【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)選擇最優(yōu) 設(shè)計(jì) 方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行 ，取得良好的效果 。 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào) Z232型，額定功率 ，額定電壓 110V，額定電流 46A，額定轉(zhuǎn)速 1500r/min， 勵(lì)磁電壓 220V。 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式如下： ??? ?e aC RIUn（ r/min） （ 21） 式（ 21）中： U—— 電樞電壓（ V）； aI —— 電樞電流（ A） 。 aI —— 電樞電路總電阻（ ? ）； 由式（ 21）可知，調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n的控制方法有以下三種： （ 1）調(diào)節(jié)電樞電壓 U。調(diào)壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ，適應(yīng)于要求大范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)。 （ 2）減弱磁通調(diào)速。此種方法使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，調(diào)速范圍小。 （ 3）改變電樞回路電阻 R。此法屬于有級(jí)調(diào)速，平滑性差，機(jī)械特性軟，效率低。 改變電樞回路電阻的方法缺點(diǎn)很多，目前較少采用；弱磁調(diào)速調(diào)節(jié)范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用。因此，調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，本設(shè)計(jì)采用調(diào)壓調(diào)速方式。 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 電壓 主要有三種方式 ：旋轉(zhuǎn) 變 流機(jī)組，靜止 變流裝置 ， PWM脈寬調(diào)制變換器 (或稱 直流斬波器 )。 （ 1） 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) 的直河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 5 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 系統(tǒng)較為復(fù)雜 、體積大、效率低、維護(hù)不便。 （ 2） 靜止 變流裝置 ，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流 電壓， 采用 靜止 變流裝置又稱 VM 系 統(tǒng) 。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 dU ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用 的 快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。 （ 3） 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 ，因 受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì) 根據(jù) 技術(shù)要求和特點(diǎn)選 用 VM系統(tǒng) 。 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 在 VM系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓 dU 。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路。考慮 到 使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求， 因此 選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感 量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的 一大優(yōu)點(diǎn)。晶閘管可控整流裝置無(wú)噪聲、響應(yīng)快、重量輕、投資省 ， 而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。綜上選 用 晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，它有調(diào)速范圍 D和靜差率 s兩個(gè)指標(biāo)。 （ 1）調(diào)速范圍 D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比稱為調(diào)速范圍 ，用字母 D表示，即 ninnnD max? （ 22） 其中 maxn 和 minn 一般指電機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)輕載的機(jī)械，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速 。 （ 2）靜差率 s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 numn? 與河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 6 理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱為靜差率 s，表示為： （ 23） 顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，而且調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，只有同時(shí)提示才有意義 。一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低轉(zhuǎn)速是還能滿足靜差率要求下的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間有以下關(guān)系。 在調(diào)壓調(diào)速中，常以電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 nom 為最高轉(zhuǎn)速，若在額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降為 nomn? ，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)是最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率，即 min0nns nom?? （ 24） 于是 s nsnsnnnn nomnomnomnom ?????????? )1(m i n0m i n，而調(diào)速范圍為： minminmax nnnnD nom?? （ 25） 將 minn 代入上式得 )1( sn snD nomnom ??? （ 26） 對(duì)于同一調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或 nomn? 值是一定的，因此，由上式（ 26）可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩種。 （一 ）隨性能指標(biāo) （ 1）上升時(shí)間 rt 在典型階躍響應(yīng)跟隨過(guò)程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 （ 2）超調(diào)量 ? 輸出量超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比 00m a x 100??? ? ?c cc? （ 27） 0nns num??河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 7 （ 3）調(diào)節(jié)時(shí)間 st 響應(yīng)曲線到達(dá)并不再超出允許誤差帶所需要的最短時(shí)間，允許誤差帶= ?? )2~5100( 000000 穩(wěn)態(tài)值。 （二）抗擾性能指標(biāo) （ 1）動(dòng)態(tài)降落 00maxc? 最大動(dòng)態(tài)降落 maxc? 與原穩(wěn)態(tài)值 ?c 之比。 （ 2）恢復(fù)時(shí)間 vt 從階躍擾動(dòng)開始，到響應(yīng)曲線到達(dá)并不再超出允許誤差帶所需的最短時(shí)間間隔段稱 為恢復(fù)時(shí)間。 總體結(jié)構(gòu) 的 設(shè)計(jì) 全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能，選擇最適合設(shè)計(jì)要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際，選擇轉(zhuǎn)速 電流 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)光電脈沖轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)，再直接連到單片機(jī)。交流側(cè)電流通過(guò)電流互感器的作用，經(jīng)采樣， A/D轉(zhuǎn)換連到單片機(jī)。 雙閉環(huán) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 的 選擇 若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，不過(guò)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能 完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈 方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(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(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。 與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，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)表河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 8 現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用， 系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)程中表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。 電動(dòng)機(jī)的供電方式的選擇 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)供電方案選擇晶閘管三相全控橋整流電路，具體將在第四章討論。 系統(tǒng)的 硬件結(jié)構(gòu)如圖 21所示 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 9 速度給定觸發(fā)脈沖 驅(qū)動(dòng)電路晶閘管門極顯示電路輸入口高速輸出口串行口外部中斷引腳轉(zhuǎn)換高速輸入口倍頻電路電流變送器電壓過(guò)零比較 放大光電編碼器系統(tǒng)的總體框圖 圖 21 系統(tǒng)的總體框圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 10 3 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID控制 單片機(jī)控制的操作功能包括從控制對(duì)象中獲 取各種信息，執(zhí)行反映控制規(guī)律的控制算法，把計(jì)算結(jié)果以一定的形式傳送到行機(jī)構(gòu)或顯示報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)操作人員 控制臺(tái) 單片機(jī)系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。其中，最主要的任務(wù)是執(zhí)行控制算法。系統(tǒng)構(gòu)成后，控制規(guī)律是反映單片機(jī)控制系統(tǒng)性能的核心。隨著控制理論和單片機(jī)水平的不斷發(fā)展，單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能日益 增強(qiáng) ，適用的控制規(guī)律也 越來(lái)越多 ， 如 PID 調(diào)節(jié)、史密斯 (Smith)預(yù)估控制、最優(yōu)控制、基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計(jì)方法和基于輸入輸出模型的設(shè)計(jì)方法等。 PID 控制式工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。 在本系統(tǒng)中，采用 了 PID 控 制算法。 PID 控制器具有簡(jiǎn)單而固定的控制形式，可以在很管得范圍內(nèi)保持較好的魯棒性，三種不同形式的控制作用組合起來(lái)跟隨被控對(duì)象的變化，可以減小動(dòng)態(tài)誤差。 它是一種基于負(fù)反饋的控制方法，不僅在模擬調(diào)節(jié)器得到了廣泛應(yīng)用，而且更適合于單片機(jī)控制系統(tǒng)。 PID 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)的物理意義明確，動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性較好的優(yōu)點(diǎn)。在控制理論不斷發(fā)展的今天， 常規(guī) PID 控制器 仍然 是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛 、 最基本的一種控制器， PID調(diào)節(jié)器的基本 原理 控制器最常用的控制規(guī)律是 PID控制。 常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 31所示。系統(tǒng)由模擬 PID控制器和被控對(duì)象組成。 比例積分微分控制對(duì)象比例 圖 31 模擬 PID 控制原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 11 e(t)=r(t)c(t) （ 31） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID控制器。 簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)， PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： （ 1） 比例環(huán)節(jié) ： 成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e（ t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 （ 2） 積分環(huán)節(jié) ： 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用度強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 （ 3） 微分環(huán)節(jié) ： 能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太 大 之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度， 減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計(jì) 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器的 PID控制規(guī)律為： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? （ 32） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式 ( ) 1( ) (1 )() pDIUsG s K T SE s T S? ? ? ? （ 33） 式中 pK 比例系數(shù)； IT 積分時(shí)間系數(shù)； DT 微分時(shí)間常數(shù)。 將上式離散化為數(shù)字 PID，只要將式中 各項(xiàng)分別離散化就可以了，即為： )()( kTutu ? （ 34） )()( kTete ? （ 3