【正文】 development, and dc speed control system as the main way of electric drive system in one of the modern production plays a very important role. With the development of the microelectronics, the use of the puter in speed regulation system simplified the system, reduces the volume， increases the reliability. 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 Microputer(SCM) as its processor has many merits. The speed giving and speed measuring adopt digital method, the system can measure the speed accuracy within a wide range, which expand the speed control scope and enhances its precession。 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)：由于速度給定和測速采用了數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi) 高精度測速，所以擴(kuò)大了調(diào)速的范圍，提高了測速控制系統(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，使硬件得以簡化，因此故障率??；單片機(jī)以數(shù)字信號工作，控制方法靈活便捷，抗干擾能力較強(qiáng)。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，以此來達(dá)到最優(yōu)控制效果。此外，本次設(shè)計(jì)采用了數(shù)字式速度給定和數(shù)字式測速方法，大大提高了速度控制的精度。 Speed regulation。由于直流電動機(jī)的電壓、電流和磁通的耦合較弱，使直流電動機(jī)具有良好的運(yùn)行性能和控制特性 ，能夠在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，啟動、制動性能良好，其在20 世紀(jì) 70 年代以來一直在高精度，大調(diào)速范圍的傳動領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。 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 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。 課題的背景 我國從上世紀(jì) 60 年代研制出第一只晶閘管以來，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。微機(jī)的應(yīng)用使電力拖動系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化，極大地推動了電力拖動的進(jìn)步。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領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性，使電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。國外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對應(yīng)的全數(shù)字交、直流調(diào)速裝置產(chǎn)品可供選用，新開發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)幾乎全是數(shù)字式的。近年來，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、制動性能，在礦井卷揚(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) 速的電力拖動領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。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。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 5 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(jī)械特性軟，效率低。 ⑴ 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)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(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。 ?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 00m a x 10 0??? ? ?c cc? （ 27） ?調(diào)節(jié)時間 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(dá)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(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(jī)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。 ⑵ 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(xiàng)分別離散化就可以了，即為： )()( kTutu ? 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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 12 （ 34） )()( 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(jī)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(jī)構(gòu)被控對象 圖 32 位置式 PID控制系統(tǒng)原理圖 調(diào)速單元 PI 參數(shù)的整定 本系統(tǒng)選用的控制對象 322?Z 為直流電動機(jī)，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(jī)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)， ? =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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 15 直流電動機(jī)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(jī)通常以電樞電壓作為輸入量，以電動機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸出量。 進(jìn)而，我們可得直流電動機(jī)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） 根據(jù)式（ 314）可以看出直流電動機(jī)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)； 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(jì)采用的是直流電動機(jī)，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 9 8 1 1 0)~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(jì)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(hù)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(hù)的基本思想。 ? 交流側(cè)過電壓保護(hù)：本設(shè)計(jì)采用阻容保護(hù)，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 的 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(diǎn)：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)電路不正常或受干擾，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。如何合 理的選擇采樣周期，同時能夠達(dá)到最高的控制特性是個重要的問題。在一個采樣周期內(nèi)，單片機(jī)要采集 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，進(jìn)行 PI 運(yùn)算，輸出控制量，顯示，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，處理其它中斷 等。這樣即方便編程，也能滿足采樣精度。主程序框圖如圖 51 所示。當(dāng)定時 T0 結(jié)束時， Ml停止計(jì)數(shù)， M2 繼續(xù)計(jì)數(shù) 。當(dāng)上升沿到來時，讀取計(jì)數(shù)器 T1 的值，計(jì)算兩次計(jì)數(shù)器 T1 的差值得到高頻脈沖數(shù) 2m ，這樣就完成了一次轉(zhuǎn)速測量周期。首先允許 HSI0 中斷，然后設(shè) HSI 中斷模式為每個脈沖的正跳變引起中斷。在中斷程序中開 HSI0 中斷 (允許 HSI0中斷 )，關(guān) HSI 數(shù)據(jù)有效中斷 (停止對 1m 計(jì)數(shù) )。至此，轉(zhuǎn)速測量結(jié)束。 觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中，用定時器 1 作為 HSO 的時間基準(zhǔn)，觸發(fā)角和脈寬的控制都是靠 HSO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(jì) 30 的定時功能來實(shí)現(xiàn)的。 ⑴ 同步中斷子程序 為了可靠觸發(fā)三相全橋 6 只晶閘管，該控制系統(tǒng)使用了雙脈沖觸發(fā)信號，一個周期共需輸出 24 個 HSO 信號，包括 HSO 上升沿和下降沿。其控制流程圖如圖沈陽化工大學(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(jì) 31 56 所示。 保護(hù)現(xiàn)場向 控制寄存器分別送入 . 事件和時間置 輸出結(jié)束標(biāo)志位向 控制寄存分別送入 事件和時間向 控制寄分別送入 事件和時間置 輸出結(jié)束標(biāo)志位置 輸出結(jié)束標(biāo)志位恢復(fù)現(xiàn)場 返回 圖 57 HSO中斷服務(wù)程序流程圖沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 六 章 總結(jié)與展望 32 第六章 總結(jié)與展望 工作總結(jié) 本設(shè)計(jì)用一臺單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。數(shù)字測速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護(hù)方便，同時采用 M/T 數(shù)字測速方法，兼?zhèn)淞?M 法和 T 法測速的優(yōu)點(diǎn)，有效地擴(kuò)大了調(diào)速范圍。 (3)數(shù)字控制系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，系統(tǒng)中的控制量 和反饋量都必須根據(jù)一定的采樣周期進(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 研究展望 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、可靠性高，可以提高控制性能，它將是