【正文】 在此向老師們表示最誠 摯的敬意。 5. 最后本文又重點介紹了用單片機代替雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)，并分別 對其硬件結(jié)構(gòu)進行了細致的分析，對其實現(xiàn)數(shù)字化控制花費了大量筆墨。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 結(jié)論 本論文深深的衡量了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，在對直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，逐步建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。可以知道這三個計數(shù)器彼此互相獨立，每個計數(shù)器都透過三個引腳與外部聯(lián)系，分別是時鐘輸入控制端CLK、門控信號輸入端 GATE、輸出端 OUT。 表 52 ADC0809 的通道選擇表 C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 可編程定時 /計數(shù)器 Intel8253 的工 作原理 數(shù)字轉(zhuǎn)速表和數(shù)字觸發(fā)移動可編程定時器 /計數(shù)器 Intel8253，在本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)數(shù)字化，就需要雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速環(huán)要從作為轉(zhuǎn)速反饋檢測元件的主軸脈沖發(fā)生器上獲取轉(zhuǎn)速反饋信號。 8. XTAL1（ 19） ： 反向振蕩器 包括晶振 的輸入 端口 。其中 18 引腳為 P1 口， 9 引腳為復(fù)位引腳， 1017 引腳為 P3 口， 1 19 引腳為時鐘電路的輸入輸出引腳， 20 引腳為接地引腳， 2128 引腳為 P2 口， 29 引腳 外部程序存儲器的選通信號 ， 30 引腳為地址選擇端， 31 引腳為開啟總中斷，低電平有效， 3239 引腳為 P0 口， 40 引腳為供電電壓引腳，下面就一些擁有特殊功能的引腳進行簡單的介紹，如圖 52 所示。 本章小結(jié) 首先本章主要簡單的介紹了一下系統(tǒng)的建模與參數(shù)的設(shè)置，并通過表格的形式將在仿真中應(yīng)用的參數(shù)列出 來， 最后本章又詳細的介紹了電流環(huán)的建模，設(shè)參，仿真及仿真結(jié)果分析。在建 立 模 型的 時候 ， 深入分析，而后獲取 合適的模塊； 最后 進行 仿真繪制 [16]。 圖 43 電流環(huán)無超調(diào)仿真結(jié)果 當 KT= 時，按照上面的計算方法重新計算可得 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ? ，在 這個電流回路有較大的超調(diào)，相應(yīng)的上升時間短。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 第 4章 用 Matlab 仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 本課題中的雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)仿真采用 Matlab 仿真軟件，我們以第 3 章中的工程設(shè)計方法為主，即采用控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方程為基礎(chǔ)，在 Simulink 仿真使用 Matlab 工具箱。 檢測 電流環(huán) ， 條件 是：iI sTK ????? / 0 3 3 53131， 滿足簡化條件。 cilm sTT ?????? ? 1313，滿足條件。在雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，晶閘管的滯后時間常數(shù) sT和電流反饋濾波時間常數(shù) oiT 一般都比電磁時間常數(shù) lT 小很多，所以可將兩者相加近似為一個一階慣性環(huán)節(jié)，我們?nèi)?oisl TTT += ，這樣，電流環(huán)是一個雙慣性環(huán)節(jié)，同理，轉(zhuǎn)速環(huán)可寫成)1()( += sTs KsW。 如圖 27 所示，因此雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型也就一目了然 [11]。 圖 26 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 直流電動機的傳遞函數(shù) 當勵磁是額定的狀態(tài)下并且電樞電流也是連續(xù)的時候，電樞閉合電路的動態(tài)平衡方程式為下式 （ 29） ： )(0 dtdITIREU dldd += (29) 對上面的式子進行拉氏變換得下式 （ 210） ： )()()()(0 sIsRTsRIsEsU dldd ??+= (210) 而 RLTl =是 電樞 控制 回路的電磁時間常數(shù) ，單位為秒 (s)。而在這幾種直流電機調(diào)速系統(tǒng)中尤其以雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)為主。動態(tài)降落和恢復(fù)時間是動態(tài)抗擾指標的了兩大要素。上升時間 、 超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間為階躍響應(yīng)跟隨性能指標，下圖 23 反應(yīng)了典型的階躍響應(yīng)跟隨性能指標。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）： minminmax nnnnD N== （ 23） 2. 靜差率 s 當轉(zhuǎn)速為一特定值時 ,負載從“ 0”（空載）狀態(tài)增加到電動機的額定值時之間的差值（轉(zhuǎn)速降落） NnΔ 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比為靜差率 s ，見式（ 24）： 0nns NΔ= （ 24） 靜差率主要研究轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，靜差率隨負載變化而變化，它有關(guān)于機械特性的硬度 ,并且可知機械特性的硬度越高 ,靜差率就越小 ,轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就會越高 [6]。 但要考慮到 晶閘管可控整流裝置 要達到的目的 ，即 噪聲 特別小 、響應(yīng) 特別 快、 性價比高， 而且 還要要求 工作可靠 性高 ， 耗能較低 。 變電壓 的 調(diào)速 方式被公認為 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 。 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，直流電動機轉(zhuǎn)速的表達式如下式（ 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，改變直流電機轉(zhuǎn)速 n 有三種控制方法： 1. 改變電樞電壓 U 的控制方法。而在計算機控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，以單片機控制的應(yīng)用最為方便、準確，因此受到各個公司的極力青睞！ 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)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國內(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，因為晶閘管調(diào)速 效 率高 、 噪 聲小 和響應(yīng) 快 。 故直流 電機 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 、動態(tài) 特性 。其在 1970 年以后 被大眾認可 。以單片機為控制核心的直流調(diào)速系統(tǒng)是最準確、最方便、最快速的控制方法。 本文 是以 直流 電機 調(diào)速系統(tǒng) 基本 理論的 鋪墊下 對雙閉環(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 用了 PI 控制 ， 可以實現(xiàn)穩(wěn)定無靜差，超調(diào)量小等優(yōu)點，而后運用工程設(shè)計方法來較好的講解轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計問題，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 單片機為控制核心， 使得系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 。直流調(diào)速 能夠精確控制 電樞電流和勵磁電流 是因為 電樞和勵磁不是耦合的 。 后來數(shù)字化直流電機調(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。 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)直流電機調(diào)速電路 ） ，以及 保護電路（ 缺相和過流 保護電路）等組成，當給定的直流電壓為 10V 以內(nèi) 的時候，可進行平滑調(diào)速，然后采用 PI 調(diào)節(jié)器達到既放大倍數(shù)又達到穩(wěn)態(tài)無靜差的效果 [2]。調(diào)壓調(diào) 速適合于大范圍無極平滑調(diào)速，而且動態(tài)響應(yīng)快，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，因此，應(yīng)用較廣。 1. 旋轉(zhuǎn)變流機組 被 稱 為 GM 系統(tǒng)， 此系統(tǒng)是由直流發(fā)電機和 交流電動機 組 組成， 目的是得到 可調(diào)的直流電壓 。 故采用 晶閘管三相 橋式 全控整流電路供電方 法 [5]。 但是靜差率和機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。 圖 23 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標 (1) 上升時間 rt 上升時間是用 C(t)從“ 0”開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ∞C 時所經(jīng)過的時間來定義的，它反應(yīng)了動態(tài)響應(yīng)的快慢。 (1) 動態(tài)降落 maxCΔ 穩(wěn)定運行的系統(tǒng)中，給系統(tǒng)加一個擾動所產(chǎn)生的最大降落值 maxCΔ 為動態(tài)降落。直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在電機的電流和轉(zhuǎn)矩受限的情況下仍能充分發(fā)揮電機的過載能力 ,而且能夠使電流和轉(zhuǎn)矩保持允許的最大值，并且能夠加速運行，當達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 速時 ,讓電流減小而轉(zhuǎn)矩很快與負載相平衡 ,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 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） 從電機的動力學(xué)方程可知電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(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 dtdnGDTT le 3752= （ 212） 可得式（ 213）： RdtdETII mdld = （ 213） 式子（ 213）中的mem CCRGDT 375 2= 是直流電機 系統(tǒng)的機電時間常數(shù)。 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)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(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)，然后又重點闡述了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標，有穩(wěn)態(tài) 性能指標和動態(tài)性能指標，并分別介紹了各個指標的分類，為后續(xù)的單片機控制實現(xiàn)數(shù)字化打下了基礎(chǔ)。 1. 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計 首先需要知道設(shè)計的指標，有靜態(tài)指標和動態(tài)指標。 按照上述所計算的參數(shù)，再加上附錄中表 1 提供的數(shù)據(jù)可知 :σ =%5%，滿足設(shè)計要求。 檢測 轉(zhuǎn)速環(huán) 的 小時間常數(shù)條件 是：onI sTK ???? / ， 滿足條件 。 系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)置 在第 3 章直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法中，我們知道直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖添加濾波器就可以，通過實 際的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖我們可以用 Matlab 仿真軟件中的 Simulink 工具箱對系統(tǒng)進行建模，下面就建模中需要的傳遞函數(shù)參數(shù)列入下表 41。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 同樣把結(jié)束時間設(shè)為 s，電流環(huán)仿真結(jié)果如下圖 44 所示。 轉(zhuǎn)速環(huán)（雙閉環(huán)）仿真模型 根據(jù)表 41 可得各個環(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。轉(zhuǎn)速環(huán)的建模，設(shè)參，仿真及仿真結(jié)果分析等，由于看圖說話，既直觀又準確。 圖 52 AT89C51 單片機管腳圖 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 ，當用于 16 位地址進行存取時， P0 口輸出地址的低 8 位。 9. XTAL2（ 18） ： 反向振蕩器 包括晶振 的輸出 端口 [20]。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轉(zhuǎn)換成脈沖發(fā)生序列，然后可以通過計數(shù)器 Intel8253 轉(zhuǎn)換便能得到轉(zhuǎn)速反饋的數(shù)字信號。并且每個內(nèi)部均有 8 位的控制寄存器和一個計數(shù)初值寄存器 CR，寄存器 CR 為 16 位的、一個用于計數(shù)的執(zhí)行元件 CE 和一個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。本系統(tǒng)運用 PI 調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)保證恒速無靜差運行，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化控制，本論文加入單片機調(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) 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)作為直流調(diào)速系統(tǒng)中運用最寬廣的系統(tǒng)，其靜動態(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)計方法等都是電