COMPUTER, THE CHARACTERISTIC IS THE SINGLECHIP COMPUTER REPLACED TH E HARDWARE DEVICES SUCH AS THE ANALOG TRIGGER, CURRENT REGULATOR, ROTATION REGULATOR, AND LOGICAL HANDOFF .FINALLY PUTTING TOGETHER THE SOFTWARE, TESTING AND COMPUTER SIMULATION. THE RESULT OF REAL TIME CONTROL INDICATES THAT THE DIGITAL DC SPEED REGULATION SYSTEM REALIZED THE CONSTANT SPEED ADJUSTABILITY OF THE DOUBLE CLOSEDLOOP OF ELECTRIC CURRENT AND ROTATE SPEED. THIS SYSTEM ALSO HAS THE SPECIALTIES SUCH AS SIMPLE STRUCTURE, HIGH CONTROL ACCURACY, LOW COST AND EASINESS TO BE SPREAD. IN ADDITION, ITS ENTIRE PERFORMANCE INDEX IS BETTER THAN THAT OF ANALOG DC SPEED REGULATION SYSTEM. AS A RESULT, THE DIGITAL DC SPEED REGULATION SYSTEM COULD BE APPLIED INTO PRODUCTION AND ORDINARY LIF E TO MEET THE NEEDS OF MODERN MANUFACTURE. KEYWORDS: SINGLECHIP COMPUTER ； DOUBLE CLOSEDLOOP ； DC SPEED REGULATION SYSTEM； DIGITAL MODEL 3 1 引 言 早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以 節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率 。 早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性 能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 本設(shè)計(jì)主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由 集成電路實(shí)現(xiàn)， 系統(tǒng)中 有 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 。 4 2 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 調(diào)速方案的選擇 系統(tǒng)控制對象的確定 本次設(shè)計(jì)選用的電動機(jī)型號 Z2 62 型，額定功率 ，額定電壓 230V，額定電流 ,額定轉(zhuǎn)速 1450r/min, 勵(lì)磁電壓 220V,運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)。 本次設(shè)計(jì)選用的電動機(jī)型號 Z262 型，其具體參數(shù)如下表 21 所示 ： 表 21 Z262 型電動機(jī)具體參數(shù) 電動機(jī) 型號 PN(KW) UN(V) IN(A) NN(r/min) Ra(Ω ) GDa2（ Nm2） P 極對數(shù) Z261 230 1450 1 在 VM 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(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 Ud。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。 由于電機(jī)的容 量較 大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。 電動機(jī)額定電壓為 230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低。 電動機(jī)供電方案的選擇 變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱 GM 系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱 VM 系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即 可改變 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用 PWM 受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選 VM 系統(tǒng)。 在 VM 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(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 Ud。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電 5 方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，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)。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、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，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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)對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(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。 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，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，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)起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，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)行串級聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動過程中只有電流負(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、動態(tài)性能 [4]。 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。得到過電流的自動保護(hù)。顯然靜特性優(yōu) 于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。 6 直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖 1 所示： 圖 1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 整流變壓器的設(shè)計(jì) 二次側(cè)電壓 U2 的計(jì)算 2U 是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角?加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計(jì)算，即： )( c o s22m inm a x2NshTdIICUA nUUU ??? ?? （ 31） 式中 Udmax 整流電路輸出電壓最大值； nUT 主電路電流回路 n 個(gè)晶閘管正向壓降； C 線路接線方式系數(shù)； Ush 變壓器的短路比，對 10～ 100KVA， Ush =～ ； I2/I2N變壓器二次實(shí)際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。 在要求不高場合或近似估算時(shí)，可用下式計(jì)算，即： 7 ? ?BAUU d?~12 ?