【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ΔUn0 →ASR退飽和→Ui*↓Uim*→Id↓→Id IL→n↓→n∞（轉(zhuǎn)速可能會(huì)經(jīng)過(guò)幾次振蕩，但轉(zhuǎn)速環(huán)會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)）結(jié)論： 起動(dòng)過(guò)程中， ASR 飽和后，系統(tǒng)成為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)； ASR 退飽和后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，表現(xiàn)為一轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 抗負(fù)載擾動(dòng)作用 :由雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)作用的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以死看 出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之外，轉(zhuǎn)速環(huán)之內(nèi)，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在抗負(fù)載擾動(dòng)方面和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只能依靠轉(zhuǎn)速環(huán)來(lái)進(jìn)行抗擾調(diào)節(jié)。 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 12 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)作用： 由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖知：電網(wǎng)電壓擾動(dòng)在電流環(huán)之內(nèi)，電壓擾動(dòng)尚未影響到轉(zhuǎn)速前就已經(jīng)為電流環(huán)所抑制。因而雙閉環(huán)系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓 擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降（升）比單閉環(huán)小得多。 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全數(shù)字式控制方式，因此要求微型計(jì)算機(jī)完成：電流環(huán)控制器運(yùn)算、速度環(huán)控制器運(yùn)算、位置環(huán)控制器運(yùn)算，以及與它們相應(yīng)的反饋信號(hào)的采樣和數(shù)字信號(hào)處理。 本系統(tǒng)采用霍爾元件作為檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電樞電流的傳感器 ,其電流容量為 50A,轉(zhuǎn)換比例為 1000： 1?；魻栐z測(cè)得到的弱電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大后 ,變成與電樞電流成比例的 0~5V 的直流電壓信號(hào) ,再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換電路 ,將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ,輸入微型計(jì)算 機(jī)。 本系統(tǒng)選用光電脈沖信號(hào)發(fā)生器作為速度反饋的測(cè)量元件 ,光電脈沖信號(hào)發(fā)生器將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移量轉(zhuǎn)換成脈沖序列 ,通過(guò)計(jì)數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)即可得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字式反饋量。本系統(tǒng)由微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制 ,用全數(shù)字方式來(lái)取代傳統(tǒng)的模擬控制方式 ,不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性 ,而且還為整個(gè)系統(tǒng)的多功能、智能化提供了必要條件。 經(jīng)上述考慮 ,本系統(tǒng)組成的方框圖如圖 所示。 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 13 圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖 數(shù)字式雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字式位置控制器 數(shù)字式速度控制器 數(shù)字式電流控制器 數(shù)字式 PWM信號(hào)發(fā)生器 PWM 功率放大器 M 信號(hào)轉(zhuǎn)換濾波放大 A/D 轉(zhuǎn)換 . PG 光電隔離倍頻變向 位置可逆計(jì)數(shù)器 數(shù)字式速度測(cè)量計(jì)數(shù)器 位置給定 + 霍爾元件 + 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 14 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(guò)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(cè)回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)。電壓、電流和溫度檢測(cè)由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。 故障綜合：利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)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)控制的優(yōu)勢(shì)所在。 第二節(jié) 8051 單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP（ In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作 時(shí)鐘頻率 為 80MHz，片內(nèi)含 8K Bytes 的可反復(fù)擦寫 1000 次的Flash 只讀 程序存儲(chǔ)器 ，器件兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) 及 80C51 引腳 結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位 中 央處理器 和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元 ，具有在系統(tǒng)可編程（ ISP）特性，配合 PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購(gòu)買通用編程器，而且速度更快。 本系統(tǒng)要求微型計(jì)算機(jī)完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制算法運(yùn)算以及相應(yīng)的反饋信號(hào)數(shù)字化測(cè)量和采樣 ,接收和處理上位微型計(jì)算機(jī)送給伺服系統(tǒng)的指令 ,采集伺服系統(tǒng)的有關(guān)信息并反饋到上位微型計(jì)算機(jī)等。其中 ,電流環(huán)控制要求 微型計(jì)算機(jī)有很快的響應(yīng)速度 ,其采樣頻率比較高。另外 ,為了保證足夠的控制精度和運(yùn)算速度 ,對(duì)微型計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)和指令功能也有更高的要求。本系統(tǒng)選用我們比較熟悉的 8051 作為微型計(jì)算機(jī)。 8051 單片機(jī)的基本組成 8051 單片機(jī)由 CPU和 8 個(gè)部件組成，它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示： 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 15 圖 8051 單片機(jī)基 本組成 CPU 及 8 個(gè)部件的作用功能介紹如下 中央處理器 CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： 8051 芯片中共有 256 個(gè) RAM 單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前 128 個(gè)單元，其地址為 00H— 7FH。通常說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前128 個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 RAM。 特殊功能寄存器：是用來(lái)對(duì)片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的 RAM 區(qū)，位于內(nèi)部 RAM 的高 128 個(gè)單元，其地址為 80H— FFH。 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器： 8051 芯片內(nèi)部共有 4K個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 ROM。 并行 I/O 口： 8051 芯片內(nèi)部有 4 個(gè) 8 位的 I/O 口（ P0， P1， P2， P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。 串行口：它是用來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 定時(shí)器： 8051 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有 5 個(gè)中斷源，即外部中斷 2 個(gè)，定時(shí) /計(jì)數(shù)中斷振蕩電路 數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器 中斷系統(tǒng) 特殊功能寄存器 CPU 并行 I/O 口 串行口 定時(shí)器 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 16 2個(gè)和串行中斷 1個(gè)。 振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成 8051 單片 機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為 12MHz。 8051 單片機(jī)引腳圖 8051 單片機(jī)引腳圖 電動(dòng)機(jī)供電方案選擇 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱 GM系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。用靜止的可控整流器，例如， 晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱 VM 系電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。 與 V— M系統(tǒng)相比， PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 17 一、主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少； 二、開端頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小： 三、低速性能好，穩(wěn)速精度該，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1： 10000 左右； 四、若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)； 五、功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高； 六、直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。 本設(shè)計(jì)應(yīng)脈寬調(diào)速要求，采用直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 晶體管 PWM 功率放大器方案選擇 雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是 4 個(gè)功率管都工作在較高頻率 (載波頻率 )， 雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點(diǎn)： 電流一定連續(xù)； 可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； 電機(jī)停止時(shí)有微振電流， 可以消除靜摩擦死區(qū)； 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1： 20200 左右； 低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于器件的可靠導(dǎo)。 故本設(shè)計(jì)選用雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器。 第二章 主電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù) （ 1） 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)： PN=20W、 UN=12V、 IN=、 Nn =300r/min、電樞電阻Ra= La=、 GD2= cm Tm=30ms （ 2） 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系 統(tǒng) ： U *n=5V， Uim=5V， Idm=， σi≤5%，σn≤10%。 基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 18 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 速反饋轉(zhuǎn)系數(shù) 電流反饋系數(shù) 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 電流調(diào)節(jié)器： 確定時(shí)間常數(shù) （ 1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts。由表 22 知， PWM 裝置的延長(zhǎng)時(shí)間 Ts=0. 1ms=。 （ 2）電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi。 （ 1~2） Toi=，因此取 Toi==。 （ 3 ）電 流環(huán)小時(shí) 間常數(shù) 之和 iT? 。按小時(shí) 間常數(shù)近 似處理 ，取 iT? = Ts+Toi=。 （ 4）電磁時(shí)間常數(shù) TL TL== 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 5%i?? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)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 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(shí)間常數(shù)。 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： , i