【正文】 然而再加上 Matlab 軟件仿真 可知：啟動時，讓轉(zhuǎn)速外環(huán) 處于 飽和狀態(tài) ，電流內(nèi)環(huán)起主要作用， 使得雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特性被直觀準(zhǔn)確的反應(yīng)出來，系統(tǒng)運(yùn)行 穩(wěn) 定 時， 這時 轉(zhuǎn)速 外 環(huán) 作為主要的結(jié)構(gòu) ， 用來反應(yīng)系統(tǒng)的工作狀況。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖周期時鐘信號時，計(jì)數(shù)就 作為 定時 器控制 [22]。它有很多功能，其主要功能有： ，可以與單片機(jī) AT89C51 直接相連； ，其中 ST 和 OE 為低電平； A、 B、 C 端口上來決定轉(zhuǎn)換哪一通道； 100ns 寬的正脈沖信號在 ST 端給出； EOC 信號來判定是否轉(zhuǎn)換完畢； EOC 為高電平時，給 OE 也高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)便能傳給單片機(jī)。 圖 51 數(shù)字化雙閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì)框圖 從圖中我們可以知道本設(shè)計(jì)是通過利用通信接口和鍵盤的輸入來控制從電流互感器經(jīng)整流濾波再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 轉(zhuǎn)換的數(shù)字電流信號，最后傳給單片機(jī)并在顯示器設(shè)備上顯示；同理，脈沖發(fā)生序列產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)可編程定時 /計(jì)時器 Intel8253 的計(jì)數(shù)原理傳給單片機(jī)并在顯示器設(shè)備上顯示；晶閘管整流裝置也是經(jīng)過整流分壓濾波最后將直流電流信號傳給單片機(jī)。 從圖 44 你可以看到，當(dāng) KT = 1，電流超調(diào)量大，但上升時間短。即當(dāng) z=0 ， 空 載 啟 動時 計(jì) 算。電流環(huán)小時間常數(shù)之和 ∑iT= sT + oiT =。 而失控時間是影響這個 滯后 作用的主要因素 。 %或 (177。如果額定轉(zhuǎn)速很低的靜差率都能達(dá)到系統(tǒng)的理想要求，那么額定轉(zhuǎn)速很高時的靜差率更能滿足設(shè)計(jì)要求，因此可得出結(jié)論：靜差率的選擇以最低速時的數(shù)值為準(zhǔn)。 3. PWM 脈寬調(diào)制交換器， 這種方法是 用 某一特 定直流或不可控 的整流電源 來供電的，然后通過 PWM 生成 可 調(diào) 的電壓 ，然而元器 件 易受很多因素的影響，此系統(tǒng)在 中、小功率的系統(tǒng) 中受到歡迎 。 國外的發(fā)展現(xiàn)狀 從 1980 年起，數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)在對全世界的公司影響非常深遠(yuǎn)，故直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展提高了很多；在國外，采用電 源換相的控制方式，而且特別采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)以及其他先進(jìn)的技術(shù)，受到國內(nèi)外各大電氣公司廣泛的應(yīng)用 [4]。 如果想要得到電流為最大值的恒流系統(tǒng)，而且要實(shí)現(xiàn)在很短的時間內(nèi)快速啟動，可以 按照反饋 系統(tǒng)的 控制規(guī)律， 選取 電流負(fù)反饋就能 收獲恒定的電流 。 哈 爾 濱 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： 數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院、 系： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 年 月 日 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 直流調(diào)速系統(tǒng)是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，雖然交流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)今發(fā)展迅猛，但是直流調(diào)速系統(tǒng)憑借著控制特性良好的優(yōu)點(diǎn)仍然是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最主要方式。 因此希望輸入端只有 電流負(fù)反饋 作用，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不作用。今天，發(fā)達(dá)國家基本上已經(jīng)完全落實(shí)了數(shù)字化控制雙閉環(huán)。 本 論文 選 用 VM 系統(tǒng) ，因?yàn)?VM 系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣 。 3. 變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍 D、靜差率 s 和轉(zhuǎn)速降落 n? 之間的關(guān)系 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，可認(rèn)為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)在最低速時的靜差率 s 見下式（ 25）： NNN nn nnns Δ+Δ=Δ=m i nm i n0 （ 25） 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 因此最低轉(zhuǎn)速 minn 為下式（ 26）： NNN ns snsnn ???????? 1m in (26） 而調(diào)速范圍 D 為 : minminmax nnnnD N== 將上面幾式聯(lián)立可得下式（ 27）： )1( sn snD NNΔ= （ 27） 由上式知，在一個調(diào)速系統(tǒng)中，讓轉(zhuǎn)速降落一定，若靜差率 s 的值變小 ,調(diào)速范圍 D 也變小 [7]。2%)范圍之內(nèi)所經(jīng)過的時間我們稱之為恢復(fù)時間 vt 。 咱們可以按mfTs 1max =這個公式來表示，由公式可以看出 最大失控時間 與 交流電源頻率 f 和 一周內(nèi)整流電壓的脈動波數(shù) m 有關(guān)； 當(dāng)電流在連續(xù)的狀態(tài)下，我們可把晶閘管整流觸發(fā)裝置看成一階慣性環(huán)節(jié)，因此它的傳函可寫成下式（ 215）； sTKsW Sss +≈ 1)( （ 215） PI 調(diào)節(jié)器的傳函 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR 為了實(shí)現(xiàn)快速無靜差，可以將它們均設(shè)為比例積分控制規(guī)律，即兩個調(diào)節(jié)器的比例部分 P 能使控制作用迅速的被響應(yīng)，達(dá)到要求但有靜差，因此加上積分部分 I 來消除穩(wěn)態(tài)誤差。 計(jì)算 電壓的抗擾性能： 0 3 ≈≈∑ilTT ，滿足各項(xiàng)指標(biāo) 。 由 附錄 中 表 3 可知當(dāng) h=5 時，% =Δ bCC ， mnNNbn TTnnzCC ∑ΔΔ= ))((2 m a x λσ ， 由 節(jié) 的 數(shù) 據(jù) 可 知%10% 1 7 0 0 01 3 4 0% ????????n? 。三個數(shù)字的比較可以發(fā)現(xiàn)在第二階段增加電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，電流值小于NI? = 210A，因?yàn)?這次是干擾電機(jī)的反電勢 [15]。數(shù)字化雙閉環(huán)輸出設(shè)備用于結(jié)果的輸出 [18]。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 ADC0809 芯片的 28 腳的雙列直插式封裝，其引腳功能如圖 53 所示來表示 。 本章小結(jié) 本章首先主要介紹了數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并對 AT89C51 單片機(jī)的引腳功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 致謝 首先，非常感謝我的指導(dǎo)老師侯甲童老師，是侯老師的悉心指導(dǎo)才使我順利的完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，侯老師 學(xué)識淵博，為人和藹可親。 運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制后，使得調(diào)速系統(tǒng)變?yōu)閿?shù)字化控制，用單片機(jī)控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：性價(jià)比高、精確度特別高、較高的系統(tǒng)可靠性，方便簡單的制作操作、電機(jī)運(yùn)行的動態(tài)性能較高等。 4. Intel8253 芯片中 具有 3 個 各自工作 的計(jì)數(shù)通道， 它們都 采用 門控信號有效時，每輸入一次脈沖作 減 1 的 計(jì)數(shù)方式。 ADC0809 是 具備 A/D 轉(zhuǎn)換器 為 8 位 、多路開關(guān) 為 8 路 ，它是可以和單片機(jī)直接接口。 故 數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 51 所示。 從圖 43 你可以看到， KT = ，目前無超調(diào)，但較長的上升時間。 ASR 應(yīng)該回歸計(jì)算飽和超調(diào)。 其次由 節(jié) 中給出的各個參數(shù)可知 sT =，電流濾波時間常數(shù)oiT 滿足三相橋式電路每個波頭的時間是 ，因此 oiT =2ms=。 晶閘管觸發(fā)裝置的整流傳函 晶閘管觸發(fā)裝置的整流環(huán)節(jié) 在一定的工作范圍內(nèi) 可看成 是一個 電壓響應(yīng)超前電流的環(huán)節(jié)，屬于 純滯后環(huán)節(jié)。 (2) 恢復(fù)時間 vt 標(biāo)準(zhǔn)階躍函數(shù)使用時從第一次出現(xiàn)擾動作用開 始，最后到輸出量達(dá)到穩(wěn)定值，與新穩(wěn)態(tài)值 ∞C 的差值在某個基準(zhǔn)值 bC 的 5177。 因此可得出結(jié)論 ,D 和 s 這兩項(xiàng)指標(biāo)不能單獨(dú)存在的，在調(diào)速過程中， 讓額定轉(zhuǎn)速降落相同，則降低轉(zhuǎn)速，靜差率就會變大。 2. 靜止 變流裝置（ VM 系統(tǒng) )， 此方式是 通過 去 調(diào)節(jié) 晶閘管的 觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來達(dá)到 改變 dU ，從而實(shí)現(xiàn) 調(diào)速系統(tǒng)的 平滑調(diào) 節(jié) ， 此方法快速性能 、 動態(tài)性能較好。在中國，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展時期，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制也已經(jīng)基本成熟，然而時下還在趕超著發(fā)達(dá)國家，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化不斷發(fā)展。 通過學(xué)習(xí)《運(yùn)動控制系統(tǒng)》， 我們知道 單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器 可以達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差，但是必須保證系統(tǒng)是在穩(wěn)定運(yùn)行的條件 。為了消掉干擾，直流調(diào)速系統(tǒng)采用了閉環(huán)系統(tǒng)，而在很多種閉環(huán)系統(tǒng)中，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有著很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差、良好的靜動態(tài)性能被廣泛使用。因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器不能同時加到一個 調(diào)節(jié)器的輸入端， 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時 ， 我們 希望只 需要 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 起作用， 電流負(fù)反饋 不 發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán) 直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng) [1]。 本文主要研究內(nèi)容 根據(jù)本論文的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，應(yīng)從以下幾個方面來設(shè)計(jì)分析： 1. 雙閉環(huán)直流調(diào)速的幾種控制方法，選擇最優(yōu)控制 2. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型 3. 分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，并畫出其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 4. 應(yīng)用 Matlab 軟件對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正 5. 仿真：運(yùn)用 Simulink 工具箱對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，獲得系統(tǒng)的模型圖和動態(tài)響應(yīng)圖。 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 。 調(diào) 速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 直流電機(jī)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 )。 一般來說，對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求在實(shí)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]。其傳函見式（ 216）： ssKsWPPI 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)。然后計(jì)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 0 3 ????? sTK iI。 顯而可 見 根據(jù)飽和度計(jì)算超調(diào)量 滿足 設(shè)計(jì) 要求 [13]。 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。 單片機(jī) AT89C51 的工作原理 本 論 文選用 AT89C51 單片 機(jī)， 因?yàn)?AT89C51 單片機(jī)的性價(jià)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(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)， 其主要 優(yōu)點(diǎn) 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(jì)數(shù)器，功能強(qiáng)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(dá)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]。 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(fù)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 ]。 然后本章又分別對模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC080可編程的定時 /計(jì)數(shù)器Intel8253 的引腳功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。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。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。 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