【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 低 ， 使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出很快達(dá)到飽和限幅值 ， 而且維持不變 ， 這時(shí)電機(jī)開(kāi)始恒加速上升。當(dāng)電機(jī)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?fù)值 ,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和 ,進(jìn)入線性狀態(tài)。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器剛退出飽和時(shí) ,由于電動(dòng)機(jī)的電流仍大于負(fù)載電流 ,電動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)加速 , 直到電動(dòng)機(jī)的電流小于負(fù)載電流 ,轉(zhuǎn)速才降下來(lái)。因此 ,直流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)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(huì)有一定的局限性。 直流調(diào)速系統(tǒng) 控制方案 本設(shè)計(jì)采用 PWM 控制方法，設(shè)計(jì)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(jī)負(fù)載參數(shù)時(shí)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(shè)計(jì)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)總體構(gòu)成，并根據(jù)給定對(duì)象及要求對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；研究模糊控制理論，以及模糊控制與 PID 控制技術(shù)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(gè)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(dòng)電路、檢測(cè)電路。在以下幾節(jié)中將分別 介紹各個(gè)模塊的功能以及電路構(gòu)成。 常州工學(xué)院學(xué)士學(xué)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(jì)算 設(shè)計(jì)指標(biāo)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(dòng)機(jī)： 220V， 136A,1460r/min， ?C V rmin/? ，允許過(guò)載倍數(shù)?? ； 晶閘管裝置放大系數(shù)： 40s ?K ； 電樞回路總電阻： ?? ； 時(shí)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(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量 %5i ?? ；要求 轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10n ?? 。試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。 電機(jī)參數(shù)計(jì)算 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) (1) 確定時(shí)間常數(shù) 1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sT 。按表 21，三相橋式電路的平均失控時(shí)間sT =。 表 21 晶閘管整流器的失控時(shí)間 整流電路形式 最大失控時(shí)間 msT /smax 平均失控時(shí)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(shí)間常數(shù) oiT 。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1~2） oiT =，因此取 oiT =2ms=。 3 ） 電 流 環(huán) 小 時(shí) 間 常 數(shù) 之 和 i?T 。 按 小 時(shí) 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(shè)計(jì)要求 %5i ?? ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)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 型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)則為 ： ssKW iiiA C R ?? )1()s( ??。 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ??? iTT，參看表 22 的典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都 滿足要求 。 常州工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 表 22 典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 221m TTTT ?? 51 101 201 301 %100max ?? bCC % % % % Ttm/ Ttv/ （ 3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)參數(shù) 表 23 典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系 KT 阻尼比 ? 超調(diào)量 ? 0% % % % % 上升時(shí)間 rt 峰值時(shí)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(shí)間常數(shù)： sTl ??? 。 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求 %5i ?? 時(shí)，按表 23，應(yīng)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(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 （ 4）校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率： ??? sK Ici? 1）校驗(yàn)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(yàn)忽略反電動(dòng)式變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 cil ssTT ?????? ?? 11m 1313 滿足近似條件 3）校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 ciois ssTT ?????? ?? 11 131131 滿足近似條件 （ 5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器所用運(yùn)算放大器取 ?? k400R ，各電阻和電容值計(jì)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(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 %%4i ??? （見(jiàn)表 23） 滿足設(shè)計(jì)要求 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) （ 1）確定時(shí)間常數(shù) 1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)IK1 。由電流環(huán)設(shè)計(jì)可知 ??TKI ，則 IK1 = ssT i ???? 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) onT 。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取 sTon ? 。 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常 數(shù) ?nT。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 sssTKT onIn ?????? 常州工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 （ 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)間常數(shù)為 sshT n 0 8 1 7 ?????? 由2221???nn ThhK 可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)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(yàn)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(jiǎn)化條件 I ssTK ??????? 11i 0 3 3 53131 滿足簡(jiǎn)化條件 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 I ssTK ???? ?? 11on 滿足近似條件 （ 5）計(jì)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(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 FFFRTC onon ?11011040 630 ??????? ? 取 1 F? 前面所設(shè)計(jì)的 ASR、 ACR 可用模擬電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但隨著智能芯片的發(fā)展，采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到更廣泛的應(yīng)用 。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可將模擬 PID 控制規(guī)律通過(guò)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(xiàng)構(gòu)成，第一項(xiàng) Kp e(k)— 比例控制；第二項(xiàng) ??kiip ieTTK0 )(— 數(shù)字積分控制；第三項(xiàng) T kekeTKdp )1()( ??— 數(shù)字微分控制。 數(shù)字 PID 控制算法根據(jù)被控對(duì)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(jì)算誤差或計(jì)算精度對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。而位置型算法要用到過(guò)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(dòng)作影響小，而位置型的誤動(dòng)作影響大；增量型算法易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。但是增量型只適用于對(duì)步進(jìn) 電機(jī)的控制，因而采用既具有上述優(yōu)點(diǎn)又適用于控制直流電機(jī)的 改進(jìn)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(shí)施中的問(wèn)題：算法編程 ,定點(diǎn)運(yùn)算運(yùn)算速度快，但精度較低；浮點(diǎn)運(yùn)算精度高但運(yùn)算速度慢；輸出限幅 ,控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有其極限位置，與控制器對(duì)應(yīng)就有兩個(gè)極限量及最大控制量 maxU 和最小控制量 minU 。輸出超過(guò)極限位置可能損壞 設(shè)備或使控制性能下降。因此當(dāng) max()u k U? 時(shí)取 max()u k U? ；常州工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 當(dāng) min()u k U? 時(shí)，取 min()u k U? ；積累整量化誤差： 當(dāng)積分項(xiàng) ()iK e k e??時(shí)，不要把它舍棄，而是將其累加起來(lái)，即1 ()ni iS ui i????,直到累加值 iSe? 時(shí)，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(shè)計(jì)，介紹了傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制及其應(yīng)用，并說(shuō)明了這種系統(tǒng)存在的問(wèn)題。從而提出本設(shè)計(jì)所采取的控制方案，畫(huà)出框圖 和原理簡(jiǎn)圖并解釋其工作原理 。 常州工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主電路設(shè)計(jì) 在給定直流電機(jī)的相關(guān)參數(shù)后可以進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)，以前述所給的 直流電機(jī)參數(shù)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。主電路由整流電路，濾波電路及 PWM 變換器組成。為簡(jiǎn)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(dān)。 PWM 變換器由四個(gè)絕緣柵極雙極晶體管 IGBT 和四個(gè)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需要考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)及各類(lèi)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(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)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(guò)二極管的峰值電流及電機(jī)最大負(fù)載時(shí)的峰值電流，為電機(jī)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(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 17 根據(jù)整流二極管的選型手 冊(cè)，選取 50 /1200AV的電力二極管作為整流電路的主開(kāi)關(guān)管。 IGBT 的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，選 用 MG200Q2YS50 型 IGBT。具有如下參數(shù)極值：