【文章內(nèi)容簡介】 測速方法的確定和實現(xiàn) M法又稱又稱測頻法，其測速原理是在給定的檢測時間內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)的測速方法， M法測速大多數(shù)用在測量高轉(zhuǎn)速，因為對于確定的光電編碼器線數(shù) N是一定的，和給定的檢測時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，計數(shù)脈沖 M越大脈沖也就越??；T法也被稱作測周期法，該測速方法是在一個脈沖周期內(nèi)對時鐘信號的脈沖進(jìn)行記數(shù)，為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此 T法測速用于低轉(zhuǎn)速測量，但是轉(zhuǎn)速過低，光電編碼器輸出脈沖的時間過 長，時鐘脈沖數(shù)就有可能超過計數(shù)的最大值而產(chǎn)生溢出，此外時間過長還會影響控制系統(tǒng)的快速性。與 M法測速一樣選用線數(shù)相對較多的光電編碼器，也能提高電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的快速性和精度；另一種測速方法是結(jié)合 M法和T法的測速特點產(chǎn)生了一種 M/T的測速方法，即在規(guī)定的時間范圍里，同時對時鐘脈沖數(shù)和光電編碼器輸出的脈沖數(shù)同時計數(shù)，有公式計算出轉(zhuǎn)速。采用 M/T法不論是在高速還是在低速測量時都具有較強(qiáng)的分辨能力和測量精度，轉(zhuǎn)速覆蓋范圍廣，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 測量中應(yīng)用十分廣泛， 所以本設(shè)計采用 M/T測速法測速。 已知旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出 N個脈沖（ N=1024），在被系統(tǒng)中用單片機(jī)的 INT0（ ）對在檢測周期內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行記數(shù)，記數(shù)值是 1M 則轉(zhuǎn)角 ? 可以表示成： NM12??? （ 24） 已知單片機(jī)的時鐘頻率是 0f ，用單片機(jī) INT1()在檢測周期 T 內(nèi)時鐘脈沖計數(shù)值為 2M ,則檢測周期 T 可以寫成： 02fMT? （ 25） 檢測周期 T 內(nèi)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角 ? ，則有： 602 nT??? （ 26） 綜合式（ 24） ,式（ 25）和（ 26）求出被測轉(zhuǎn)速為： 21060NMMfn? （ 27） 控制系統(tǒng)方案的選擇 單閉環(huán)系統(tǒng) 的 組成和分析 在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中如圖 23所示，應(yīng)用了 PI調(diào)節(jié)器之后可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制，應(yīng)用了電流截止負(fù)反饋環(huán)用來限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過流現(xiàn)象。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)的量是轉(zhuǎn)速，所以檢測的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動對轉(zhuǎn)速的影響。 所以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。但是在調(diào)速系統(tǒng)中有兩類情況對電流的控制提出了新的指標(biāo)：一是啟制動對時間的控制問題，二是由于載擾動對電流控制問題。 對 于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的減少啟動制動過程的時間，達(dá)到圖 的理想過渡過程的曲線，完成最優(yōu)控制。就是在過渡過程中應(yīng)保持轉(zhuǎn)矩為最大值，使得直流電機(jī)盡可能以最大加速度或減速度，達(dá)到我們預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速，馬上讓勵磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，使轉(zhuǎn)速以恒定的速度運行。 即在在過渡過程中始終保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)為最大值，使直流電動機(jī)以最大加速度，減速。達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時，立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。所以為了滿足控制要求本設(shè)計采用了雙閉環(huán) PI調(diào)節(jié)。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 23 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器 的 組成和分析 在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于主電路中都存在電感作用，電流無法突變，圖 24所示的理想過渡過程只能得到近似的逼近，其關(guān)鍵是要獲得使電流保持最大值 dmI 的恒流啟制動過程，所以提出了雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)上的，實際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外 , 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動和制動過程的要求 ,尤其是在機(jī)床控制方面，這就需要一個電 流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。 圖 24 時間最優(yōu)的理想控制過程 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電動機(jī)的動態(tài)電流不超過某一數(shù)值，而把電流控制在所需值上。但是根據(jù)反饋控制原理，對某一變量對其作負(fù)反饋控制就能實現(xiàn)對該變量的無差控制。用一個調(diào)節(jié)器無法兼顧對轉(zhuǎn)速和電流的控制。如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個電流調(diào)節(jié)器，就可以構(gòu)成電流閉環(huán) 。 Id Idm n 0 Idl Idm? t Kp 1?sTKss 1/12 ?? sTsTT Cmhme )1( ?sTR s ? *Un Un Un? Uc 0Ud E n Id 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 由圖 25啟動電流的變化特性可知，在 電機(jī)啟動時 , 啟動電流很快加大到電機(jī)所允許過載能力值 dmI , 而且是恒定不變 , 在這種條件下 ,轉(zhuǎn)速程線性增長，當(dāng)達(dá)到我們設(shè)定的值時，電動機(jī)的電流又迅速下降到能夠克服負(fù)載所需的電流 fzI 值 ，于是這就要求晶閘管的電壓在一開始啟動的時候應(yīng)為 dmIR? ，由于轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速 n上升， dm eU I R C n??? 也上升 , 達(dá)到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時 , fz eU I R C n???.這種情況就要求電動機(jī)在啟動過程中把電流作為被調(diào)節(jié)量，并保持在電動機(jī)電流允 許的最大值 dmI ，這就需要設(shè)計一個電流調(diào)節(jié)器。因此電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在這種控制要求下產(chǎn)生了 [4]。 圖 25 帶截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動電流波形 圖 26 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 為了能夠?qū)崿F(xiàn)電流和轉(zhuǎn) 速兩個負(fù)反饋都能起作用，在系統(tǒng)中分別設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器，把他們串級相連，如圖 26 所示。這就是說把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電dmI I 1t 2t FZIfz ASR UPE M—— *nU iU iU* + dU cU TA V dI ACR TG?? + nU + n 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 流調(diào)節(jié)器的輸入，再由電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán) ， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 。 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 1. 時間常數(shù)的確定 （ 1） 三相整流裝置的滯后時間常數(shù)，即平均時空時間 Ts=。 （ 2）三相橋式電路中每個波頭的時間為 ，確保能夠濾平波頭，應(yīng)有（ 1~2） 個 ，所以電流濾波時間常數(shù) oiT =2ms=。 （ 3）按照小時間常數(shù)近似計算，電流環(huán)的小時間常數(shù)之和 = T s+ T o i= 0 .0 0 3 7 siT? 。 （ 4）電樞回路電磁時間常數(shù)。 ??RLT ll ? （ 28） 2. 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)任務(wù)要求 5%i?? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型 I 型系統(tǒng)來設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PI 型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ： () ( 1)iiAC R s iKsW s?? ?? （ 29） 式中 iK —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) i? —— 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù) 表 2 1 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系 KT 阻尼比 ? 超調(diào)量 ? 0% % % % % 上升時間 rt ? 峰值時間 pt ? 相角穩(wěn)定裕度 ? ? ? ? ? ? 截止頻率 c? 檢查對電源電壓的抗擾性能：ilTT? ?? ，參表 21 的典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 3. 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： li T?? = 電流開環(huán)增益：要求 5%i?? 時，取 ? ? 所以 10 . 5 0 . 5 1 3 5 . 10 . 0 0 3 7I iKsTs ??? ? ? （ 210） 于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)是： ??siIi K RKK ? ? ?????= （ 211） 式中， ? 為電流反饋系數(shù)其值為 ?? NIV ?? ；晶閘管裝置放大系數(shù) Ks=36。 4. 近似條件的校驗 有上面的計算可知：電流環(huán)截止頻率 IKs? ??? （ 1） 晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)近似為： 111 1 9 6 . 13 3 0 . 0 0 1 7 cis sTs ??? ? ?? （ 212） （ 2） 反電動勢的改變對電流環(huán)的影像忽略不計近似條件： lmTT13 ? cis ???? ? 13 （ 213） （ 3） 處理電流環(huán)小時間常數(shù)的近似條件： 11 1 1 1 1 8 0 . 7 83 3 0 . 0 0 1 7 0 . 0 0 2 cis o i sT T s s ??? ? ?? （ 214） 其中式（ 212）、式（ 213）和式（ 214）均滿足近似條件 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 1. 時間常數(shù)的確定 （ 1） 電流環(huán)時間常數(shù)等效為 1/KI,由前述已知， ? ? ，則： 1 2 2 0 . 0 0 3 7 0 . 0 0 7 4iI T s sK ?? ? ? ? （ 215） （ 2） 轉(zhuǎn)速濾波的時間常數(shù) onT ，取 = 。 （ 3） 按照小時間常數(shù)近似處理轉(zhuǎn)速時間常數(shù) nT? ，取 1 0 .0 0 7 4 0 .0 1 0 .0 1 7 4n o nIT T s s sK? ? ? ? ? ? （ 216） 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 按照設(shè)計要求，選則 PI 調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)式為： ( 1 )() nnASR nKsWs s?? ?? （ 217） 3. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù) 按照跟隨性和抗擾性能都比較好的原則，先取 h=5，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為： =h =5 74s = snnT? ? ? （ 218） 則轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益 K 222 2 2 216 3 9 6 . 42 2 5 0 . 0 1 7 4N nh sshT ????? ? ??? （ 219） 可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為 ? ? 1 ????? ?????? ?? n men TRh TChK ? ? （ 220） 式中 電動勢常數(shù) 1500 ?????? N aNNe n RIUC rVmin/. 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) rVr V m i n/. i n/1500 10 ??? 4. 近似條件的校驗 轉(zhuǎn)速截止頻率是： 111