【正文】 ... 26 結(jié)論 .................................................................................................................... 27 致謝 .................................................................................................................... 28 參考文獻 ............................................................................................................ 29 附錄 .................................................................................................................... 31 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 課題研究的背景和意義 對于平滑調(diào)速范圍較廣 、 起制動性能較好的 直流電動機 來說 ，在 各個方面 中 都被認可，并且應(yīng)用范圍較廣 。為了方便，直流調(diào)速系統(tǒng)運用數(shù)字化控制，數(shù)字化控制憑借著體積小、實現(xiàn)方便的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 直流電動機；調(diào)速； PI 控制；雙閉環(huán)； 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II Design of Digital Double Closedloop DC Generator Speed Regulation System Abstract DC speed regulating system is AC speed regulation system based, although AC speed regulation system in today39。直流調(diào)速 有很多優(yōu)點，例如：直流調(diào)速的抗干擾能力特別強 、 調(diào)速范圍特別廣 、動態(tài)響應(yīng) 快速等 。 首先在直流調(diào)速系統(tǒng)的初期，模擬電子器件被作為控制回路， 如晶體管等， 盡管也滿 足了要求，然而模擬電子器件 在使用中 易老化、通用性變差， 控制 系統(tǒng)效果較差，使控制性能普遍偏低。雖然交流電機調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展速度很快，技術(shù)也越來越成熟，然而直流調(diào)速系統(tǒng)仍被大量使用，歸因于直流電動機的調(diào)速性能出奇的好，而且交流調(diào)速系統(tǒng)原理的最基礎(chǔ)知識就是直流調(diào)速系統(tǒng) [3]。 2. 減小磁通的調(diào)速控制方法。此系統(tǒng) 適 宜要求調(diào)速低的 可逆運行系統(tǒng)， 然而系統(tǒng)的效率低下，體積也大，維護不合適。下圖 21 為 三相橋式全控整流電路原理圖。 圖 22 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率 從圖 22 可以看出 ba nn Δ=Δ ,兩者的機械特性硬度是相同的 ,但是理想空載轉(zhuǎn)速 ba nn? ,所以 ba ss ,可見靜差率不同，因此可知道靜差率和機械特性是不一樣的。 (2) 超調(diào)量 σ 和峰值時間 pt 輸出量到達峰值 maxC 時的時間為峰值時間 pt 。一般來說，我們用 100max Δ∞CC %來表示 ，或者選用某個基準值bC ，然后用 %100max ??bCC 來表示。因此我們可以知道雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的主要 工作原理是：當(dāng)處于起動過程時只有電流負反饋作用。 將上式 （ 213） 進行 拉氏變換可得電勢比電流的傳函為下式 （ 214） ： sTRsIsI sE mdLd =)()( )( （ 214） 上式 （ 214）中 的mLdL CTI = 為負載電流 ，單位是 A。其次本章又闡述了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)。靜態(tài)指標(biāo)滿足無靜差，動態(tài)指標(biāo)滿足電流的超調(diào)量 σ 小于等于 5%。 2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計 首先需要知道設(shè)計的指標(biāo)，有靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)。 最后檢驗轉(zhuǎn)速 的 超調(diào)量 大小可知 當(dāng) h=5 時，由附錄中表 2 可知%=nσ ， 我們不能滿足設(shè)計要求，事實上， 這種計算是基于線性系統(tǒng)的計算，并給出了突然躍變， ASR 飽和。 表 41 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中傳遞函數(shù)中的參數(shù)值 onT oiT sK sT lT R mT ? ? 60 電流環(huán)的系統(tǒng)仿真 通過學(xué)習(xí) Matlab 咱們知曉要實現(xiàn) 系統(tǒng)仿真需按下列步驟進行，即建立設(shè)定模型參數(shù)，仿真分析結(jié)果。 圖 44 電流環(huán)超調(diào)量較大的仿真結(jié)果 電流環(huán)的仿真結(jié)果分析 由圖 42 可以看到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 45 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型 轉(zhuǎn)速環(huán)（雙閉環(huán)）的仿真結(jié)果 本轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也采用 PI 調(diào)節(jié)器，按照上面所計算的結(jié)果來對轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計仿真，由圖 45 知 Step1 模塊用來輸入負載電流，當(dāng) KT= 時，轉(zhuǎn)速環(huán)的 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ? ，把結(jié)束時間設(shè)為 1s，得到雙閉環(huán)的響應(yīng)曲線如圖 46 所示。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 第 5章 數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 總體設(shè)計方案 該系統(tǒng)是由單片機 AT89C51 控制 ，其中雙閉環(huán)中的電流環(huán)是用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 將交流互感器產(chǎn)生的電流反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳給單片機的；而雙閉環(huán)中的轉(zhuǎn)速環(huán)是用可編程的定時 /計數(shù)器 Intel8253 將脈沖發(fā)生序列產(chǎn)生的脈沖信號轉(zhuǎn)換為單片機能夠識別的數(shù)字信號，最后 發(fā) 給單片機。 2. P1 口（ 18） ： Pl 口是一個 8 位 的 雙向 I/O 口， 內(nèi)部擁有上拉電阻。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 的工作原理 ADC0809 型號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在本系統(tǒng)中用于將電樞電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過交流互感器作為檢測元件將三相交流電經(jīng)整流分壓濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的數(shù)字信號， 實現(xiàn)單片機雙閉環(huán)電流控制回路 。對于 NMOS 管構(gòu)成的可編程定時器 /計數(shù)器是 Intel8253，它能迅速的將脈沖發(fā)生序列轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的脈沖發(fā)生序列與 AT89C51 單片機相連接實現(xiàn)單片機控制雙閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速環(huán)。 圖 55 intel8253 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 3. Intel8253 芯片中的各個通道有 6 種不同執(zhí)行功能的通道 工作 模式，模式 0（計數(shù)結(jié)束中斷工作模式）；模式 1（工作脈沖發(fā)生器可編程的模式）；模式 2（速度波發(fā)生器模式）；模式 3（輸出的方波信號發(fā)生器的工作模式）；模式 4（軟件觸發(fā) 計數(shù)工作）；模式 5（硬件觸發(fā)計數(shù)工作）；通過這些模式完成各種特殊功能，計時，計數(shù)等。 再 用 matlab 仿真 軟件 對雙閉環(huán)中的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進行建模仿真，從而獲得理想的波形圖。所以要特別學(xué)好雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的根本構(gòu)成。此外，我深深的體會到同學(xué)間的友誼和互助對于一個個體代表的是什么。在整個 畢設(shè)過程中給了我很多寶貴的意見，侯老師不但在學(xué)術(shù)方面為人師表 ,在生活上也給了我很多幫助 ,在教導(dǎo)我學(xué)習(xí)科學(xué)知識的同時還教導(dǎo)我如何為人處世。 3. 再次本文又詳細的介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法，并且舉例計算說明滿足靜態(tài)性能和動態(tài)性能的必要條件。 然后本章又分別對模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC080可編程的定時 /計數(shù)器Intel8253 的引腳功能和工作原理進行了詳細的介紹。 圖 54 intel8253 的功能引腳圖 從圖中我們可以知道可編程定時 /計數(shù)器 Intel8253 的 24 個引腳分別為： （ 1.） D0D7：數(shù)據(jù)總線緩沖器（ 8 位雙向三態(tài)輸出）； （ 2.） CLK：計數(shù)脈沖的時鐘信號端，有三個通道（ 0、 2）； （ 3.） OUT：計數(shù)值為 0 時輸出一個脈沖；有三個通道（ 0、 2）； （ 4.） GATE：門控信號允許端，當(dāng)門控信號為 1 時，允許計數(shù)，也有三個通道（ 0、 2）； 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 （ 5.） GND：接地引腳； （ 6.） VCC：電源端； （ 7.） /CS：片選信號，低電平有效； （ 8.） /RD：讀信號，低電平有效； （ 9.） /WR：寫信號，低電平有效； 當(dāng) A1A0 的端口信號分別為 00、 0 11 時，將有不同的功能控制，其中可將 WR、 RD、 CS 設(shè)為不同電平與 A1A0 端口配合使用，如下表 53 所示為不同工作方式的控制功能表。 圖 53 ADC0809 的功能引腳圖 從圖中我們可以知道 ADC0809 芯片的引腳功能如下： 1. .IN0IN7： 8 位模擬量輸入通道引腳； 2. AD0AD7： 8 位數(shù)字量輸出通道引腳； 3. VCC： +5V 電源； 4. GND：接地引腳； 5. REF（ +）：參考電壓的正極端； 6. REF（ ）：參考電壓的負極端； 7. START： A/D 轉(zhuǎn)換的啟動信號開始端； 8. ALE：地址鎖存信號輸入端； 9. EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，轉(zhuǎn)換前為低電平，轉(zhuǎn)換后為高電平； 10. OE：輸出允許控制端， 用于三態(tài)輸出鎖存器的輸出； 11. CLK：時鐘信號輸入端； 12. A、 B、 C：地址輸入線的通道選擇表；它由一個 A、 B， C 三位地址鎖存、譯碼輸出通道選擇， OE 直接連接到系統(tǒng)總線轉(zhuǎn)換的結(jié)果 [ 21 ]。 6. /PSEN（ 29） ： 外部程序存儲器的選通信號 功能鍵，低電平有效 。 單片機 AT89C51 的工作原理 本 論 文選用 AT89C51 單片 機， 因為 AT89C51 單片機的性價比特別哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 高，屬于 MCS51 系列的主流產(chǎn)品，被國內(nèi)外各大電氣公司爭相使用，AT89C51 單片機有很多優(yōu)點， 其主要 優(yōu)點 有 ： 1. 5 個中斷源 ； 2. 內(nèi)部 RAM 為 128*8 位，內(nèi)部空間特別大； 3. 壽命 ：可以 循環(huán) 寫 /擦 1000 次，而且性能也不會變差； 4. 可編程閃爍存儲器有 4K 字節(jié)，在 MCS51 系列中算是大的； 5. 有兩個 16 位定時 /計數(shù)器，功能強大； 6. 數(shù)據(jù)可以存在 ROM 中，數(shù)據(jù)是不易丟失的，可保留數(shù)據(jù)長達十年之久； 7. 可編程的 I/O 均是 32 位的，而且串行通道可編程； 8. 掉電模式低功耗； 9. 與 MCS51 能夠一起使用，不會產(chǎn)生排斥 [19]。 轉(zhuǎn)速環(huán) (雙閉環(huán) )的仿真結(jié)果分析 由圖 46 可以看出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速最終達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速環(huán)（雙閉環(huán)）的系統(tǒng)仿真 由于雙閉環(huán)中的電流環(huán)可以看成是轉(zhuǎn)速環(huán)的一個子環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型便是整個雙閉環(huán)的仿真模型；轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真結(jié)果便是整個雙閉環(huán)的仿真結(jié)果。 圖 42 電流環(huán)仿真結(jié)果 當(dāng) KT= 時，按照上面所計算的方法重新計算可得 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ? ， 本案的電流回路無超調(diào)，但這是一個很長的上升時間 。 顯而可 見 根據(jù)飽和度計算超調(diào)量 滿足 設(shè)計 要求 [13]。 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 2_2_222 62 1 ssThhK nN ???????，所以ASR 的比例系數(shù) )1( ????? ??????? n men RTh TChK ? ?。然后計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，由于要求σ 小于等于 5%，可 選擇 ∑ iITK =，因此 ????? sTK iI。系統(tǒng) 以 “先內(nèi)環(huán)后外環(huán) ”的設(shè)計 規(guī)范 ，即 先規(guī)劃 內(nèi)環(huán)（ 電流環(huán) ） ， 漸漸的 向外 規(guī)劃 ， 而 后把電流環(huán)看做成系統(tǒng)的一個 子 環(huán)節(jié)，再 規(guī)劃外環(huán)（ 轉(zhuǎn)速 環(huán)） 。其傳函見式（ 216）： ssKsW PPI ττ 1)( += （ 216） 其中 PK 表示 PI 調(diào)節(jié)器的比例放大倍數(shù)， τ 表示 PI 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。下圖 25 為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖 。 一般來說，對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求在實際控制系統(tǒng)中的應(yīng)用各有不同，調(diào)速系統(tǒng)中的跟隨性能指標(biāo)主要應(yīng)用于隨動系統(tǒng)，抗擾性能指標(biāo)應(yīng)用于動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng) [8]。 包含 系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。 調(diào) 速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括跟隨性能指標(biāo) (對給定輸入信號 )和抗擾性能指標(biāo) (對擾動輸入信號 )。即要求最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之間的范圍差距有多大 ,是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)運行的時間是否合適，為了有較高 的生產(chǎn)率，對于經(jīng)常起 /制動的設(shè)備可以使其加減速快一些，突加負載時波動的允許值，精度的大小等。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 在 VM 系統(tǒng)中， 變化 給定電壓 的數(shù)值 ， 便可改變 觸發(fā)裝置 GT 的 輸出脈沖相位，從而改變整流器的輸出 量值 dU 。 將此三種方法進行比較可知改變電樞回路電阻的控制方法缺點非常多，因此一般不采用；減