【正文】 和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，電流調(diào)節(jié)器ACR,觸發(fā)系統(tǒng)GT、電流傳感器TA、測(cè)速發(fā)電機(jī)TG等組成。二、直流電機(jī)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介 該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調(diào)速方式，即用電流環(huán)和速度環(huán)共同完成對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。這樣系統(tǒng)不僅能控制轉(zhuǎn)速，而且能控制電流，充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這樣，就巧妙地利用了速度調(diào)節(jié)器的飽和非線(xiàn)性，在一段時(shí)間內(nèi)使它的作用隔斷，使系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程中基本上表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡(jiǎn)稱(chēng)混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)PLC,PLC自1966年出現(xiàn)，美國(guó)，日本，德國(guó)的可編程控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良，功能強(qiáng)大。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。 PLC的工作原理a、掃描技術(shù)　當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線(xiàn)圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線(xiàn)圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。e、功能模塊如計(jì)數(shù)、定位等功能模塊。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以?huà)呙璧姆绞浇邮宅F(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。早期的可編程控制器稱(chēng)作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。從電流升到最大值Idm開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是起動(dòng)過(guò)程的主要階段。因此，在整個(gè)升速過(guò)程中，速度環(huán)一直處于飽和，這相當(dāng)于使速度環(huán)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)只在電流環(huán)的恒值作用下以最大電流起動(dòng)。速度外環(huán)和一般的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)并無(wú)根本的區(qū)別，所不同的是速度調(diào)節(jié)器的輸出為Ugi ，在這里并不直接推動(dòng)后面的放大器，而是作為電流環(huán)的給定值。由于典型I型系統(tǒng)的抗十?dāng)_恢復(fù)時(shí)間比較短，所以電流校正成典型I型系統(tǒng)。一、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)見(jiàn)圖1。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流是不能突變的。并且在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，朱樹(shù)先老師不斷對(duì)我得到的結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，并提出新的問(wèn)題，使得我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題能夠深入地進(jìn)行下去，也使我接觸到了許多理論和實(shí)際上的新問(wèn)題，使我做了許多有益的思考。而且隨著PLC技術(shù)的進(jìn)步，新型PLC速度大大加快，用PLC實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制已完全可能。Un*為0？Y電流調(diào)節(jié)器輸出鎖0N反饋電流是否小于Y 進(jìn)行I運(yùn)算NUn*進(jìn)行PI運(yùn)算數(shù)字觸發(fā)器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速圖48 電流環(huán)子程序流程圖轉(zhuǎn)速環(huán) M8000SPDFNC56X1K2D8圖45 電流檢測(cè)環(huán)節(jié)梯形圖 PID控制子程序PLC在雙閉環(huán)DDC直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字PID控制。在PLC中，設(shè)有“速度檢測(cè)”功能指令，它可測(cè)出10ms內(nèi)的脈沖數(shù)，并將其送給PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器用于速度控制。初始化電流環(huán)采樣時(shí)間到？轉(zhuǎn)速采樣時(shí)間到？數(shù)字PI控制數(shù)字I控制數(shù)字PI控制數(shù)字觸發(fā)器故障自診斷轉(zhuǎn)速顯示反饋電流小于？NNYYYN圖41 主程序流程圖 速度初始化子程序速度給定信號(hào)是調(diào)速系統(tǒng)的主令控制信號(hào)，模擬系統(tǒng)中常用電位器調(diào)節(jié)給出；在PLC構(gòu)成的DDC系統(tǒng)中，例如要實(shí)現(xiàn)圖42所示的軟起動(dòng)數(shù)字給定，可利用圖43的梯形圖。本文設(shè)計(jì)采用了模塊化的方式，將主程序根據(jù)功能分成了各個(gè)子程序，使條理更清晰，也便于程序的書(shū)寫(xiě)與調(diào)試。CPU模塊和擴(kuò)展模塊用扁平電纜連接。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔?，因此二極管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。本設(shè)計(jì)采用的是KC系列的三相全控橋式整流電路的集成觸發(fā)器KC04作為三相整流電路的觸發(fā)電路。簡(jiǎn)單地說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。 過(guò)電壓保護(hù)的第一種方法是并接R—C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線(xiàn)性元件加以抑制。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間承受反向電壓并且門(mén)極不管加不加觸發(fā)信號(hào)晶閘管關(guān)斷 。這就是保證了在延遲和非延遲兩路信號(hào)采樣保持完成以后，才開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。非正交方式采集時(shí)，ADC由正常采樣時(shí)序NSH啟動(dòng)并同步，采樣控制時(shí)序SHC1S和SHC2完全一樣。采集時(shí)序控制電路產(chǎn)生采集過(guò)程中所需的各種控制時(shí)序信號(hào)，采集所需的基本時(shí)序由定時(shí)器INTEL8253產(chǎn)生。然后CPU返回到用戶(hù)程序繼續(xù)執(zhí)行。CPU響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)入管理程序入口。接口部件的功能就是進(jìn)行外設(shè)與CPU之間的信息轉(zhuǎn)換，使其形式上能互相適應(yīng)，速度上能互相匹配。I/O接口通常是指主機(jī)與外部設(shè)備之間設(shè)置的硬件電路及其相應(yīng)的軟件控制。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)經(jīng)常會(huì)疊加有高頻的噪聲信號(hào)，這時(shí)就需要進(jìn)行低通濾波。因此，可以同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)可以用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電編碼器來(lái)測(cè)量。在三相橋式整流電路中，交流側(cè)的電流與直流整流電路之間的關(guān)系如下： ()因此測(cè)量交流電流的大小同樣可以反應(yīng)直流整流電流的大小。用于測(cè)量DC1kHz的各種波形電流。用于測(cè)量4020kHZ的正弦波電流。電路中的電抗器是為了濾除晶閘管橋式電路的高次諧波干擾，改善電機(jī)運(yùn)行性能。直流電動(dòng)機(jī)為15kw，220V，1500r/min。從概略圖可知，本系統(tǒng)基本由四部分組成，分別是PLC CPU主機(jī)部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、電流檢測(cè)部分和速度檢測(cè)部分，下面分別加以說(shuō)明。（1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿(mǎn)足。 轉(zhuǎn)速環(huán)（ASR）的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為；（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為： ()選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：；電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：因?yàn)橐螅蕬?yīng)取，因此 ()于是，ACR的比例系數(shù)為。CPU進(jìn)入RUN方式后首次使PID塊有效，沒(méi)有檢測(cè)到使能位的正跳變，那么就沒(méi)有無(wú)擾動(dòng)切換的動(dòng)作?；诖耍苌龆喾N改進(jìn)的PID算法，提高系統(tǒng)的性能。首先把微分時(shí)間D設(shè)置為0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿(mǎn)意的調(diào)節(jié)效果。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用PID控制技術(shù)。 控制方法的確定算法是對(duì)特定問(wèn)題求解步驟的一種描述，它是指令的有限序列，其中每一條指令表示一個(gè)或多個(gè)操作。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。電流環(huán)校正成典型Ⅰ型。二者之間實(shí)行嵌套連接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。采用了精簡(jiǎn)化的編程語(yǔ)言，編程出錯(cuò)率大大降低。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。特別是晶閘管與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、控制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于PLC的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程控制器（PLC）的功能更加完善，應(yīng)用更為廣泛，基于PLC的控制系統(tǒng)漸漸成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。比如軋鋼分廠(chǎng)的可逆軋鋼機(jī)、機(jī)修分廠(chǎng)的龍門(mén)創(chuàng)床那樣需要經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡可能地縮短直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的一個(gè)重要因素。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合，直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機(jī)床，大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)、城市電車(chē)等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速,，故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。除上述優(yōu)點(diǎn)外，PLC具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的能力，因而，PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制化專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的控制裝置，具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言和更可靠的硬件。PLCA/D電流反饋電動(dòng)機(jī)數(shù)字觸發(fā)器數(shù)字PI數(shù)字PI＋D/AU1Un*U1*－Uk*數(shù)字給定＋－Un數(shù)字I電流自適應(yīng)環(huán)節(jié)速度反饋圖21 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動(dòng)，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。調(diào)速方式的選擇直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓平衡方程為 () 電樞反電勢(shì)為 ()由此得到轉(zhuǎn)速特性方程如下 ()由轉(zhuǎn)速特征方程可以看出，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有如下3種：（1）調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。所以本次設(shè)計(jì)采用調(diào)壓調(diào)速。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。如果在上述調(diào)整過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿(mǎn)意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，有時(shí)僅僅靠調(diào)整PID參數(shù)難以同時(shí)滿(mǎn)足各項(xiàng)靜動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)。PID指令對(duì)回路表中的值進(jìn)行下列動(dòng)作，以保證當(dāng)使能位正跳變出現(xiàn)時(shí)，從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)切換到自動(dòng)方式：置給定值（SPn)過(guò)程變量（PVn）l 置過(guò)量變量前值（PVn1）過(guò)程變量現(xiàn)值（PVn）l 置積分項(xiàng)前值（MX）輸出值（Mn）PID使能位的默認(rèn)值是1，在CPU啟動(dòng)或從STOP方式轉(zhuǎn)到RUN方式時(shí)建立。確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。現(xiàn)在，滿(mǎn)足近似條件。 ()校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率。第3章 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖31為控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，表示了系統(tǒng)的基本組成電路和各部分之間的主要關(guān)系，箭頭表示信息的流向。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸出0~10V模擬電壓給晶閘管觸發(fā)板的電壓輸入端。晶閘管觸發(fā)板控制6只晶閘管觸發(fā)脈沖的移相，改變每周期內(nèi)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出直流電壓的平均值，進(jìn)而調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 電流互感器電流互感器就是初次級(jí)繞組通過(guò)鐵芯進(jìn)行電磁耦合，初次級(jí)電流比與匝比相同。對(duì)該電壓（mV級(jí)）進(jìn)行放大輸出，就是跟蹤輸出型直檢式霍爾電流傳感器，也可以轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。綜上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電流檢測(cè)的應(yīng)該選用的方法是用電流互感器作為電流反饋信號(hào)的檢測(cè)器。整形電路使脈沖信號(hào)升沿符合輸入采樣要求，放大電路使脈沖信號(hào)電平符合PLC高速計(jì)數(shù)輸入電平的要求，高電平不低于15V。增量式光電編碼器輸出的是與轉(zhuǎn)角成比例的增量脈沖信號(hào)，可以通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)獲得角位置信號(hào)，也可以定時(shí)取樣脈沖數(shù)的增量實(shí)現(xiàn)角速度測(cè)量。其中讀取數(shù)據(jù)部分放在一個(gè)循環(huán)中，設(shè)置和終止任務(wù)放在循環(huán)的外面，這樣就避免了在同一個(gè)任務(wù)中重復(fù)設(shè)置占用內(nèi)存；在前面板上設(shè)置合適的采樣通道、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)以及輸入范圍的最大值最小值。