【正文】 (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(hào)。 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)向 控制寄存器分別送入 . 事件和時(shí)間置 輸出結(jié)束標(biāo)志位向 控制寄存分別送入 事件和時(shí)間向 控制寄分別送入 事件和時(shí)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(chǎng) 返回 圖 57 HSO中斷服務(wù)程序流程圖沈陽(yáng)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(tái)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。 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(hào)，一個(gè)周期共需輸出 24 個(gè) HSO 信號(hào)，包括 HSO 上升沿和下降沿。至此，轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)束。首先允許 HSI0 中斷，然后設(shè) HSI 中斷模式為每個(gè)脈沖的正跳變引起中斷。當(dāng)定時(shí) T0 結(jié)束時(shí)， Ml停止計(jì)數(shù)， M2 繼續(xù)計(jì)數(shù) 。這樣即方便編程，也能滿足采樣精度。如何合 理的選擇采樣周期，同時(shí)能夠達(dá)到最高的控制特性是個(gè)重要的問題。 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。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(shí)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。允許偏差 +10％（ 253V）。 ? 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。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。結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當(dāng)型號(hào)的晶閘管十分重要。本設(shè)計(jì)采用的是直流電動(dòng)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。 對(duì)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(shí)間常數(shù)。 位置算法執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)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(duì)象 322?Z 為直流電動(dòng)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(shí)間常數(shù)為 Td=，電勢(shì)常數(shù) eC = 5 / minVWb r? ，機(jī)電時(shí)間常數(shù) MT = ，三相橋式晶閘管整流器的滯后時(shí)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(shí)間常數(shù) ONT 為 ，電流反饋系數(shù)， ? =沈陽(yáng)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(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中， 直流電動(dòng)機(jī)通常以電樞電壓作為輸入量，以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸出量。 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。 ⑵ 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。 PID 控制器具有簡(jiǎn)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(lái)跟隨被控對(duì)象的變化，可以減小動(dòng)態(tài)誤差。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。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)。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。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)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)。 ⑴ 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動(dòng)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。調(diào)壓調(diào)速屬于 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于要求大沈陽(yáng)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(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)。近年來(lái)，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(dòng)性能，在礦井卷?yè)P(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(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。微機(jī)的應(yīng)用使電力拖動(dòng)系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電力拖動(dòng)的進(jìn)步。 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(lái)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。 Speed regulation。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(jiǎn)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(lái)達(dá)到最優(yōu)控制效果。 關(guān)鍵詞 ： 直流電動(dòng)機(jī)；調(diào)速； PID 控制；雙閉環(huán) Abstract In recent years, automation control system in all a wide range of applications and 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。在要求高起、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)和較寬速度調(diào)節(jié)范圍的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，采用直流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。晶閘管整流裝置逐漸取代了水銀整流裝置，使直流電力拖動(dòng)完成了一次巨大的飛躍。目前，國(guó)內(nèi)外一些主要電氣公司，已經(jīng)研制出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的應(yīng)用產(chǎn)品供各生產(chǎn)企業(yè)和科研單位選用。 采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作和維護(hù)較為方便，電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能較高，精度也達(dá)到了一定的要求。 調(diào)速方案的選擇 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的效果，因此必須根據(jù)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行，取得良好的效果。 改變電樞回路電阻的方法缺點(diǎn)很多，目前較少采用；弱磁調(diào)速調(diào)節(jié)范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用。 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 在 VM 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓 dU 。 ⑴ 調(diào)速范圍 D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比稱為調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 ninnnD max? （ 22） 其中 maxn 和 minn 一般指電機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)輕載的機(jī)械，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。 ⑵ 抗擾性能指標(biāo) ?動(dòng)態(tài)降落 00maxc? 沈陽(yáng)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 8 最大動(dòng)態(tài)降落 maxc? 與原穩(wěn)態(tài)值 ?c 之比。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，沈陽(yáng)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 9 這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。隨著控制理論和單片機(jī)水平的不斷發(fā)展，單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能日益增強(qiáng)，適用的控制規(guī)律也越來(lái)越多，如 PID 調(diào)節(jié)、史密斯 (Smith)預(yù)估控制、最優(yōu)控制、基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計(jì)方法和基于輸入輸出模型的設(shè)計(jì)方法等。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。在上面離散化的過程中，采樣周期 T 必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將 e(kT)簡(jiǎn)化表示成 e(k)，即省去 T。 轉(zhuǎn)速、電流雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析 該系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 33 所示。 ? ? 5%，取電流環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)為 1 z??? 電流調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)為 沈陽(yáng)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 18 sRKK K???? ⑵ 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇 2 0 .0 2 5 4onnIT T T? ? ??? ，取 5 T s? ??? ，即中頻寬 h=5，使 PI 調(diào)節(jié)器將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型 II 型系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的跟隨行和抗干擾性。 電壓比 K=U1/U2=380/120=。 ③關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選的大些。抑制過電壓的方法不外乎三種：用非線性元件限制過電壓的幅度；用電阻消耗產(chǎn)生過電壓的能量；用儲(chǔ)能元件吸收產(chǎn)生過電壓的能量。 ? 直流側(cè)過電壓保護(hù) 直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 四 章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 23 RP =fC 2mU 10 6? =50 106 1202 106= 106W 選 R 為 20Ω普通金屬膜電阻器， 。晶閘管過電流 的保護(hù)的常用措施有快速熔斷器和硒堆保護(hù)等。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 四 章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 24 主電路及保護(hù)電路圖 系統(tǒng)的主電路是晶閘管三相全控橋和直流電動(dòng)機(jī)，保護(hù)電路采用了阻容吸收電路和快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。所以采樣周期不能太小。 開始常量和變量的初始化允許軟件定時(shí)中斷允許外部中斷允許高速輸出中斷打開總中斷讀取各開關(guān)量啟動(dòng)軟件定時(shí)器啟動(dòng) A / D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入待機(jī)方式 如圖 51 主程序框圖 數(shù)字測(cè)速的軟件設(shè)計(jì) 本文采用 M/T39。由此根據(jù)式 (52)即可計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。見圖 53 ⑸ 下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖來(lái)時(shí)，就引起 HSI0 中斷。定時(shí)器 1 在系統(tǒng)中作實(shí)時(shí)時(shí)鐘用，其時(shí)鐘信號(hào)來(lái)自內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生電，每 8 個(gè)狀態(tài)周期計(jì)數(shù)加 1， 80C196KC 的狀態(tài)周期由振蕩器信號(hào) 2 分頻后獲得，采用 16MHz 晶振，其狀態(tài)周期為 125ns。 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)向 控制寄存器分