【正文】 干擾能力較強。 關(guān)鍵詞：直流電動機；調(diào)速； PID 控制；雙閉環(huán) xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 Design of Digital Double Closedloop DC Speed Regulation System Abstract In recent years， autocontrol system has been widely used and developed in every walk of DC speed regulation,as the artery in the area of electic drive system acts the main effect in the development of the microelectritcity,the use of the puter in speed regulation system simplies the system,reduces the volume,increases the Optimum Control is achieved by the use of both classical methods and intelligent methods. The digital speed control system for DC motor,which use Chip Microcontroller(SCM) as its processor has many speed giving and speed measuring adopt digital method,the system can measure the speed accuracy within a wide range,which expans the speed control scope and enhances its precession。 PID control。但是在要求高起、制動轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)和較寬速度調(diào)節(jié)范圍的電氣傳動領(lǐng)域中，仍然采用直流電動機作為調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行電機。數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)是指用微機處理器代替以往的模擬調(diào)速器，它具有體積小、實現(xiàn)方便等優(yōu)點，不僅是一般的 PID控制，就是復(fù)雜的矢量控制、非線性魯棒控制、模糊控制等方法都可以通過編程實現(xiàn)，這給設(shè)計和構(gòu)造調(diào)速系統(tǒng)帶來了許多便利。晶閘管整流裝置逐漸取代了水銀整流裝置，使直流電力拖動完成了一次巨大的飛躍。世界上許多國家都開發(fā)出了數(shù)字式調(diào)速裝置，當(dāng)前直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個很高的水平：功率元件采用可控硅，控制方式采用換相、相位控制等。目前，國內(nèi)外一些主要電氣公司，已經(jīng)研制出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的應(yīng)用產(chǎn)品供各生產(chǎn)企業(yè)和科研單位選用。電機調(diào)速通常通過給定環(huán)節(jié) ,中間放大環(huán)節(jié) ,校正環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)等來實現(xiàn)。 采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作和維護較為方便，電機運行的動態(tài)性能較高，精度也達到了一定的要求。 現(xiàn)階段，我國在具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字化調(diào)速裝置的研發(fā)水平上還落后于發(fā)達國家，而且進口的控制器價格昂貴，因此，學(xué)習(xí)和研究國外先進的控制器，具有重大的經(jīng)濟價值和實際意義。 調(diào)速方案的選擇 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的效果，因此必須根據(jù)電機的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)設(shè)計方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運行，取得良好的效果。調(diào)壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于要求大范圍內(nèi)的無級平滑調(diào)速系統(tǒng)。此法屬于有級調(diào)速，平滑性差，機械特性軟，效率低。 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 （ 1）旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其系統(tǒng)較為復(fù)雜、體積大、效率低、維護不便。 本設(shè)計根據(jù)技術(shù)要求和特點選用 VM系統(tǒng) 。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。 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài) 性能指標(biāo)，它有調(diào)速范圍 D和靜差率 s兩個指標(biāo)。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間有以下關(guān)系。 （ 2）超調(diào)量 ? 輸出量超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比 0nns num??xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 00m a x 100??? ? ?c cc? （ 27） （ 3）調(diào)節(jié)時間 st 響應(yīng)曲線到達并不再超出允許誤差帶所需要的最短時間，允許誤差帶= ?? )2~5100( 000000 穩(wěn)態(tài)值。根據(jù)系統(tǒng)實際，選擇轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，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)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時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。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成后，控制規(guī)律是反映單片機控制系統(tǒng)性能的核心。 PID 控制器具有簡單 而固定的控制形式，可以在很管得范圍內(nèi)保持較好的魯棒性，三種不同形式的控制作用組合起來跟隨被控對象的變化，可以減小動態(tài)誤差。常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 31所示。 （ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 將上式離散化為數(shù)字 PID，只要將式中各項分別離散化就可以了，即為： )()( kTutu ? （ 34） xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 )()( kTete ? （ 35） ?? ? ?? ?? kjt kj jeTjTeTte 00 0 )()()( （ 36） T kekeT TkTekTedt tde )1()()()()( ?????? （ 37） 其中， T為采樣周期。 dk 是微分系數(shù)， TTkk dpd /? . 位置式 PID算法 在單片機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID控制器，數(shù)字 PID控制算 法通常又分為位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。 顯然，上述離散化過程中，采樣周期 T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。 位置算法執(zhí)行機構(gòu)被控對象 圖 32 位置式 PID 控制系統(tǒng)原理圖 xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 調(diào)速單元 PI參數(shù)的整定 本系統(tǒng)選用的控制對象為 322?Z 直流電動機，基本參數(shù)為： 額定功率為 NP =，額定電壓為 NU =110V，額定電流 NI =46A，額定轉(zhuǎn)速為N =1500rpm，電樞內(nèi)阻為 R=? ，電磁時間常數(shù)為 Td=，電勢常數(shù) eC = 5 / minVWb r? ，機電時間常數(shù) MT =，三相橋式晶閘管整流 器的滯后時間為z? =，放大倍數(shù)為 SK =20，速度反饋系數(shù) ? = min/Vr? ，速度反饋濾波時間常數(shù) ONT 為 ，電流反饋系數(shù)， ? = 直流電動機的數(shù)學(xué)模型 在電力拖動自動控 制系統(tǒng)中，直流電動機通常以電樞電壓作為輸入量，以電動機轉(zhuǎn)速作為輸出量。 進而，我們可得直流電動機的電壓和轉(zhuǎn)速間的傳遞函數(shù)為： 21/() 1eD m d mCWs T T s T s? ?? （ 314） xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 根據(jù)式 （ 314） 可以看出直流電動機可以近似認(rèn)為具有兩個 慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。 對于速度閉環(huán)， PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以表示為 1() nnnnsW s K ? ? ?? （ 316） 式中 nK 調(diào)節(jié)器比例系數(shù) ； xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 n? 調(diào)節(jié)器時間常數(shù)。為了滿足電流超調(diào)量。本設(shè)計采用的是直流電動機，故還要通過整流電路使之轉(zhuǎn)換成連續(xù)的直流電壓。裕量，則 B=cos ? = 則 110)~1(2 ???U, 取 2U =120V。結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當(dāng)型號的晶閘管十分重要。 ②當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。設(shè)計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。 不能從根本上消除過電壓的根源，只能設(shè)法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內(nèi)，這是過電壓保護的基本思想。 （ 1） 交流側(cè)過電壓保護：本設(shè)計采用阻容保護，如圖 41所示。 R≥ 2U 2/S= 1202/ 103 = 選取電阻為 ZB110的電阻。允許偏差 +10％（ 253V）。 選 R為 CZJD2型金屬化紙介質(zhì)電容器。 造成電壓上升率過大的原因一般有兩點：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換相時相當(dāng)于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過大。觸發(fā)電路不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤導(dǎo)通，引起過電流。 交流側(cè)快速熔斷器的選擇 由 I2= 選取 RLS10快速熔斷器，熔體額定電流 40A。所以為了防止飽和，在每個橋臂上串聯(lián)一個 30μ H的電感。 主回路晶軋管門極觸發(fā)脈沖輸出驅(qū)動電路速度給定程序存儲器顯示模塊電流反饋值測速脈沖信號同步中斷模塊路觸發(fā)脈沖 圖 51 基于 80C196KC 的直流電動機數(shù)字控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 控制模塊 系統(tǒng)中的控制模塊主要負責(zé)完成數(shù)字 PI 算法的實現(xiàn)，電壓、電流 A/D 轉(zhuǎn)換與高速I/O 掃描等功能是整個數(shù)字控制系統(tǒng)的核心，一般采用高性能的單片機構(gòu)成。 80C196KC的主要技術(shù)特點如下： （ 1） 16K字節(jié)片內(nèi) EPROM； （ 2） 448字節(jié)寄存器陣列； （ 3）寄存器 寄存器結(jié)構(gòu)； （ 4） 5個 8位 I/0口； （ 5）全雙工串行口； （ 6） 16位監(jiān)視定時器； （ 7） 4個 16位軟件定時器； （ 8）可動態(tài)配置的八位或十六位總線寬度； （ 9） PWM(脈寬調(diào)制 )輸出； （ 10） HSI/HSO(高速輸入輸出口 )； （ 11） 10/8位具有采樣保持的 A/D轉(zhuǎn)換器； （ 12） 28個 中斷源， 18個中斷向量； （ 13）可以采用 16MHz的晶振。 同步信號電路 同步信號電路是數(shù)字直流電機調(diào)速系統(tǒng)的一個重要的電路。 同步信號的獲取方法有下面兩種： （ 1）同步信號獲取方法一是用圖 52 所示電路中最后一個異或門輸出的脈沖送到單xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 27 片機的外部中斷引腳，實現(xiàn)每 。為了便于軟件處理，電源狀態(tài)用字碼表示，例如 S1， S2， S3 為011，則電源狀態(tài)字碼 值 S1， S2， S3為 3. 對于晶閘管三相全控橋電路，一個周波有 6 個自然換向區(qū)。只要將三個方波信號異或，可以產(chǎn)生一個邊沿與線電壓自然換向點對齊的方波信號，該信號再經(jīng)過一個 RC 電路和異或門處理，或者用一個 74LS123 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，即xxx畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 28 可得到一定脈寬的同步中斷信號。單片機根據(jù)讀到的不同的 S1， S2， S3的值，來決定該觸發(fā)哪一個管子，觸發(fā)順序如表 51所示。用寬脈沖觸發(fā)，觸發(fā)可靠性高，適用面寬，但容易使脈沖變壓器飽和，因此要求脈沖變壓器的鐵心體積比較大；用雙窄脈沖電路觸發(fā)晶閘管，雖然脈沖次數(shù)比寬脈沖觸發(fā)多一倍，但是可以減小觸發(fā)裝置的輸出功率，減小脈沖變壓器的鐵心體積。一般顯示模塊采用簡易按鈕和顯示屏構(gòu)成，與控制器之間通過串行接口等方式連接。當(dāng) RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS為低電平 RW為高電平時可以讀忙信號，當(dāng) RS為高電平 RW為低電平時可以寫入數(shù) 第 6腳： E端為使能端，當(dāng) E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令 第 7～ 14腳： D0～ D7為 8位雙向數(shù)據(jù)線 第 15～ 16腳：空腳 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（ CGROM）已經(jīng)存儲了 160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字，英文字母的大小寫，常用的符號等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“ A”的代碼是 01000001B（ 41H