【導(dǎo)讀】用于工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制直流調(diào)速技術(shù),它具有調(diào)速精度。高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。文中采用AVR單片機(jī)ATmega16產(chǎn)生PWM信號(hào)、L298

　　

【正文】 般原則“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì) 電流 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)分 為以下幾個(gè)步驟： 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化 忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響 。在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即Δ E≈ 0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示。 圖 忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響結(jié)構(gòu)框圖 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成 *( )/iUs? ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。 25 圖 電流環(huán)等效成單位負(fù)反饋 小慣性環(huán)節(jié)近似處理。 最后，由于 Ts 和 T0i 一般都比 Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為： T i Ts Toi??? （ 45） 簡(jiǎn)化的近視條件為 113ci TsToi? ? （ 46） 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化圖 圖 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化圖 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差， 由圖 可以看出， 以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型 I 型系統(tǒng)。 圖 表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用 PI 型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 26 ()() 1iiiACR KWs ss??? ? （ 47） 式中 Ki— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； τ i — 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 在一般情況下，希望電流超調(diào)量 5%i?? i ≤ 5%，可選ξ =， KI TΣ i =，則 12iI ciK T? ??? （ 48） 再利用式 li T?? 和式 I ii sKKK R???得到 ()22 illissT R R TKi K T K T?????? （ 49） 電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)： 電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖 224a 可知 2( ) 1( 1 )()* ( ) 111( 1 )IIIIiiidc liiKIs s T sWsU s K T sss T s K K?????? ? ?? ? ?? （ 410） 忽略高次項(xiàng)，上式可將階近似為 1()1 1IcliWs sK? ? （ 411） 近似條件可由式 11m in ( , )3c cba? ?求出 13 IiK T? ?? （ 412） 式中ω — 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 U *i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 27 1( ) ( )1* ( ) 1Id c liiI s W sUs sK???? ? （ 413） 這樣， 原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 的設(shè)計(jì) 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖 222 中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖 226a 所示。 圖 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及簡(jiǎn)化 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 U*n(s)/α，再把時(shí)間常數(shù)為 1 / KI 和 Ton 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 1I onn TKT ? ?? （ 414） 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 圖 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該 28 包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見(jiàn)圖 ），現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見(jiàn)， ASR 也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ( 1)() nASRnnKsWs s?? ?? （ 415） 式中 Kn — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； τ n — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： 2( 1 ) ( 1 )()( 1 ) ( 1 )nnnnnn m mn nRk n s K R sWss Ce T s T s Ce T s T s?? ? ??? ? ????????? （ 416） 令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為 Kn RKNn CeTm???? （ 417） 則2 ( 1)() ( 1)nNn K nsWs s T s?? ?? ? （ 418） 校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 校正后成為典型 II 型系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn 和τ n。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系， 可得 nn hT? ?? （ 419） 29 再由式 （ 239） 22 12N nhK hT??? （ 420） 因此 ( 1)2 mnen h C TK h RT?? ??? （ 421） 至于中頻寬 h 應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。 無(wú)特殊要求時(shí)，一般可選擇 h=5 PID 程序流程圖： 圖 PID 流程圖 30 定義 PID 結(jié)構(gòu)體 typedef struct { double SetPoint。 // 設(shè)定目標(biāo) Desired Value double Proportion。 // 比例 常數(shù) Proportional Const double Integral。 // 積分常數(shù) Integral Const double Derivative。 // 微分常數(shù) Derivative Const double LastError。 // Error[1] double PrevError。 // Error[2] double SumError。 // Sums of Errors }PID。 PID sPID。 // PID Control Structure 定義一下結(jié)構(gòu)體變量 5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 經(jīng)過(guò)調(diào)試， 電路基本完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)測(cè)試，電機(jī)在全速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速為每分鐘 8000轉(zhuǎn)，由于為了更好控制轉(zhuǎn)速 ，所以控制速度設(shè)定為 4000~8000 轉(zhuǎn)范圍。在不斷的測(cè)試和調(diào)試下，系統(tǒng)誤差基本達(dá)到與設(shè)定值的 5%誤差。 31 6 總結(jié) 本文已用 AVR單片機(jī) 實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī) 雙閉環(huán)調(diào)速 ， 簡(jiǎn)化了控制邏輯系統(tǒng)，與其它系統(tǒng)相比，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，實(shí)用性強(qiáng)，功能完整。 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來(lái)靈活方便。 如直流電機(jī)速度 PID/模糊 PID 控制已得到驗(yàn)證 ， 對(duì)于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。由于 M/T 法的計(jì)數(shù)值 M1 和 M2 都隨著轉(zhuǎn)速的變 化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于 M 法測(cè)速，最低速時(shí)， M1=1，自動(dòng)進(jìn)入 T 法測(cè)速。因此 M/T 法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。 模擬測(cè)速一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中（尤其在可逆系統(tǒng)中），轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。 使用 PID 閉環(huán)反饋控制可顯著提高系統(tǒng)性能。由于采用數(shù)字給定、數(shù)字控制和數(shù)字檢測(cè)，可根據(jù)控制對(duì)象的變化，方便地改變控制器參數(shù)， 更好地對(duì)直流電機(jī)調(diào)速控制。 32 致謝 在本論文完成之際， 衷心感謝指導(dǎo)老師寧宇 副 教授的悉心指導(dǎo)，以及提供良好的學(xué)習(xí)研究環(huán)境；在一個(gè)多學(xué)期的學(xué) 習(xí)中，給予我理論方面的支持和技術(shù)上的幫助； 對(duì)本人學(xué)習(xí)作風(fēng)產(chǎn)生極大的影響，養(yǎng)成實(shí)事求是、一絲不茍、自強(qiáng)不息的習(xí)慣。同 時(shí)寧宇老師淵博的知識(shí)和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神將使我受益匪淺 。 感謝 李廣同 師兄所做的前期電路， 最后還要感謝各位領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)們的熱情相助。 33 參考文獻(xiàn) [1]陳伯時(shí)，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第三版），機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [2]高國(guó)琴，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) ，機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [3]張軍， AVR單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)典型實(shí)例，中國(guó)電力出版社， 2020 [4]金鐘夫等， AVR ATmega128 單片機(jī) C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐 ，北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 [5]譚浩強(qiáng)， C程序設(shè)計(jì)（第三版），清華大學(xué)出版社， 2020 [6]林敏，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用，國(guó)防工業(yè)出版社， 2020 [7] 郭天祥， 51單片機(jī) C語(yǔ)言教程，電子工業(yè)出版社， 2020