【正文】 ∑ΔΔ= ))((2 m a x λσ ， 由 節(jié) 的 數(shù) 據(jù) 可 知%10% 1 7 0 0 01 3 4 0% ????????n? 。 檢測(cè) 轉(zhuǎn)速環(huán) 的 小時(shí)間常數(shù)條件 是：onI sTK ???? / ， 滿足條件 。已知 =∑iITK，由于電流環(huán)可以作為速度環(huán)、電流環(huán)的一個(gè)子部分可以等效時(shí)間常數(shù)設(shè)置為IK1 ，則 sTK iI 0 0 7 0 3 1 ==∑= ， 速度濾波時(shí)間常數(shù) onT =，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 因此速 度 環(huán)小時(shí)間常數(shù)onIn TKT +=∑ 1，即 sssTn ????，可取 h=5，則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù)為 1 7 ????? nn hT? s 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) m in )/20 0 0/10(m in / rVrV ???? 。 按照上述所 計(jì)算的參 數(shù)，再加 上附錄中 表 1 提供 的數(shù)據(jù)可知 :σ=%5%，滿足設(shè)計(jì)要求。 計(jì)算 電壓的抗擾性能： 0 3 ≈≈∑ilTT ，滿足各項(xiàng)指標(biāo) 。 1. 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 首先需要知道設(shè)計(jì)的指標(biāo)，有靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。A S R A C Rn ( s )11on ?T*nU 11?sToi 1?sTKss1/1?sTRl sTRm eC1 )(sIdL+)(sUi+)(sUc)(0sUd+E ( s )+)(sId1?sT oi?1?sT on? 圖 31 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 圖中的 oiT 表示電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)；圖中的 onT 表示轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)；從圖中可見在電流環(huán)上加了電流濾波環(huán)節(jié)，在轉(zhuǎn)速環(huán)上加了轉(zhuǎn)速濾波環(huán)節(jié)，在兩個(gè)給定信號(hào)上同樣加了濾波環(huán)節(jié)。 n*nU 1?sT Kss1/1?sTRl sTRm eC1dLI++cU 0dU+E+dI??n )(W A SR*iU iU ）（ sA CRW 圖 27 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 本章小結(jié) 本章首先主要說明了直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方式有三種，而這三種中以調(diào)壓調(diào)速最優(yōu)，然后又重點(diǎn)闡述了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)，有穩(wěn)態(tài) 性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，并分別介紹了各個(gè)指標(biāo)的分類，為后續(xù)的單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字化打下了基礎(chǔ)。 咱們可以按mfTs 1max =這個(gè)公式來表示，由公式可以看出 最大失控時(shí)間 與 交流電源頻率 f 和 一周內(nèi)整流電壓的脈動(dòng)波數(shù) m 有關(guān)； 當(dāng)電流在連續(xù)的狀態(tài)下，我們可把晶閘管整流觸發(fā)裝置看成一階慣性環(huán)節(jié)，因此它的傳函可寫成下式（ 215）； sTKsW Sss +≈ 1)( （ 215） PI 調(diào)節(jié)器的傳函 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR 為了實(shí)現(xiàn)快速無靜差，可以將它們均設(shè)為比例積分控制規(guī)律，即兩個(gè)調(diào)節(jié)器的比例部分 P 能使控制作用迅速的被響應(yīng)，達(dá)到要求但有靜差，因此加上積分部分 I 來消除穩(wěn)態(tài)誤差。 將式 （ 210） 整理成電流比電壓的形式可得傳函為下式 （ 211） ： 11)()( )(0 += sT RsEsU sIldd （ 211） 從電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程可知電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為式 （ 212） ： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 dtdnGDTTle 3752= （ 212） 可得式（ 213）： RdtdETII mdld = （ 213） 式子（ 213）中的mem CCRGDT 375 2= 是直流電機(jī) 系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。 圖 24 雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)圖 從圖 24 中可以看到， *nU 表示轉(zhuǎn)速外環(huán)的轉(zhuǎn)速給定電壓， nU 為轉(zhuǎn)速外環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋電壓，兩者的差值 nU? 代表了轉(zhuǎn)速外環(huán)的偏差值作用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入端，經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的比例放大和積分去靜差使得其輸出端變?yōu)殡娏髡{(diào)節(jié)器 ACR 的輸入給定電壓 *iU ， *iU 表示電流內(nèi)環(huán)的電流給定電壓，由電流互感器 TA 經(jīng)二極管轉(zhuǎn)化的電壓 iU 反向作用于電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸入端， iU 代表電流內(nèi)環(huán)的電流反饋電壓，它與電流內(nèi)環(huán)的電流給定電壓做差所得的值 iU? 作用于電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸入端，同樣經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)使得輸出端作為電力電子變換器 UPE 的輸入端，電力電子變換器 UPE 經(jīng)過變換可從直流電機(jī)中輸出轉(zhuǎn)速 n，最后轉(zhuǎn)速 n 與測(cè)速發(fā)電機(jī) TG 連接轉(zhuǎn)換為電壓的方式給到轉(zhuǎn)速外環(huán)，如此形成循環(huán)，構(gòu)成閉合回路 [9]。直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩受限的情況下仍能充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力 ,而且能夠使電流和轉(zhuǎn)矩保持允許的最大值，并且能夠加速運(yùn)行，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 速時(shí) ,讓電流減小而轉(zhuǎn)矩很快與負(fù)載相平衡 ,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。2%)范圍之內(nèi)所經(jīng)過的時(shí)間我們稱之為恢復(fù)時(shí)間 vt 。 (1) 動(dòng)態(tài)降落 maxCΔ 穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)中，給系統(tǒng)加一個(gè)擾動(dòng)所產(chǎn)生的最大降落值 maxCΔ 為動(dòng)態(tài)降落。它 主要反映的 是輸出量 在 調(diào)節(jié) 期間 的快慢 程度 。 圖 23 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo) (1) 上升時(shí)間 rt 上升時(shí)間是用 C(t)從“ 0”開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ∞C 時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間來定義的，它反應(yīng)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢。 3. 變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍 D、靜差率 s 和轉(zhuǎn)速降落 n? 之間的關(guān)系 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，可認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)在最低速時(shí)的靜差率 s 見下式（ 25）： NNN nn nnns Δ+Δ=Δ=m i nm i n0 （ 25） 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 因此最低轉(zhuǎn)速 minn 為下式（ 26）： NNN ns snsnn ???????? 1m in (26） 而調(diào)速范圍 D 為 : minminmax nnnnD N== 將上面幾式聯(lián)立可得下式（ 27）： )1( sn snD NNΔ= （ 27） 由上式知，在一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)中，讓轉(zhuǎn)速降落一定，若靜差率 s 的值變小 ,調(diào)速范圍 D 也變小 [7]。 但是靜差率和機(jī)械硬度特性又是不一樣的，下圖 22 為不同轉(zhuǎn)速下的靜差率。 控制轉(zhuǎn)速的大小可以使調(diào)速性能發(fā)生變化。 故采用 晶閘管三相 橋式 全控整流電路供電方 法 [5]。 本 論文 選 用 VM 系統(tǒng) ，因?yàn)?VM 系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣 。 1. 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 被 稱 為 GM 系統(tǒng)， 此系統(tǒng)是由直流發(fā)電機(jī)和 交流電動(dòng)機(jī) 組 組成， 目的是得到 可調(diào)的直流電壓 。此法屬于有級(jí)調(diào)速，控制效率較低，而且平滑性較差，很軟的機(jī)械特性。調(diào)壓調(diào) 速適合于大范圍無極平滑調(diào)速，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，因此，應(yīng)用較廣。今天，發(fā)達(dá)國(guó)家基本上已經(jīng)完全落實(shí)了數(shù)字化控制雙閉環(huán)。 咱們知曉雙 閉環(huán) 直流 調(diào)速系統(tǒng)一般 由主電路（ 晶閘管可控整流電路 ） ，控制電路 （移相電路和轉(zhuǎn)速 、電流雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速電路 ） ，以及 保護(hù)電路（ 缺相和過流 保護(hù)電路）等組成，當(dāng)給定的直流電壓為 10V 以內(nèi) 的時(shí)候，可進(jìn)行平滑調(diào)速，然后采用 PI 調(diào)節(jié)器達(dá)到既放大倍數(shù)又達(dá)到穩(wěn)態(tài)無靜差的效果 [2]。而在各個(gè)數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)中，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制使得制作成本特別低，結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單。 后來數(shù)字化直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)使得直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣。 因此希望輸入端只有 電流負(fù)反饋 作用，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不作用。直流調(diào)速 能夠精確控制 電樞電流和勵(lì)磁電流 是因?yàn)?電樞和勵(lì)磁不是耦合的 。 PI control。 本文 是以 直流 電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 基本 理論的 鋪墊下 對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系 統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 、 電流調(diào)節(jié)器 均運(yùn) 用了 PI 控制 ， 可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無靜差，超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)，而后運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法來較好的講解轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題，通過 Matlab 仿真軟件來直觀的反應(yīng)轉(zhuǎn)速、電流的工作結(jié)果，最后再加上 以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心， 使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 。 哈 爾 濱 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： 數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院、 系： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 年 月 日 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 直流調(diào)速系統(tǒng)是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，雖然交流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)今發(fā)展迅猛，但是直流調(diào)速系統(tǒng)憑借著控制特性良好的優(yōu)點(diǎn)仍然是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最主要方式。以單片機(jī)為控制核心的直流調(diào)速系統(tǒng)是最準(zhǔn)確、最方便、最快速的控制方法。 Speed regulation。其在 1970 年以后 被大眾認(rèn)可 。 如果想要得到電流為最大值的恒流系統(tǒng)，而且要實(shí)現(xiàn)在很短的時(shí)間內(nèi)快速啟動(dòng)，可以 按照反饋 系統(tǒng)的 控制規(guī)律， 選取 電流負(fù)反饋就能 收獲恒定的電流 。 故直流 電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)的 衡量 在 某 一 特 定的 層面 內(nèi) 能平滑調(diào)節(jié) 速度 而 且 有特別好的功能特性，包括 靜 態(tài)特性 、動(dòng)態(tài) 特性 。 最后由于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要是以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化為主，故經(jīng)過時(shí)間的洗禮，數(shù)字化直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被大量的使用在各個(gè)領(lǐng)域。而在計(jì)算機(jī)控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，以單片機(jī)控制的應(yīng)用最為方便、準(zhǔn)確，因此受到各個(gè)公司的極力青睞！ 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 直流調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 1970 年 以后 ， 主要以晶閘管 直流調(diào)速系統(tǒng) 為主，因?yàn)榫чl管調(diào)速 效 率高 、 噪 聲小 和響應(yīng) 快 。 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀 從 1980 年起，數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)在對(duì)全世界的公司影響非常深遠(yuǎn)，故直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展提高了很多；在國(guó)外，采用電 源換相的控制方式，而且特別采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)以及其他先進(jìn)的技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外各大電氣公司廣泛的應(yīng)用 [4]。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 第 2章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)理論和數(shù)學(xué)模型 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 穩(wěn)定狀態(tài)下，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式如下式（ 21）： Φ= eaC RIUn （ 21） 式（ 21）中： U—— 電樞電壓，單位是（ V）； aI —— 電樞電流，單位是（ A）； R—— 電樞電路的總電阻，單位是（ Ω）； ?—— 勵(lì)磁磁通，單位是（ Wb）； n—— 轉(zhuǎn)速，單位是（ r/min）； 由式（ 21）可知，改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 有三種控制方法： 1. 改變電樞電壓 U 的控制方法。 3. 改變電樞回路電阻 R 的控制方法。 變電壓 的 調(diào)速 方式被公認(rèn)為 是直流 調(diào)速系統(tǒng) 的 主要 方法 ， 而 調(diào)節(jié)電樞電壓 也有很多方法，主要被使用的有 旋轉(zhuǎn) 變 流機(jī)組 （ GM 系統(tǒng)） ，靜止 變流裝置（ VM 系統(tǒng)） ， PWM 脈寬調(diào)制變換器 (也稱 直流斬波器 )三種方法 。 3. PWM 脈寬調(diào)制交換器， 這種方法是 用 某一特 定直流或不可控 的整流電源 來供電的，然后通過 PWM 生成 可 調(diào) 的電壓 ，然而元器 件 易受很多因素的影響，此系統(tǒng)在 中、小功率的系統(tǒng) 中受到歡迎 。 但要考慮到 晶閘管可控整流裝置 要達(dá)到的目的 ，即 噪聲 特別小 、響應(yīng) 特別 快、 性價(jià)比高， 而且 還要要求 工作可靠 性高 ， 耗能較低 。可以根據(jù)一些必要條件來選取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。若 Nn = 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 maxn ,則它們的關(guān)系見下式（ 23）： m inm inm ax nnnnD N== （ 23） 2. 靜差率 s