【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電壓調(diào)速時(shí)，若采用普通的電動(dòng)機(jī)則調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，調(diào)速范圍雖然可以大一些，但機(jī)械特性變軟，負(fù)載變化時(shí)的靜差率太大。開(kāi)環(huán)控制很難解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，調(diào)速范圍要求在D1時(shí)，一般采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖所示：調(diào)速性能要求不高時(shí)也可以用定子電壓反饋代替轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。上圖（b）所示的是（a）所示的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。如果該系統(tǒng)帶負(fù)載T在A(yíng)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載增大引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，反饋控制的作用能提高定子電壓，從而在新的一條機(jī)械特性上找到工作點(diǎn)A1，同理當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，也會(huì)得到定子電壓低一些的新的工作點(diǎn)A11。按照反饋控制規(guī)律，將A、AA11連接起來(lái)便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。雖然交流異步力矩電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，但由系統(tǒng)放大系數(shù)決定的閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以很硬。如果采用PI調(diào)節(jié)器，照樣可以做到無(wú)靜差。改變給定信號(hào)UN則靜態(tài)特性平行的向下移動(dòng)，達(dá)到無(wú)靜差調(diào)速。下圖為調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖：各控制環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系為： Uct=kn(Un*Un) U1=KsUct Un=ankn速度調(diào)節(jié)器的靜態(tài)放大倍數(shù)。Ks調(diào)節(jié)器（包括觸發(fā)器）的放大倍數(shù)。a轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)。聯(lián)立解得：U1=KsKn(Un*an)= KsKn[Un*ano(1s)]no異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。已知異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式為：當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s很小，則s/scrscr/s,故：在忽略定子電阻R1的條件下，可得到電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩為：將臨界轉(zhuǎn)矩和U1代入表達(dá)式，得靜態(tài)表達(dá)式：下圖為不同的靜態(tài)特性曲線(xiàn)：從物理概念上分析，對(duì)速度閉環(huán)系統(tǒng)，設(shè)開(kāi)始給定電壓為UN1,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)L，系統(tǒng)工作在特性⑤的a點(diǎn)上。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩增至T1L，這是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速必然下降，速度反饋電壓U隨之下降，放大器輸入電壓升高，使晶閘管的觸發(fā)脈沖遷移，調(diào)壓器的輸出電壓升高，使電動(dòng)機(jī)過(guò)渡到較高電壓的機(jī)械特性②上運(yùn)行于b點(diǎn)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩增大，以平衡增大了的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。采用閉環(huán)控制時(shí)，當(dāng)負(fù)載變化后，通過(guò)轉(zhuǎn)速反饋，自動(dòng)控制加在電動(dòng)機(jī)定子上的電壓高低。系統(tǒng)閉環(huán)特性實(shí)際上是各種不同電壓對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性上各區(qū)一點(diǎn)，由此所組成的一條新的、比較硬的S=f(T)特性，如圖中所示的直線(xiàn)abc及a1b1c1對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須繪制出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的基本框架如下圖所示：WFBS(S)WGTV(S)WASR(S)WMA(S)UN UCT(S) U1(S) n(s)UN(S)(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR常用PI調(diào)節(jié)器以消除靜差并改善動(dòng)態(tài)性能，其傳遞函數(shù)為：WARS（S）=Kn ts+1ts(2) 晶閘管交流調(diào)壓器輸出電壓和控制電壓Uct之間的傳遞函數(shù)為：WGTV(S)= KTs+1(3) 測(cè)速反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：WFBS(S)= αTs+1（4）異步電動(dòng)機(jī)的線(xiàn)性處理：由于描述異步電動(dòng)機(jī)的方程是一組非線(xiàn)性方程，要用一個(gè)傳遞函數(shù)準(zhǔn)確的表示異步電動(dòng)機(jī)在整個(gè)范圍內(nèi)的輸入、輸出關(guān)系式不可能的。只有做出一個(gè)假設(shè)，并在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)才能得到近似的函數(shù)。上述的四個(gè)環(huán)節(jié)的分析可得異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：可得傳遞函數(shù)：W(S)= KsαKTs+1Ton+1(Tms+1)即可進(jìn)行設(shè)計(jì) PID控制PID控制表示比例積分微分三者的縮寫(xiě)。PID控制的實(shí)質(zhì)是根據(jù)反饋后計(jì)算機(jī)得到的輸入作為差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，其輸出結(jié)果用以輸出控制。PID控制算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的主要信息，而且其配置達(dá)到最優(yōu)。其中比例代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，是過(guò)程反應(yīng)迅速；微分在信號(hào)變化時(shí)有超前控制的作用，代表了將來(lái)的信息，減小過(guò)程超調(diào)，克服震蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)程；積分代表了過(guò)去的積累信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，此三種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良好的效果。②PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性。③算法簡(jiǎn)單明了，并形成了完整、成熟的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。數(shù)字PID控制系統(tǒng)可以分為位置式PID、增量式PID。本設(shè)計(jì)采用的事增量式PID。增量式PID算法是位置式PID算法的一種改進(jìn)，相比與位置式算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①該方法較為安全，因?yàn)橐坏┯?jì)算機(jī)出現(xiàn)故障。輸出控制指令為零時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置仍可保持前一步位置，不會(huì)給被控對(duì)象帶來(lái)較大的擾動(dòng)。②該方法在計(jì)算時(shí)不需要進(jìn)行累加，僅需要最近幾次誤差的采樣值?？刂屏坑?jì)算非常簡(jiǎn)單，通常采用平移法將歷史數(shù)據(jù)e(k1)和e(k2)保存起來(lái)即可完成計(jì)算。增量式的PID算法公式為:ΔU(k)=U(k)U(k1)=Kp[e(k)e(k1)]+K1e(k)+KD[e(k)2e(k1)+e(k2)]式中：Kp為比例系數(shù) 為積分系數(shù) 為微分系數(shù) 可以看出，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定KP、KKD只要使用前3次測(cè)量值的偏差，即可求出控制增量。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量△u(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。對(duì)應(yīng)閥門(mén)實(shí)際位置的控制量，即控制量增量的積累u(k)=∑△u(k)需要采用一定的方法來(lái)解決，例如采用積累作用的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而目前較多的是利用算式u(k)=u(k1)+△u(k)，通過(guò)執(zhí)行軟件來(lái)完成。控制原理如下圖所示：r(k)u(k)e(k)△u(k)PID增量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象增量式PID控制原理框圖在RAM區(qū)中需要選擇適當(dāng)?shù)膯卧４娈?dāng)前的速度給定Vs，當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速Vi、以及當(dāng)前的和前兩次的速度偏差ei, ei1和ei2。在此基礎(chǔ)上PID算法的軟件編寫(xiě)非常簡(jiǎn)單。從上述公式中可以看到其中有KU、 KP、 KI、 KD等參數(shù)是在系統(tǒng)調(diào)試后確定的，而且一旦調(diào)試完成后即不宜變動(dòng)，也不能因掉電而丟失。在模擬式的控制單元中，上述參數(shù)可以用電位器通過(guò)調(diào)試來(lái)設(shè)置。而在全數(shù)字化的控制單元中則需要通過(guò)人機(jī)接口(如鍵盤(pán)顯示裝置)來(lái)進(jìn)行設(shè)置。一旦調(diào)試設(shè)置完成，這些參數(shù)均應(yīng)存儲(chǔ)在NOVRAM或EEPROM的指定單元中。在PID調(diào)節(jié)程序啟動(dòng)時(shí)，程序到這些指定單元中去尋取有關(guān)參數(shù)。PID控制器的輸出U1應(yīng)通過(guò)轉(zhuǎn)換而成為代表控制角A的計(jì)數(shù)值。我們知道晶閘管調(diào)壓環(huán)節(jié)是一個(gè)非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，即控制角A與晶閘管調(diào)壓器的輸出電壓之間呈非線(xiàn)性關(guān)系。如果我們把這種關(guān)系制成一個(gè)對(duì)照表存儲(chǔ)起來(lái)，并且在軟件算法利用這個(gè)對(duì)照表，有可能使PID控制輸出與調(diào)壓器輸出電壓之間形成一個(gè)線(xiàn)性環(huán)節(jié)。 基于單片機(jī)的調(diào)壓調(diào)速功能圖 380V同步信號(hào)電路過(guò)流信號(hào)電路A/D轉(zhuǎn)換器給定速度顯示電路80C51測(cè)速裝置過(guò)電壓信號(hào)電路電動(dòng)機(jī)功放電路觸發(fā)器D/A轉(zhuǎn)換器第四章 硬件電路及組成 系統(tǒng)硬件電路圖 主電路三相調(diào)壓電路的方式有全波調(diào)壓電路、半波調(diào)壓電路、Y形連接調(diào)壓電路以及Δ調(diào)壓電路，本實(shí)驗(yàn)采用的是應(yīng)用最廣泛的三相全波Y連接調(diào)壓電路，如下圖所示，此電路的每一相都有并聯(lián)反接的兩只晶閘管，這兩只晶閘管可以用一只雙向晶閘管代替，線(xiàn)路工作特點(diǎn)不變。此電路較其他調(diào)壓電路諧波少。對(duì)于上圖電路，各個(gè)晶閘管按如下規(guī)律出發(fā)：（1） 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)晶閘管的觸發(fā)順序?yàn)閂T1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，各觸發(fā)脈沖相差60度；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)晶閘管的觸發(fā)順序?yàn)閂T6→VT5→VT4→VT3→VT2→VT1→VT6，各管觸發(fā)脈沖相差60度，基于這種觸發(fā)原則，同相相反連接的兩只晶閘管VT1→VT4之間，VT3→VT6之間，VT5→VT2之間觸發(fā)脈沖互差180度；不同相但連接方式相同的晶閘管VT1→VT3→VT5之間和VT4→VT6→VT2之間互差120度。（2） 由于負(fù)載力矩電機(jī)為特殊的感性負(fù)載，因而每個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖采用寬脈沖（脈寬大于60度）或雙脈沖觸發(fā)，原因如下：交流力矩電機(jī)是感性負(fù)載，對(duì)于感性負(fù)載，電流和電壓的波形不相同，且電流滯后一個(gè)電壓角度，這時(shí)調(diào)壓電路的輸出電壓不僅如觸發(fā)角α有關(guān)，也與負(fù)載的阻抗角φ有關(guān)。由一步電動(dòng)