【正文】 然而再加上 Matlab 軟件仿真 可知：啟動時，讓轉速外環(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)的特性被直觀準確的反應出來，系統(tǒng)運行 穩(wěn) 定 時， 這時 轉速 外 環(huán) 作為主要的結構 ， 用來反應系統(tǒng)的工作狀況。當計數(shù)脈沖周期時鐘信號時，計數(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 AT89C51 直接相連； ，其中 ST 和 OE 為低電平； A、 B、 C 端口上來決定轉換哪一通道； 100ns 寬的正脈沖信號在 ST 端給出； EOC 信號來判定是否轉換完畢； EOC 為高電平時，給 OE 也高電平，轉換的數(shù)據(jù)便能傳給單片機。 圖 51 數(shù)字化雙閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng) 總體設計框圖 從圖中我們可以知道本設計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)轉換器 ADC0809 轉換的數(shù)字電流信號，最后傳給單片機并在顯示器設備上顯示；同理，脈沖發(fā)生序列產(chǎn)生的轉速脈沖信號經(jīng)可編程定時 /計時器 Intel8253 的計數(shù)原理傳給單片機并在顯示器設備上顯示；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。 從圖 44 你可以看到，當 KT = 1，電流超調(diào)量大，但上升時間短。即當 z=0 ， 空 載 啟 動時 計 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。如果額定轉速很低的靜差率都能達到系統(tǒng)的理想要求，那么額定轉速很高時的靜差率更能滿足設計要求，因此可得出結論：靜差率的選擇以最低速時的數(shù)值為準。 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，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，而且特別采用了計算機技術以及其他先進的技術，受到國內(nèi)外各大電氣公司廣泛的應用 [4]。 如果想要得到電流為最大值的恒流系統(tǒng)，而且要實現(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 電流負反饋就能 收獲恒定的電流 。 哈 爾 濱 理 工 大 學 畢 業(yè) 設 計 題 目： 數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計 院、 系： 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 年 月 日 哈爾濱理工大學學士學位論文 I 數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計 摘 要 直流調(diào)速系統(tǒng)是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎，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)點仍然是電機調(diào)速系統(tǒng)的最主要方式。 因此希望輸入端只有 電流負反饋 作用，轉速負反饋不作用。今天，發(fā)達國家基本上已經(jīng)完全落實了數(shù)字化控制雙閉環(huán)。 本 論文 選 用 VM 系統(tǒng) ，因為 VM 系統(tǒng)應用范圍較廣 。 3. 變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍 D、靜差率 s 和轉速降落 n? 之間的關系 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，可認為電動機的額定轉速為最高轉速，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） 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 因此最低轉速 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； 當電流在連續(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 轉速調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR 為了實現(xiàn)快速無靜差，可以將它們均設為比例積分控制規(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，達到要求但有靜差，因此加上積分部分 I 來消除穩(wěn)態(tài)誤差。 計算 電壓的抗擾性能： 0 3 ≈≈∑ilTT ，滿足各項指標 。 由 附錄 中 表 3 可知當 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轉速恒定，電流值小于NI? = 210A，因為 這次是干擾電機的反電勢 [15]。數(shù)字化雙閉環(huán)輸出設備用于結果的輸出 [18]。 哈爾濱理工大學學士學位論文 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 本章首先主要介紹了數(shù)字化雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的總體設計方案，并對 AT89C51 單片機的引腳功能和工作原理進行了詳細的介紹。 哈爾濱理工大學學士學位論文 28 致謝 首先，非常感謝我的指導老師侯甲童老師，是侯老師的悉心指導才使我順利的完成此次畢業(yè)設計，侯老師 學識淵博，為人和藹可親。 運用計算機控制后，使得調(diào)速系統(tǒng)變?yōu)閿?shù)字化控制，用單片機控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有很多優(yōu)點，例如：性價比高、精確度特別高、較高的系統(tǒng)可靠性，方便簡單的制作操作、電機運行的動態(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 計數(shù)方式。 ADC0809 是 具備 A/D 轉換器 為 8 位 、多路開關 為 8 路 ，它是可以和單片機直接接口。 故 數(shù)字化雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的總體設計框圖如圖 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 應該回歸計算飽和超調(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 電壓響應超前電流的環(huán)節(jié)，屬于 純滯后環(huán)節(jié)。 (2) 恢復時間 vt 標準階躍函數(shù)使用時從第一次出現(xiàn)擾動作用開 始，最后到輸出量達到穩(wěn)定值，與新穩(wěn)態(tài)值 ∞C 的差值在某個基準值 bC 的 5177。 因此可得出結論 ,D 和 s 這兩項指標不能單獨存在的，在調(diào)速過程中， 讓額定轉速降落相同，則降低轉速，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 的控制電壓來達到 改變 dU ，從而實現(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)達國家，為了實現(xiàn)數(shù)字化不斷發(fā)展。 通過學習《運動控制系統(tǒng)》， 我們知道 單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用 轉速負反饋和 PI 調(diào)節(jié)器 可以達到轉速無靜差，但是必須保證系統(tǒng)是在穩(wěn)定運行的條件 。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)有著很多獨特的優(yōu)點：可以實現(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， 當轉速達到穩(wěn)定轉速時 ， 我們 希望只 需要 轉速負反饋 起作用， 電流負反饋 不 發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán) 直流電機調(diào)速 系統(tǒng) [1]。 本文主要研究內(nèi)容 根據(jù)本論文的設計要點，應從以下幾個方面來設計分析： 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)結構圖 4. 應用 Matlab 軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正 5. 仿真：運用 Simulink 工具箱對系統(tǒng)進行仿真，獲得系統(tǒng)的模型圖和動態(tài)響應圖。 哈爾濱理工大學學士學位論文 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 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括跟隨性能指標 (對給定輸入信號 )和抗擾性能指標 (對擾動輸入信號 )。 一般來說，對于各種動態(tài)指標的要求在實際控制系統(tǒng)中的應用各有不同，調(diào)速系統(tǒng)中的跟隨性能指標主要應用于隨動系統(tǒng)，抗擾性能指標應用于動態(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)飽和度計算超調(diào)量 滿足 設計 要求 [13]。 轉速環(huán)（雙閉環(huán)）的系統(tǒng)仿真 由于雙閉環(huán)中的電流環(huán)可以看成是轉速環(huán)的一個子環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)的仿真模型便是整個雙閉環(huán)的仿真模型；轉速環(huán)的仿真結果便是整個雙閉環(huán)的仿真結果。 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學士學位論文 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]。 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 轉換的啟動信號開始端； 8. ALE：地址鎖存信號輸入端； 9. EOC：轉換結束信號輸出端，轉換前為低電平，轉換后為高電平； 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)總線轉換的結果 [ 21 ]。 然后本章又分別對模數(shù)轉換器 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。在整個 畢設過程中給了我很多寶貴的意見，侯老師不但在學術方面為人師表 ,在生活上也給了我很多幫助 ,在教導我學習科學知識的同時還教導我如何為人處世。所以要特別學好雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的根本構成。 圖 55 intel8253 芯片的內(nèi)部結構圖 哈爾濱理工大學學士學位論文 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