【文章內(nèi)容簡介】 調(diào)速系統(tǒng)原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求整個(gè)系統(tǒng)原理如圖 1 所示。采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為 PWM 的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用 PI 調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置（TA）對電流環(huán)進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速環(huán)則是采用了光電碼盤進(jìn)行檢測，達(dá)到了比較理想的檢測效果。PWM 采用 8051 單片機(jī)以及 4854040 共同實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電路采用了 IR2110 集成芯片，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)原理我們設(shè)計(jì)了數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示，系統(tǒng)的特點(diǎn)：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制；全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；采用數(shù)字 PI 算法。由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流 PWM 變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測。電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速（光電碼盤） 。故障綜合：利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)3制的優(yōu)勢所在。圖 2 微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖三、主電路設(shè)計(jì)圖 3雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)4 主電路主電路由二極管整流器 UR、PWM 逆變器 UI 和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容 C 濾波，同時(shí)兼有無功功率交換的作用。 限流電阻為了避免大電容 C 在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗） ，通上電源時(shí)，先限制充電電流，再延時(shí)用開關(guān) K 將短路，以免長期接入時(shí)影響整流電路的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。 泵升電壓限制 當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)減速或停車時(shí)，儲(chǔ)存在電機(jī)和負(fù)載傳動(dòng)部分的動(dòng)能變成電能，并通過 PWM 變換器回饋給直流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電，不可能回饋電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓” 。如果要讓電容器全部吸收回饋能量，將需要很大的電容量，或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希望使用大量電容器（在容量為幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法）從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時(shí)，可以采用由分流電阻 Rpar和開關(guān)管 VTpar組成的泵升電壓限制電路，如圖 4 所示。 圖 4 主電路參數(shù)計(jì)算和元件選擇主電路參數(shù)計(jì)算包括整流二極管計(jì)算，濾波電容計(jì)算、功率開關(guān)管 IGBT 的選擇及各種保護(hù)裝置的計(jì)算和選擇等。 整流二極管的選擇根據(jù)二極管的最大整流平均 IF 和最高反向工作電壓 UR 分別應(yīng)滿足： IF IO(AV) 247。2≈*99/2= (A)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 UR U2= 220= (V)22選用 2ZC 系列的大功率硅整流二極管，型號和參數(shù)如下所示：型號 額定正向平均電流 IF(A) 額定反向峰值電壓 URM(V) 正向平均壓降UF(V) 反向平均漏電流 IR(MA) 散熱器型號 ZP100 100 100～1600 ～ 6 SL18在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來選擇電容 C 值，使 RC≥(3～5)T/2,且有Udmax=220=188(V)2C≥, 即 C≥15000uF故此，選用型號為 CD15 的鋁電解電容，其額定直流電壓為 400v，標(biāo)稱容量為 22022 uF 絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流 Imax≈2Us/R=440/=978(A)集電極－發(fā)射極反向擊穿電壓（BVCEO） BVCEO≥(2～3)Us=440～660v 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖 5。 直流雙閉環(huán)調(diào)速原理圖雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)6圖 6。電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖 電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)最大允許電流 Idm=94=141(A)電樞電流范圍為，A/D 轉(zhuǎn)換為 8 位二進(jìn)制數(shù)碼，電流反饋回路反饋系數(shù)為 β，則：β=255/(141(141))=255/282=已知晶體管 PWM 功率放大器的工作頻率為 2kHz，工作方式為 H 型雙極性，直流電源電壓為264V,設(shè)定用來直接生成 PWM 信號的計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖頻率為 4MHz，則轉(zhuǎn)換得到的 PWM 信號的分辨率為 1/2022，即計(jì)數(shù)值為 2022 時(shí)，對應(yīng)的 PWM 信號占空比為 1，PWM 功率放大器的輸出電壓為 200V；計(jì)數(shù)值為 1000 時(shí)，對應(yīng) PWM 信號的占空比為 ，PWM 功率放大器的輸出電壓為０Ｖ；計(jì)數(shù)值為０時(shí)，對應(yīng) PWM 信號占空比為０，PWM 功率放大器的輸出電壓為200V,則 PWM 控制信號和 PWM 波形生成之間的數(shù)字控制量到模擬電壓輸出量之間的增益為： ====1/2022===T∑i==∑i ==R/(β)=500**(*)=28校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：wci＝KI=500脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)近似條件 wci≤1/(3Ts)1/(3Ts)＝1/(3)=500= wci可見，滿足近似條件。小時(shí)間常數(shù)近似條件 wci≤ ＝ ＝500Tsoi13?05..13?滿足近似條件。忽略反電勢對電流環(huán)影響的條件：wci≥ ＝ ＝5001Tm3??雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)7滿足近似條件。圖 7。轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)速度反饋回路的滯后時(shí)間約為=1ms機(jī)電時(shí)間常數(shù)=速度環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為 =1/+=1/500+=按跟隨性能和抗干擾性能要求，取中頻寬 h=5，則積分時(shí)間常數(shù)為；=(h+1)/2h178。 178。=(5+1)/(2*5*5*178。)=速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)檢驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 W＝KNTn=*=200 Wci轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 W≤ =??T31滿足近似條件。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 W≤ =?滿足近似條件。當(dāng) h=5，查表可知，σn=℅,不滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表中是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR 飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按照退飽和時(shí)的情況重新計(jì)算超調(diào)量。由公式代入數(shù)據(jù)計(jì)算得 σn=℅，能夠滿足設(shè)計(jì)要求雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)8 數(shù)字控制器 PI 增量式算法及程序增量式 PI 程序：F osc=12MHZ，用一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí) 50ms，用 R2 作計(jì)數(shù)器，置初值14H，到定時(shí)時(shí)間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計(jì)數(shù)器內(nèi)容減 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容減為 0 時(shí)，則到 1s。PI 控制算法:Ui=Ui1+Kp(eiei1)+(Kp*T/Ti)*ei令 P=KP I=KP*T/T I則 Ui=Ui1+P(e