【文章內(nèi)容簡介】 低 ， 使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出很快達到飽和限幅值 ， 而且維持不變 ， 這時電機開始恒加速上升。當電機的轉(zhuǎn)速升到給定值后 ， 轉(zhuǎn)速反饋值大于轉(zhuǎn)速給定值轉(zhuǎn)速偏差變?yōu)樨撝?,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和 ,進入線性狀態(tài)。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器剛退出飽和時 ,由于電動機的電流仍大于負載電流 ,電動機仍繼續(xù)加速 , 直到電動機的電流小于負載電流 ,轉(zhuǎn)速才降下來。因此 ,直流電動機在啟動過程中必然存在超 調(diào)。在某些不允許轉(zhuǎn)速超調(diào)的地方 ， 采用常規(guī) PI 調(diào)節(jié)器就會有一定的局限性。 直流調(diào)速系統(tǒng) 控制方案 本設計采用 PWM 控制方法，設計并制作出具有模糊控制全數(shù)字化直流調(diào)速控制器，解決直流電機負載參數(shù)時變情況下能滿足穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求，具體內(nèi)容有：設計直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)總體構(gòu)成，并根據(jù)給定對象及要求對調(diào)速系統(tǒng)進行參數(shù)計算；研究模糊控制理論，以及模糊控制與 PID 控制技術相結(jié)合的控制方案。 控制系統(tǒng)硬件組 成： 如圖 23 所示為 整個調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成，其中包括 :主電路、控制電路、驅(qū)動電路、檢測電路。在以下幾節(jié)中將分別 介紹各個模塊的功能以及電路構(gòu)成。 常州工學院學士學位論文 9 MR0R1R2C+RbVb+_V T 1V T 2V D 1V D 2V D 3V T 3V T 4V D 4單 單 單單單單單單單單單單 單 單 單 單 單 單 單單 單 單 單單 單 單 單單 單 單 單單 V單 單 單 單 單A D C 08 0 9 圖 23 調(diào)速系統(tǒng)硬件組成 傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 設計指標及要求 某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下： 直流電動機： 220V， 136A,1460r/min， ?C V rmin/? ，允許過載倍數(shù)?? ； 晶閘管裝置放大系數(shù)： 40s ?K ； 電樞回路總電阻： ?? ； 時間常數(shù)： sTl ? ， sTm ? ； 電流反饋系數(shù)： )(/ NIVAV ??? ； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： )/10(m i n / NnVrV ???? 。 常州工學院學士學位論文 10 設計要求：設計電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量 %5i ?? ；要求 轉(zhuǎn)速無靜差，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10n ?? 。試按工程設計方法設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。 電機參數(shù)計算 電流調(diào)節(jié)器的設計 (1) 確定時間常數(shù) 1）整流裝置滯后時間常數(shù) sT 。按表 21，三相橋式電路的平均失控時間sT =。 表 21 晶閘管整流器的失控時間 整流電路形式 最大失控時間 msT /smax 平均失控時間 msTs/ 單相向半波 20 10 單相橋式（全波） 10 5 三相半波 三相橋式 2）電流濾波時間常數(shù) oiT 。三相橋式電路每個波頭的時間是 ，為了基本濾平波頭，應有（ 1~2） oiT =，因此取 oiT =2ms=。 3 ） 電 流 環(huán) 小 時 間 常 數(shù) 之 和 i?T 。 按 小 時 間 常 數(shù) 近 似 處 理 ， 取i?T = sT + oiT =。 （ 2） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設計要求 %5i ?? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型 I 型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)則為 ： ssKW iiiA C R ?? )1()s( ??。 檢查對電源電壓的抗擾性能： ??? iTT，參看表 22 的典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都 滿足要求 。 常州工學院學士學位論文 11 表 22 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系 221m TTTT ?? 51 101 201 301 %100max ?? bCC % % % % Ttm/ Ttv/ （ 3）計算電流調(diào)節(jié)參數(shù) 表 23 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)的關系 參數(shù)關系 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? ? ? ? ? ?.851 截止頻率 c? T 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： sTl ??? 。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 %5i ?? 時，按表 23，應取 i ??TKI，因此 11 ?? ???? ssTK iI 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?? ???? ??s iIi K RKK 常州工學院學士學位論文 12 （ 4）校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率： ??? sK Ici? 1）校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 cissT ????? ?? 11s 13 1 滿足近似條件 2）校驗忽略反電動式變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 cil ssTT ?????? ?? 11m 1313 滿足近似條件 3）校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 ciois ssTT ?????? ?? 11 131131 滿足近似條件 （ 5） 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器所用運算放大器取 ?? k400R ，各電阻和電容值計算如下： ???? kRKR ii 取 40k? FFFRC iii ?? 63 ?????? ? 取 F? FFFRTC oioi ? 630 ??????? ? 取 F?2. 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 %%4i ??? （見表 23） 滿足設計要求 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計 （ 1）確定時間常數(shù) 1）電流環(huán)等效時間常數(shù)IK1 。由電流環(huán)設計可知 ??TKI ，則 IK1 = ssT i ???? 2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) onT 。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取 sTon ? 。 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常 數(shù) ?nT。按小時間常數(shù)近似處理，取 sssTKT onIn ?????? 常州工學院學士學位論文 13 （ 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設計要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為ssKW nnnA S R ?? )1()s( ?? （ 3） 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR 的超前時間常數(shù)為 sshT n 0 8 1 7 ?????? 由2221???nn ThhK 可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 222222 62 1 ?? ???????nn ThhK 于是，由式???nmen RTh TChK ? ?2 )1( 可求的 ASR 的比例系數(shù)為 )1( ????? ???????nmen RTh TChK ? ? （ 4）校驗近似條件 由 cK ??l? 可知轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 11 ?? ????? ssKK nNlN ??? 1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 I ssTK ??????? 11i 0 3 3 53131 滿足簡化條件 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 I ssTK ???? ?? 11on 滿足近似條件 （ 5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理可知 ，取 ?? k400R ，則 ?????? kkRKR nn 4 6 取 470 ?k FFFRC nnn ?? 63 ?????? ? 取 F? 常州工學院學士學位論文 14 FFFRTC onon ?11011040 630 ??????? ? 取 1 F? 前面所設計的 ASR、 ACR 可用模擬電路設計來實現(xiàn)，但隨著智能芯片的發(fā)展，采用數(shù)字方法實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的設計得到更廣泛的應用 。 在計算機控制系統(tǒng)中，可將模擬 PID 控制規(guī)律通過離散化方法獲得數(shù)字 PID控制算法。其差分方程為： ])1()()()([)( 0 T kekeTieTTkeKku dkiip ????? ?? 控制器輸出仍是由三項構(gòu)成，第一項 Kp e(k)— 比例控制；第二項 ??kiip ieTTK0 )(— 數(shù)字積分控制；第三項 T kekeTKdp )1()( ??— 數(shù)字微分控制。 數(shù)字 PID 控制算法根據(jù)被控對象的不同可分為位置型和增量型。位置型其算法如下： 0( ) ( 1 )( ) [ ( ) ( ) ]kPiiT e k e ku k K e t e i TdTT???? ? ?? 增量型其算法如下： ( ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2) ]p i du k K e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 其中 KppK為比例增益； /i p iK K T T? 為積分系數(shù)； /d p dK K T T? 為微分系數(shù)。 增量型算法與位置型算法相比較：增量型算法不需要做累加，計算誤差或計算精度對控制量的計算影響較小。而位置型算法要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差； 增量型算法的誤動作影響小，而位置型的誤動作影響大；增量型算法易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。但是增量型只適用于對步進 電機的控制，因而采用既具有上述優(yōu)點又適用于控制直流電機的 改進型增量算法 ： ( ) ( 1) ( )u k u k u k? ? ? ? ( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]p i du k K e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 數(shù)字 PID 算法實施中的問題：算法編程 ,定點運算運算速度快，但精度較低；浮點運算精度高但運算速度慢；輸出限幅 ,控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)都有其極限位置，與控制器對應就有兩個極限量及最大控制量 maxU 和最小控制量 minU 。輸出超過極限位置可能損壞 設備或使控制性能下降。因此當 max()u k U? 時取 max()u k U? ；常州工學院學士學位論文 15 當 min()u k U? 時，取 min()u k U? ；積累整量化誤差： 當積分項 ()iK e k e??時，不要把它舍棄，而是將其累加起來，即1 ()ni iS ui i????,直到累加值 iSe? 時，將 iS 加入到 ()uk 中。 本章小結(jié) 本章是調(diào)速系統(tǒng)總體方案設計，介紹了傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制及其應用，并說明了這種系統(tǒng)存在的問題。從而提出本設計所采取的控制方案，畫出框圖 和原理簡圖并解釋其工作原理 。 常州工學院學士學位論文 16 第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)硬件設計 主電路設計 在給定直流電機的相關參數(shù)后可以進行主電路設計，以前述所給的 直流電機參數(shù)為例進行設計。主電路由整流電路，濾波電路及 PWM 變換器組成。為簡化控制電路，減少濾波， 整流電路采用三相二極管整流電路整流，系統(tǒng)的調(diào)壓由PWM 變換器承擔。 PWM 變換器由四個絕緣柵極雙極晶體管 IGBT 和四個續(xù)流二極管組成。 MR0R1R2C+RbVb+_V T 1V T 2V D 1V D 2V D 3V T 3V T 4V D 4 圖 31 主電路圖 整流電力二極管參數(shù)的確定 整流二極管所承受的正反向電壓最大值為三相交流電網(wǎng)線電壓的峰值，即為12U 。實際應用當中需要考慮到電網(wǎng)電壓的波動及各類浪涌電壓的影響，因此需要留有一定的安全裕量，一般取為此峰值電壓的 2～ 3 倍，以前面所給定的電機參數(shù)設計為例， 整流二極管的正反向額定電壓為： )( 6 1 2~ 0 7 43 8 02)3~2(2)3~2( 1 VUU Dn ????? 通過二極管的峰值電流及電機最大負載時的峰值電流，為電機額定電流的56 倍，取 AIm ? ，則 AItdIImmd )(2 1 3/20 2 ??? ? ?? ? 二極管的電流有效值為 A)(3131 0???
dVD II，其最大峰值為)( AII VDV Dm ????? 考慮一定的安全裕量可以求得整流二極管的額定正向平均電流為： ）（ ~)2~()2~( ???? V D mDn II 常州工學院學士學位論文 17 根據(jù)整流二極管的選型手 冊，選取 50 /1200AV的電力二極管作為整流電路的主開關管。 IGBT 的選擇 根據(jù)設計的要求，選 用 MG200Q2YS50 型 IGBT。具有如下參數(shù)極值：