【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 得到了降低。而且，現(xiàn)階段我國 還沒有自主的全數(shù)字控制的直流調(diào)速裝置商用， 而國外先進(jìn)的控制器價(jià)格又昂貴，因此研究及更好的使用國外先進(jìn)的控制器，對(duì)直河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 4 流 電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)和控制方法進(jìn)行研究，具有重要的實(shí)際意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 本文的主要內(nèi)容 本課題主要完成以下 六 方面工作 ： （ 1） 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案 ：此處采用“ 電容濾波的三相不可控整流 主回路 +轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速模塊 +PWM調(diào)壓 模塊 +IPM功率驅(qū)動(dòng)模塊 +DSP數(shù)字控制 ”系統(tǒng) 。因?yàn)镈SP具有強(qiáng)大 的 高速運(yùn)算能力， 其 片內(nèi)集成了豐富的外圍部件和 I/O資源， 所以可以 簡(jiǎn)化控制電路的硬件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)各種高速算法和 控制策略。整個(gè)系統(tǒng)包含三部分，即控制部分、采樣部分、驅(qū)動(dòng)部分。 （ 2） DSP控制 電 路的設(shè)計(jì) ： 基于 TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP），設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制 電路和檢測(cè)電 路 ，并通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。 （ 3） PWM控制方式的設(shè)計(jì)： 本 論 文 采用 DSP的 PWM觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì) PWM調(diào)壓調(diào)速的觸發(fā)，并運(yùn)用 IPM（ Intelligent Power Module） ,即智能功率模塊實(shí)現(xiàn) DSP與 PWM連接的集成，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 （ 4） 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速 原理分析： 分析 了 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速、 電流調(diào)節(jié)器 的設(shè)計(jì)和參數(shù)的計(jì)算。 （ 5） 調(diào)速算法： 為了獲得良好的靜動(dòng)態(tài)特性，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采 用 PI調(diào)速算法。本文根據(jù) PI算法對(duì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的的傳遞函數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。 （ 6） 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)： 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了系統(tǒng) 軟件的 整體設(shè)計(jì)，依據(jù)軟件的整體功能設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊的流程圖 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 5 2 DSP 控制的數(shù)字化 直流調(diào)速系統(tǒng)原理 直流調(diào)速系統(tǒng) PWM 控制方式 的原理 直流調(diào)速系統(tǒng)采用 PWM控制方式，下面簡(jiǎn)要介紹一下 其 基本原理： 直流斬波電路采用的脈寬調(diào)制（ Pulse Width Modulation PWM）控制技術(shù)，實(shí)際上就把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。 直 流斬波電路用 PWM斬波器實(shí)現(xiàn) ， PWM斬波器 的 工作原理電路及其輸出波形如圖 21所示 ， 以下簡(jiǎn)述一下 PWM斬波器的工作原理。 V 1+UsUdMUtTo nTUd0 （ a）電路圖 (b)波形圖 圖 21直流斬波電路 假設(shè) V1先導(dǎo)通 Ton秒，然后又關(guān)斷 TTon秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖 21（ b） 的波形圖。則電機(jī)電樞端的平均電壓 Ud為 ond s s==TU U UT ? (21) ? 定義為占空比。設(shè)定輸入電壓 Ud不變，則通過改變 ? 的大小來改變 Ud的大小，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。 根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式： （ 1） T不變，變 Ton－脈沖寬度調(diào)制（ PWM）； （ 2） Ton不變，變 T－脈沖頻率調(diào)制（ PFM）； （ 3） Ton和 T都可調(diào)，改變占空比－混合型。 這就是 PWM技術(shù)的基本控制原理。利用 PWM控制技術(shù)，可以很好 的對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行直流電壓的輸出控制。 直流 PWM系統(tǒng)有可逆和不可逆之分，不可逆是指電動(dòng)機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn)（功率轉(zhuǎn)換器只提供正直流電壓）；可逆是指電動(dòng)機(jī)既能反轉(zhuǎn)又能正轉(zhuǎn)，廣泛應(yīng)用于火炮瞄準(zhǔn)射擊，雷達(dá)天線的搜索跟蹤和精密機(jī)床的進(jìn)刀和退刀等。可逆直流 PWM有三種工作模式：雙極模式 、 單機(jī)模式 、 受限單機(jī)模式。 雙極模式有 T型和 H型結(jié)構(gòu) 。 T型雙極模式 PWM控制的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅用兩只開關(guān)器件，雙電源供電，器件受壓高，電流始終連續(xù)，減小了河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 6 靜摩擦，增大了空載損耗，適用于低壓小功率。 H型雙極模式 PWM變換器 的 特點(diǎn)：開關(guān)器件數(shù)目 多，單電源供電，器件受壓低，電流始終連續(xù)，減小了靜摩擦，增大了空載損耗，電樞兩端電壓懸浮，不便引出反饋，適用于高壓小功率。 但是，由于 H型橋式可逆 PWM變換器是最常用的控制方式，且鑒于設(shè)計(jì)的需要和使用的方便，本文采用 PWM可逆 H型雙極模式對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。 H型 橋式可逆 PWM變換器 ，如圖 22（ a）所示 ，其 4個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖 22（ b） 所示。它們之間的關(guān)系是： Ub1=Ub4=Ub2=Ub3。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) t[0， Ton）時(shí)， Ub1與 Ub4為正， VT1與 VT4導(dǎo)通，則此時(shí)輸出電壓 Uab=US；當(dāng) t[Ton， T）時(shí)， Ub2與 Ub3為正， VT1與 VT4截止，由于 VD2與 VD3的續(xù)流作用， VT2與 VT3不能馬上導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓 Uab=US。因而， 在一個(gè)周期內(nèi)， Uab具有正負(fù)兩種輸出電壓極性，故稱之為雙極性輸出。 由此可以得出橋式可逆 PWM變換器的輸出平均電壓為： o n o n o nd s s s2= = 1T T T TU U U UT T T? ??????? (22) 其中占空比 ? =Ton/T ,若令 ? =2 ? 1，則通過改變 ? 的大小就可以改變 dU 的輸 出極性，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 在調(diào)速的時(shí)候，占空比 ? 可以通過改變正負(fù)脈沖的脈寬來進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍為[0， 1]。當(dāng) ? 1/2時(shí)， ? 為正，則 Ud為正，此時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) ? 1/2時(shí)， ? 為負(fù)，則Ud為負(fù)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) ? =1/2 時(shí)，此時(shí)輸出電壓為 0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 由此可知，只要控制 Ub Ub Ub Ub4的脈沖寬度， 就 可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度，且 在電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)仍有微震電流，這將有利于正反轉(zhuǎn)靜摩擦死 區(qū)的消除。 D 4D 2D 1D 3+ U sMUb1Ub2Ub3Ub4a bV T 1V T 2V T 3V T 4Ua bUa bT o n U s+ UsTt0 （ a） （ b） 圖 22 H型可逆 PWM變換器 雙極式控制的橋式可逆 PWM變換器優(yōu)點(diǎn)是： (1)可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； (2)電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； (3)低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1： 20200左右； (4)低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 7 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 原理 在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等 干擾。 通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速 啟 動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在啟 動(dòng)過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流 。 當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。 如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾， 必須 對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng) ， 具有調(diào)速范圍寬 、 穩(wěn)定性好 、 精度高等許多優(yōu)點(diǎn) ， 在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用 。 轉(zhuǎn)速、電流 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖 23所示，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 電力電子變換器 UPE。 從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外 面 ，稱作外環(huán) ， 這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 Un*T AUiUi*UnUdIdM外 環(huán)內(nèi) 環(huán)A S R+++nVF B SA C R U P E+ ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)速器， ACR— 電流調(diào)節(jié)器， FBS— 光電編碼器 ,TA— 電流互感器， UPE— 電力電子變 換 器 圖 23 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和 電流分別由 2個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制 ，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定 ， 因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的 電樞電流 。 當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí) ， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加 ， 即電流給定上升 ， 并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī) 的電樞 電流增加 ， 從而使電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩 ， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升 。 當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí) ， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小 ， 即電流給定減小 ，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流下降 ， 電動(dòng)機(jī)將因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩減小而減速 。 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 ， 輸出達(dá)到限幅值時(shí) ， 電流環(huán)即以最大電流限制 Idm實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的加速 ， 使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間最短 ， 在可 逆調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速制動(dòng) ； 在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中 ， 由于晶閘管整流器不能通過反向電流 ， 因此不能產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng) 。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 和靜特性 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI調(diào)節(jié)器，同時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓 Uim*決定了電流給定電壓的最大值 ， 電流調(diào)節(jié)器 ACR的輸出限幅電壓 Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 Udm。系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 24所示。 A S RA C RKSe1CUn*UnUi*Ui ?R?IdRUcUd 0nId 圖 24雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)， 兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和。 ASR的 PI調(diào)節(jié)作用使轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速給定， ACR的 PI調(diào)節(jié)作用使電流跟隨電流給定。只要調(diào)節(jié)器輸入端的反饋信號(hào)不等于給定信號(hào)，調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和 。 換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出 間 的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總 為零。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況： 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和： *n n 0= = n= nUU ?? *i i d==U U I? 可得關(guān)系式為 : *n0n= =nU? (23) 從而得 到圖 25靜特性的 CA段。由于 ASR不飽和， Ui*Uim*,從上述第二個(gè)關(guān)系式可知：IdIdm。這就是說， CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0一直延續(xù)到 Id= Idm，而 Idm一般都是河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 9 大于額定電流 IdN的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。 當(dāng) 轉(zhuǎn) 調(diào)節(jié)器飽和時(shí)： 這時(shí)， ASR輸出達(dá)到限幅值 Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響 ， 雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的電流 單 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)時(shí) ： *imd dm==UII? (24) 上式中，最大電流 Idm是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的 允 許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng) 的允許最大加速度。 上式描述的靜特性是圖 25中的 AB段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于nn0的情況，因?yàn)槿绻?nn0，則 UnUn*， ASR將退出飽和狀態(tài)。 nn00Id NId mIdACB 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這 時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 Uim*，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用 ，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù) 。 這就是采用了兩個(gè) PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，由于運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并非無窮大，特別是為了避免零點(diǎn)漂移而采用準(zhǔn) PI調(diào)節(jié)器時(shí)，靜特性的兩段都略有很小的靜差 ，如圖 25中虛線所示。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 由圖 24可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列 關(guān)系： *n n 0= = n= nUU ??