【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越大脈沖也就越小；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的分辨能力和測量精度，轉(zhuǎn)速覆蓋范圍廣，在電動機轉(zhuǎn)速齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 測量中應用十分廣泛， 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)中用單片機的 INT0（ ）對在檢測周期內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)進行記數(shù)，記數(shù)值是 1M 則轉(zhuǎn)角 ? 可以表示成： NM12??? （ 24） 已知單片機的時鐘頻率是 0f ，用單片機 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，應用了 PI調(diào)節(jié)器之后可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制，應用了電流截止負反饋環(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：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)，應盡可能的減少啟動制動過程的時間，達到圖 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保持轉(zhuǎn)矩為最大值，使得直流電機盡可能以最大加速度或減速度，達到我們預先設(shè)定的轉(zhuǎn)速，馬上讓勵磁轉(zhuǎn)矩與負載相平衡，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)矩應為最大值，使直流電動機以最大加速度，減速。達到給定轉(zhuǎn)速時，立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負載相平衡，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)。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 23 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(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)速進行調(diào)整外 , 很多生產(chǎn)機械還提出了加快啟動和制動過程的要求 ,尤其是在機床控制方面，這就需要一個電 流截止負反饋系統(tǒng)。 圖 24 時間最優(yōu)的理想控制過程 電流截止負反饋環(huán)節(jié)只能限制電動機的動態(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 電機啟動時 , 啟動電流很快加大到電機所允許過載能力值 dmI , 而且是恒定不變 , 在這種條件下 ,轉(zhuǎn)速程線性增長，當達到我們設(shè)定的值時，電動機的電流又迅速下降到能夠克服負載所需的電流 fzI 值 ，于是這就要求晶閘管的電壓在一開始啟動的時候應為 dmIR? ，由于轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)速 n上升， dm eU I R C n??? 也上升 , 達到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時 , fz eU I R C n???.這種情況就要求電動機在啟動過程中把電流作為被調(diào)節(jié)量，并保持在電動機電流允 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)跟隨性能指標和頻域指標與參數(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