【正文】 圍，是指在最低轉(zhuǎn)速是還能滿足靜差率要求下的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。綜上選 用 晶閘管三相全控橋整流電路供電方案?？紤] 到 使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求， 因此 選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。 （ 3） 脈寬調(diào)制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控 整流電源供電，利用直 流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓 ，因 受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞 電壓 主要有三種方式 ：旋轉(zhuǎn) 變 流機(jī)組，靜止 變流裝置 ， PWM脈寬調(diào)制變換器 (或稱 直流斬波器 )。 （ 3）改變電樞回路電阻 R。 aI —— 電樞電路總電阻（ ? ）； 由式（ 21）可知，調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n的控制方法有以下三種： （ 1）調(diào)節(jié)電樞電壓 U。 本 系統(tǒng) 采 用 了 單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替模擬 調(diào)速 系統(tǒng)中速度調(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 器件 ，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 近年來(lái)，盡管交流調(diào)速技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但由于直流電機(jī)良好的起、制動(dòng)性能，在礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、軋鋼機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)和高層電梯等需要在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 3 的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 國(guó)外一些電氣公司都有成系列的與模擬 調(diào)速 系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的全數(shù)字交 、 直流調(diào)速裝置產(chǎn)品可供選用 ， 新開(kāi)發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)幾乎全是數(shù)字式的。 從機(jī)械特性上看 ， 就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ， 使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。 在 軋鋼機(jī)、冶金、金屬切削機(jī)床 和 造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能的可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 。微機(jī)的應(yīng)用使電力拖動(dòng)系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化 ，極大地推動(dòng)了電力拖動(dòng)的 進(jìn)步 。 課題的背 景 我國(guó)從上世紀(jì) 60 年代研制出第一只晶閘管以來(lái)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。 隨著微電子技術(shù)、微處理器的出現(xiàn)和運(yùn)算速度的提高以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由原來(lái)的以模擬量反饋、模擬調(diào)速器為核心的連續(xù)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展到以數(shù)字量處理為主，以微處理器為基礎(chǔ)的 數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，即 從過(guò)去的模擬控制向模擬 和 數(shù)字混合控制發(fā)展，最后實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。雖然交流調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，成本低，制造維修容易，在一些場(chǎng) 合，交流調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。Speed regulation。此外， 本次設(shè)計(jì) 采用 了 數(shù)字式速度給定和數(shù)字式測(cè)速方法， 大大 提高了速度控制的精度。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 使 控制 系統(tǒng) 得到 簡(jiǎn)化，體積減小，可靠性提高，而且各種經(jīng)典和智能算法 也都 分別在調(diào)速系統(tǒng)中得到了靈活的應(yīng)用，以此來(lái) 達(dá)到 最優(yōu)控制 效果 。 以 單片機(jī)為控制核心的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)有 著 許多優(yōu)點(diǎn)：由于速度給定和測(cè)速采用 了數(shù) 字化，能夠在很 寬 的范圍內(nèi)高精度測(cè)速，所以擴(kuò)大了調(diào)速 的 范圍，提高了測(cè)速控制 系統(tǒng)的精度；由于硬件 的 高度集成化，所以 使得零部件數(shù)量大大減少；由于 很多功能都是由軟件 實(shí)現(xiàn) 的，使硬件得以簡(jiǎn)化， 因此 故障率??；單片機(jī)以數(shù)字信號(hào)工作，控制方法靈活便捷，抗干擾能力 較 強(qiáng)。 關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)； 調(diào)速； PID 控制 ；雙閉環(huán) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說(shuō)明書(shū) 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(dòng)轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)和較寬速度調(diào)節(jié)范圍的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，仍然采用直流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。 數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)是指用微 機(jī)處理器代替以往的模擬調(diào)速器，它具有體積小、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)編程實(shí)現(xiàn)，這給設(shè)計(jì)和構(gòu)造調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)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(dòng)完成了一次巨大的飛河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 2 躍。世界上許多國(guó)家都開(kāi)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(gè)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(guó)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(jī) 調(diào)速通常通過(guò)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(hù)環(huán)節(jié)等來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)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(jiǎn)單，可靠性高，操作和維護(hù)較為方便，電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能較高，精度也達(dá)到了一定 的要求。 現(xiàn)階段，我國(guó)在具有完全自主知識(shí)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(dá)國(guó)家，而且進(jìn)口的控制器價(jià)格昂貴，因此，學(xué)習(xí)和研究國(guó)外先進(jìn)的控制器，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)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(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu) 設(shè)計(jì) 方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ，適應(yīng)于要求大范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)。此法屬于有級(jí)調(diào)速，平滑性差，機(jī)械特性軟，效率低。 （ 1） 旋 轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào) 的直河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 5 流電壓 ， 適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其 系統(tǒng)較為復(fù)雜 、體積大、效率低、維護(hù)不便。 本設(shè)計(jì) 根據(jù) 技術(shù)要求和特點(diǎn)選 用 VM系統(tǒng) 。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)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)。 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(yùn)行時(shí)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(gè)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(guò)穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比 00m a x 100??? ? ?c cc? （ 27） 0nns num??河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 7 （ 3）調(diào)節(jié)時(shí)間 st 響應(yīng)曲線到達(dá)并不再超出允許誤差帶所需要的最短時(shí)間，允許誤差帶= ?? )2~5100( 000000 穩(wěn)態(tài)值。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)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(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(guò)載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來(lái)，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(dòng)電流近似呈 方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)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(dòng)過(guò)程。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。其中，最主要的任務(wù)是執(zhí)行控制算法。 在本系統(tǒng)中，采用 了 PID 控 制算法。在控制理論不斷發(fā)展的今天， 常規(guī) PID 控制器 仍然 是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛 、 最基本的一種控制器， PID調(diào)節(jié)器的基本 原理 控制器最常用的控制規(guī)律是 PID控制。 簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)， PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： （ 1） 比例環(huán)節(jié) ： 成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e（ t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計(jì) 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器的 PID控制規(guī)律為： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? （ 32） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 ( ) 1( ) (1 )() pDIUsG s K T SE s T S? ? ? ? （ 33） 式中 pK 比例系數(shù)； IT 積分時(shí)間系數(shù)； DT 微分時(shí)間常數(shù)。 )(ku 是 k次采樣時(shí)刻的輸出值； )(ke 是第 k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； )1( ?ke 是 k1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值： jk 是積分系數(shù)， jpj TTkk /? 。按 照 模擬 PID 算法的算式 (32)，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可以作如下近似變換； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 13 ( 0,1, 2 )t kT k?? 000 ( ) ( ) ( )t tkjje t d t T e jT T e j??????? (34) ( ) ( ) [ ( 1 ) ] ( ) ( 1 )d e t e k t e k e k e kd t T T? ? ? ??? 式中 T采樣周期。圖 32給出了位置式 PID控制系統(tǒng)示意圖。 當(dāng)磁通不變時(shí)，有 mdM C I? （ 312） 式中 mC 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為 /N m A? 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 16 整理得到直流電機(jī)的微分方程 22 1d m m ded n d nT T T n Ud t d t C? ? ? （ 313） 式中 dT 電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)， dd dLT R?； mT 機(jī)電時(shí)間常數(shù)， 2375ddme m e mJR G D RT C C C C?? ； 2GD 電力拖動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 對(duì)于電流閉環(huán)， PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以表示為 1() iiiisW s K ? ??? （ 315） 式中 iK 電流調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)； i? 調(diào) 節(jié)器時(shí)間常數(shù)。 取ziT ???， idT?? =， 使用 PI 調(diào)節(jié)器將電流環(huán)校正為典型 I型系統(tǒng)。 變壓器的設(shè)計(jì) 工業(yè)供電電壓為 AC 380V，而電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 110V，所以必須通過(guò)降壓變壓器使之達(dá)到 系統(tǒng)供電 要求。 時(shí)整流電壓 0dU 與二次電壓 2U 之比，即 02/dA U U? ； B延遲角為 ? 時(shí)輸出電壓 dU 與 0dU 之比，即 0/ddB U U? ? —— 電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)； 1～ —— 考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)； 表查 可 得 A=；取 ε= ； ? 角考慮 10176。由于 晶閘管的 單向?qū)щ娦?，不允許電流反向，對(duì)過(guò)電壓