【正文】 此方式是 通過(guò) 去 調(diào)節(jié) 晶閘管的 觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來(lái)達(dá)到 改變 dU ，從而實(shí)現(xiàn) 調(diào)速系統(tǒng)的 平滑調(diào) 節(jié) ， 此方法快速性能 、 動(dòng)態(tài)性能較好。 為了讓 直流電壓 的波 動(dòng) 以 較小 的波形顯示 ，故采用三相整流電路。 圖 21 三相橋式全控整流電路原理圖 調(diào)速系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 系統(tǒng)調(diào)試效果的優(yōu)劣取決于 調(diào)速 系統(tǒng)的性能，因此必須選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。 可以用“調(diào)速范圍”和“靜差率”來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，下面就介紹一下這兩項(xiàng)指標(biāo)： 1. 調(diào)速范圍 D 在機(jī)械、生產(chǎn)上電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 maxn 與最低轉(zhuǎn)速 minn 之比叫做調(diào)速范圍 ,用 D 表示，它們的關(guān)系見(jiàn)下式（ 22）： minmaxnnD= （ 22） 其中 maxn 是運(yùn)行到額定負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速， minn 是最低轉(zhuǎn)速。 因此可得出結(jié)論 ,D 和 s 這兩項(xiàng)指標(biāo)不能單獨(dú)存在的，在調(diào)速過(guò)程中， 讓額定轉(zhuǎn)速降落相同，則降低轉(zhuǎn)速，靜差率就會(huì)變大。 1. 跟隨性能指標(biāo) 當(dāng) R(t)變化時(shí) ， C(t)跟隨系統(tǒng)變化。峰值超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的百分哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 數(shù)比值叫超調(diào)量，即 %10 0m a x ?????C CC? (28) 系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性便是由超調(diào)量來(lái)反應(yīng)的，即要想系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性越好 ，則超調(diào)量就得越小。 2. 抗擾性能指標(biāo) 在穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)中，加一個(gè)負(fù)擾動(dòng)量 F 使輸出量降低 ，得到輸出量由降低到恢復(fù)的過(guò)程就是系統(tǒng)抗擾過(guò)程。 (2) 恢復(fù)時(shí)間 vt 標(biāo)準(zhǔn)階躍函數(shù)使用時(shí)從第一次出現(xiàn)擾動(dòng)作用開(kāi) 始，最后到輸出量達(dá)到穩(wěn)定值，與新穩(wěn)態(tài)值 ∞C 的差值在某個(gè)基準(zhǔn)值 bC 的 5177。 直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理 眾所周知，對(duì)于一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有多種調(diào)速系統(tǒng)方式，主要常用的有開(kāi)環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和多閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。而后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) ,讓系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋?zhàn)饔谩? 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 從上文中我們不但可以知道雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由兩個(gè)帶限幅作用的 PI 調(diào)節(jié)器串聯(lián)構(gòu)成，再者也了解了電流調(diào)節(jié)器 ACR 的最大給定電壓 *iU 受 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 的限制，電力電子變換器UPE 的最大輸出電壓 dmU 由電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 決定，如圖 26 所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)構(gòu)造圖 [10]。 晶閘管觸發(fā)裝置的整流傳函 晶閘管觸發(fā)裝置的整流環(huán)節(jié) 在一定的工作范圍內(nèi) 可看成 是一個(gè) 電壓響應(yīng)超前電流的環(huán)節(jié)，屬于 純滯后環(huán)節(jié)。 將上述各傳遞函數(shù)以結(jié)構(gòu)圖的形式連接起來(lái)便得到了雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào) 速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖， 其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器因?yàn)椴捎昧?PI 控制而能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，晶閘管整流裝置以近似為一階慣性環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 定快速的必要條件，再加上直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)，使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙閉環(huán)。最后又詳細(xì)介紹了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)成，為后面的內(nèi)容做好了鋪墊！ 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 第 3章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的選擇 該電動(dòng)機(jī)選擇直流電動(dòng)機(jī)，由晶閘管供電，整流裝置選擇三相橋式電路，其各個(gè)參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)額定電壓 U=220V,額定電流 I=140A,額定轉(zhuǎn)速 n=20xxr/min，電動(dòng)勢(shì)系數(shù) eC = rV min/? ，過(guò)載倍數(shù) λ =；晶閘管放大倍數(shù)為 sK =60；電樞回路總電阻 R= Ω ； 設(shè)電磁 時(shí)間常數(shù)lT =，機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT =；由于采用三相橋式電路，其滯后時(shí)間常數(shù) sT =； 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖應(yīng)該是在原來(lái)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖基礎(chǔ)上增加了電流濾波環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速濾波環(huán)節(jié)和給定信號(hào)上的濾波環(huán)節(jié)。 我們知道雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的電流環(huán)的一個(gè)特別的作用是能夠在動(dòng)態(tài)過(guò)程中讓電樞電流不超過(guò)允許的最大值，故電流環(huán)一般被規(guī)劃為典型的 I 型系統(tǒng)，用 PI 調(diào)節(jié)器可以做到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；為了讓轉(zhuǎn)速環(huán)也做到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，所以也運(yùn)用 PI 調(diào)節(jié)器，即加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，但是轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)部的哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 電流環(huán)已經(jīng)有個(gè)積分環(huán)節(jié)，再加上一個(gè)共計(jì)兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，就此轉(zhuǎn)速環(huán)規(guī)劃為 II 型系統(tǒng)。 其次由 節(jié) 中給出的各個(gè)參數(shù)可知 sT =，電流濾波時(shí)間常數(shù)oiT 滿足三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 ，因此 oiT =2ms=。電流反饋系數(shù) )(/0 4 NIVAV ??? ； 所以 ACR 的 比例系數(shù)為??s iIi K RKK ?= ?? ?? ， 電流截止頻率 ciω =，檢驗(yàn)晶閘管為 cis sT ????? / 9 60 0 1 13 1，滿足條件。靜態(tài)指標(biāo)滿足轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，動(dòng)態(tài)指標(biāo)滿足空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 nσ 小于等于10%。 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 sK nN / ???? ?? 。 ASR 應(yīng)該回歸計(jì)算飽和超調(diào)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì) ，并設(shè)置了電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，然后通過(guò)舉例用工程設(shè)計(jì)方法計(jì)算出電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)中 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為下面對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真打下了基礎(chǔ)。當(dāng)建模，對(duì)系統(tǒng)的理解和找到合適的模塊，然后設(shè)置參數(shù)，以達(dá)到良好的仿真結(jié)構(gòu) [14]。 同樣將結(jié)束時(shí)間設(shè)為 s， 電流環(huán)仿真結(jié)果如下圖 43 所示。 從圖 43 你可以看到， KT = ，目前無(wú)超調(diào)，但較長(zhǎng)的上升時(shí)間。轉(zhuǎn)速環(huán)的 系統(tǒng)仿真分為三個(gè)步驟， 它們 分別是建 立系統(tǒng)的模 型 ，參數(shù) 的設(shè)定 ， 對(duì)其 仿真及 對(duì)其 仿真結(jié)果 的 分析。 圖 46 轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速啟動(dòng)下的仿真結(jié)果 由圖可看出轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定于額定轉(zhuǎn)速。 由圖 47 可以看出當(dāng)在負(fù)載電流上再加電流時(shí)，得出直流電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)會(huì)受到額定電流的擾動(dòng)波影響 [17]。 故 數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 51 所示。 我們知道 AT89C51 單片機(jī)有 40 個(gè)引腳。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 3. P2 口（ 2128） ： P2 口 內(nèi)部有上拉電阻，并且是 8 位雙向 的 I/O口， P2 口當(dāng)用于 16 位地址進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。 7. /EA/VPP(31) ： 當(dāng) /EA 為 低電平時(shí)， 此時(shí)為有效狀態(tài)，輸出(0000HFFFFH)，當(dāng) /EA 為 高電平時(shí)， 此時(shí)為無(wú)效狀態(tài) 。 ADC0809 是 具備 A/D 轉(zhuǎn)換器 為 8 位 、多路開(kāi)關(guān) 為 8 路 ，它是可以和單片機(jī)直接接口。下表 52 為 ADC0809 的通道選擇表。 Inter8253 有較多特殊的特點(diǎn)，下面就可編程計(jì)時(shí) /計(jì)數(shù)器 intel8253 的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 表 53 控制功能表 CS RD WR A1A0 功能 0 1 0 00 寫計(jì)數(shù)器 0 0 1 0 01 寫計(jì)數(shù)器 1 0 1 0 10 寫計(jì)數(shù)器 2 0 1 0 11 寫控制字 0 0 1 00 讀計(jì)數(shù)器 0 0 0 1 01 讀計(jì)數(shù)器 1 0 0 1 10 讀計(jì)數(shù)器 2 0 0 1 11 無(wú)操作 1 X X XX 禁止使用 0 1 1 XX 無(wú)操作 2. Intel8253 芯片內(nèi)部有計(jì)數(shù)器 0、計(jì)數(shù)器 1 和計(jì)數(shù)器 2 三個(gè)計(jì)數(shù)器，他們的機(jī)構(gòu)功能相同，沒(méi)有什么差別。 4. Intel8253 芯片中 具有 3 個(gè) 各自工作 的計(jì)數(shù)通道， 它們都 采用 門控信號(hào)有效時(shí)，每輸入一次脈沖作 減 1 的 計(jì)數(shù)方式。相信 數(shù)字控制系統(tǒng)在今后的發(fā)展中具有更高的發(fā)展前景。 本論文主要分下列幾點(diǎn)介紹了數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 4. 然后用 Matlab 仿真軟件對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)（雙閉環(huán)）進(jìn)行仿真調(diào)試，為了達(dá)到最佳直觀清晰地效果，不斷地對(duì)其參數(shù)進(jìn)行修改。 運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制后，使得調(diào)速系統(tǒng)變?yōu)閿?shù)字化控制，用單片機(jī)控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：性價(jià)比高、精確度特別高、較高的系統(tǒng)可靠性，方便簡(jiǎn)單的制作操作、電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能較高等。通過(guò)與侯老師的溝通學(xué)習(xí)使我學(xué)到了許多寶貴的東西 ,使我獲益匪淺終生難忘。真心的謝謝你們！ 最后我要感謝在此次畢業(yè)論文中幫助我的朋友們和在遠(yuǎn)方的父母親，是你們的鼓勵(lì)才讓我能夠堅(jiān)定信心我能順利并成功的完成。 其次 我要感謝幫助我的同學(xué)們，是你們的耐心指導(dǎo)才使我順利的完成此次論文，和他們一起討論相關(guān)的課題和解決設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，使我發(fā)現(xiàn)了自己在某些專業(yè)知識(shí)上的不足，使我的思路得到極大的開(kāi)闊。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 致謝 首先，非常感謝我的指導(dǎo)老師侯甲童老師，是侯老師的悉心指導(dǎo)才使我順利的完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，侯老師 學(xué)識(shí)淵博，為人和藹可親。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)作為直流調(diào)速系統(tǒng)中運(yùn)用最寬廣的系統(tǒng)，其靜動(dòng)態(tài)調(diào)速特性非常好，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的操控方案、設(shè)計(jì)方法等都是電力控制系統(tǒng)的重中之重，也是必要基礎(chǔ)。 2. 其次本文介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的幾種控制方法并選擇出最優(yōu)控制方案 、直流電機(jī)雙閉環(huán)性能指標(biāo)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、數(shù)學(xué)模型（穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)）。本系統(tǒng)運(yùn)用 PI 調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)保證恒速無(wú)靜差運(yùn)行，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化控制，本論文加入單片機(jī)調(diào)速在里面， 從而使直流調(diào)速系統(tǒng) 變成 數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng) 。 本章小結(jié) 本章首先主要介紹了數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì) AT89C51 單片機(jī)的引腳功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。并且每個(gè)內(nèi)部均有 8 位的控制寄存器和一個(gè)計(jì)數(shù)初值寄存器 CR，寄存器 CR 為 16 位的、一個(gè)用于計(jì)數(shù)的執(zhí)行元件 CE 和一個(gè)用于通道輸出的鎖存器 OL， Intel8253 芯片的里面構(gòu)造圖如下圖 55 所示。下圖 54 為可編程的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 Intel8253的功能引腳圖。主軸脈沖發(fā)生器的功能就是可以將以角度為單位的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖發(fā)生序列，然后可以通過(guò)計(jì)數(shù)器 Intel8253 轉(zhuǎn)換便能得到轉(zhuǎn)速反饋的數(shù)字信號(hào)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 ADC0809 芯片的 28 腳的雙列直插式封裝，其引腳功能如圖 53 所示來(lái)表示 。 9. XTAL2（ 18） ： 反向振蕩器 包括晶振 的輸出 端口 [20]。 表 51 P3 口的特殊功能 引腳名稱 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） 0INT (外部中斷 0 輸入 ) 1INT （外部中斷 1 輸入） T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） WR （ CPU 至片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 “寫選通控制 ”輸出） RD （ CPU 至片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 “讀選通控制 ”輸出） 5. ALE/PROG（ 30） ： 當(dāng) 數(shù)據(jù) 訪問(wèn) 的是 外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存 的字節(jié)為 低位 字節(jié)。 圖 52 AT89C51 單片機(jī)管腳圖 1. P0 口（ 3239)： P0 口 是 8 位 的 雙 向 I/O 口， 一般 外部必須接上 拉電阻 ，當(dāng)用于 16 位地址進(jìn)行存取時(shí)， P0 口輸出地址的低 8 位。數(shù)字化雙閉環(huán)輸出設(shè)備用于結(jié)果的輸出 [18]。轉(zhuǎn)速環(huán)的建模，設(shè)參，仿真及仿真結(jié)果分析等，由于看圖說(shuō)話，既直觀又準(zhǔn)確。 圖 47 轉(zhuǎn)速環(huán)空載運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)突加負(fù)載的仿真結(jié)果 由圖可看出此時(shí)有擾動(dòng)波。 轉(zhuǎn)速環(huán)（雙閉環(huán)）仿真模型 根據(jù)表 41 可得各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的系數(shù)，這里就以 節(jié)為例用Simulink 建立轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型，是在電流環(huán)的 基礎(chǔ)上又增加了 PI環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖如下圖 45 所示。三個(gè)數(shù)字的比較可以發(fā)現(xiàn)在第二階段增加電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，電流值小于NI? = 210A，因?yàn)?這次是干擾電機(jī)的反電勢(shì) [15]。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 同樣把結(jié)束時(shí)間設(shè)為 s，電流環(huán)仿真結(jié)果如下圖 44 所示。 圖 41 電流環(huán)仿真模型 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 電流環(huán)的仿真結(jié)果曲線 當(dāng) KT= 時(shí)， 此時(shí) PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ?，把結(jié)束時(shí)間設(shè)為 ，此時(shí)電流環(huán)仿真結(jié)果如下圖 42 所示。 系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)置 在第 3 章直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法中，我們知道直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖添加濾波器就可以，通過(guò)實(shí) 際的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖我們可以用 Matlab 仿真軟件中的 Simulink 工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，下面就建模中需要的傳遞函數(shù)參數(shù)列入下表 41。 由 附錄 中 表 3 可知當(dāng) h=5 時(shí)，% =Δ bCC ， mnNNbn TTnnzCC