【正文】 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 4 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 本設(shè)計的主電路供電方案采用晶閘管三相全控橋整流電路，控制電路由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功 能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 直流電動機轉(zhuǎn)速的表達式如下： ??? ?e aC RIUn （ r/min） （ 21） 式（ 21）中： U—— 電樞電壓（ V）； aI —— 電樞電流（ A）； aI —— 電樞電路總電阻（ ? ）； 由式（ 21）可知，調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速 n 的控制方法有以下三種： ⑴ 調(diào)節(jié)電樞電壓 U。 ⑶ 改變電樞回路電阻 R。 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)變流機組，靜止變流裝置， PWM 脈寬調(diào)制變換器 (或稱直流斬 波器 )。 ⑶ 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)?？紤]到使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，因此選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。綜上選用晶閘管三相全控橋整流電沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 6 路供電方案。一個系統(tǒng)的調(diào)速范圍，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。 ⑴ 隨性能指標(biāo) ?上升時間 rt 在典型階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所經(jīng)過的時間。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實現(xiàn) 的功能，選擇最適合設(shè)計要求的虛擬控制電路。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 若采用轉(zhuǎn)速負反饋和 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，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(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 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，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，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，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。得到過電流的自動保護。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 控制器最常用的控制規(guī)律是 PID控制。 簡單說來， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： ⑴ 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 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 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 積分時間系數(shù)； DT 微分時間常數(shù)。 )(ku 是 k 次采樣時刻的輸出值； )(ke 是第 k 次采樣時刻輸入的偏差值； )1( ?ke 是 k1 次采樣時刻輸入的偏差值： jk 是積分系數(shù)， jpj TTkk /? 。按照模擬 PID 算法的算式 (32)，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點 kT 代表連續(xù)時間 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； ( 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，有 mdM CI? （ 312） 式中 mC 電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，單位為 /N mA? 整理得到直流電機 的微分方程 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 16 22 1d m m ded n d nT T T n Ud t d t C? ? ? （ 313） 式中 dT 電樞回路的電磁時間常數(shù)， dd dLT R?； mT 機電時間常 數(shù)，2375ddm e m e mJR G D RT C C C C?? ； 2GD 電力拖動系統(tǒng)整個運動部分折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： n電動機轉(zhuǎn)速。 對于電流閉環(huán)， PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以表示為 1() iiiisW s K ? ??? （ 315） 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 17 式中 iK 電流調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)； i? 調(diào)節(jié)器時間常數(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 工業(yè)供電電壓為 AC 380V，而電動機的額定電壓為 110V，所以必須通過降壓變壓器使之達到系統(tǒng)供電要求。時整流電壓 0dU 與二次電壓 2U 之比，即 02/dA U U? ； B延遲角為 ? 時輸出電壓 dU 與 0dU 之比，即 0/ddB U U? ? —— 電網(wǎng)波動系數(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，對過電壓過電流敏感，在低速運行時，導(dǎo)通角很小等缺點。 此外，還需注意以下幾點： ①當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過 +40℃時，應(yīng)降低元件的額定電流值。 直流調(diào)速系統(tǒng)的保護 晶閘管有換相方便，無噪音等優(yōu)點。按照過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)保護、直流側(cè)保護和元件保護。以過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。F 的鋁電解電容器。 1MAU =（ ~ ） DCU =（ ~ ） 110V= 242~198 V 選 MY31230/5 型壓敏電阻。 得 C=， R=100Ω。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應(yīng)有一定的限制。晶閘管發(fā)生過電流的主要原因有以下幾種：負載端過載或者短路；牧歌晶閘管被擊穿短路，造成其它元件的過電流 。快速熔斷器可以安裝在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 產(chǎn)生電流上升率過大的原因一般有：晶閘管導(dǎo)通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流側(cè) 保護電容充電；直流側(cè)負載突然短路等。必須對系統(tǒng)的采樣頻率作出一定的要求，才能保證離散的數(shù)字信號在處理完畢后能夠不失真地重復(fù)連續(xù)的模擬信號。但采樣周期小，控制器占用 CPU 的時間就長，增加了控制系統(tǒng)對 CPU 的占用率。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電流環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，響應(yīng)速度快，采樣周期取 3ms；速度環(huán)是外環(huán)，采樣周期取 15ms,每個工頻周期轉(zhuǎn)速環(huán) PID 算一次，電流環(huán)算三次。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計 26 主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其它外圍設(shè)備通信等功能。具體方法如下： 在圖 51 中， T 為實際檢測時間， T0 是一固定不變的定時時間，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿到來時，啟動定時 T0，由兩個計數(shù)器分別對轉(zhuǎn)速脈沖 M1 和高頻脈沖數(shù) M2 計數(shù)。當(dāng)定時 T0 到時，開啟 HSI0 中斷，停止 1m 計數(shù)，等待 HSI0 的上升沿。 ⑴ 因為要在軟件定時器 2 的第一次中斷中進行轉(zhuǎn)速環(huán)的 PID 計算，所以測速從這里開始。 H S I 0 中 斷第 一 次記 下 當(dāng) 前 時 間作 為 初 始 時 間設(shè) 軟 件 計 時 器 1中 斷 時 間關(guān) H S I 0 中 斷 啟 動 H I S 數(shù) 據(jù) 有效 中 斷 返 回 記 下 時 間 值 作為 結(jié) 束 時 間 計 算 轉(zhuǎn) 速 值 H S I 數(shù) 據(jù) 有 效 中斷計 數(shù) 變 量 M 增加 1返 回 圖 53 HSI0中斷 /HIS數(shù)據(jù)有效中斷 ⑷ 過了 T0 時間后，軟件定時器 1 產(chǎn)生中斷。見圖 53 然后用公式 (53)計算轉(zhuǎn)速。 PID 計算也是在軟件定時中斷子程序中完成的。 圖 55 觸發(fā)脈沖順序圖 那么， 1o 所對應(yīng)的計數(shù)器 1 的計數(shù)值為 2 0 5 0 0/ 1 5 5 .5 6 /3 6 0 9 ooms s? ?? （ 53） 把觸發(fā)角和脈寬所對應(yīng)的計數(shù)值，寫入 HSO 時間寄存器，靠 HSO 的定時功能來控制角度的大小。同步中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是復(fù)位計數(shù)基準(zhǔn) T2，產(chǎn)生 A， B， C， D， E， F 時刻的 HSO 輸出信號，允許 HSO 中斷，置 A， B， C， D， E， F 輸出結(jié)束標(biāo)志，在 F 時刻產(chǎn)生 HSO 中斷。其控制流程圖如圖 57 所示。在以往的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速常用測速發(fā)電機來檢測，這種模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴重，很難保障生產(chǎn)的高效、安全運行，所以在本次設(shè)計中測速采用了目前較先進的旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測 速。對于不同的控制對象和控制要求，只需要改變控制算法軟件即可。 (5)數(shù)字控制裝置具有很強的通信功能，通過現(xiàn)場總線可以與工業(yè)控制系統(tǒng)的上沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 六 章 總結(jié)與展望 33 位機聯(lián)機工作，并且可以對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)視、預(yù)警、故障診斷和數(shù)據(jù)采集。 (4)由于許多功能都是由軟件來完成的，所以使硬件得以簡化，故障率比較小。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，總結(jié)出了數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有以下主要特點： (1)速度給定和測速采用數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測速，進而擴大了調(diào)速范圍，提高了速度控制的精度。用軟件編程完成電流、轉(zhuǎn)速等各項參數(shù)的計算，實現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié) 。 恢復(fù)現(xiàn)場向 控制寄存器分別送入觸發(fā)事件和時間返回置 輸出結(jié)束標(biāo)志位允許 中斷保護現(xiàn)場復(fù)位定時器T2 圖 56 同步中斷服務(wù)程序流程圖 ⑵ HSO 中斷服務(wù)程序流程 HSO 中斷分別由 F， L， R 時刻的 HSO 輸出命令引起。因為 HSO CAM 只能存儲8 個 HSO 事件，考慮到軟件定時器對 HSO CAM 的占用情況，我們把 24 個觸發(fā)時刻分為 4 組，每組 6 個觸發(fā)時刻，分別由同步中斷與 HSO 中斷產(chǎn)生。定時器 1 在系統(tǒng)中作實時時鐘用，其時鐘信號來自內(nèi)部的時鐘發(fā)生電，每 8 個狀態(tài)周期計數(shù)加 1， 80C196KC 的狀態(tài)周期由振蕩器信號 2 分頻后獲得，采用 16MHz 晶振，其狀態(tài)周期為 125ns。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計 29 讀給定速度將給定速度轉(zhuǎn)換為碼讀實測速度實測速度轉(zhuǎn)換為 碼顯示給定速度顯示實測速度軟件定時中斷軟件定時器0中斷軟件定時器1中斷軟件定時器2中斷第一次中斷第二次中斷第三次中斷啟動 轉(zhuǎn)換測給定電流電流 計算啟動 轉(zhuǎn)換測電流值設(shè) 中斷模式允許 中斷查表計算值速度 計算電流PID計算開 中斷關(guān) 數(shù)據(jù)有效