【導(dǎo)讀】而隨著對電機控制技術(shù)要求的不斷提高，普通單片機越來越不能滿足控制要求，DSP技術(shù)的發(fā)展正好為先進控制理論以及復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)提供了有力的支持。動機的控制策略，以及DSP芯片的選型。本文采用TI公司的TMS320F2812作為控制器，電。機的控制系統(tǒng)由檢測裝置、主控制器、功率驅(qū)動器IPM、光電旋轉(zhuǎn)編碼器組成。速環(huán)應(yīng)校正成哪一典型系統(tǒng)。整個硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。軟件設(shè)計了主程序模塊，初始化子程序模塊以及中斷服務(wù)子程序模塊。入循環(huán)體，等待系統(tǒng)中斷。中斷服務(wù)程序模塊包括A/D采樣模塊、捕獲中斷模塊、轉(zhuǎn)速。電流調(diào)節(jié)模塊、控制算法模塊以及故障保護中斷模塊。

　　

【正文】 (223) 式中 ? — 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 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 ??*i sU ，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 ： ? ?? ?d*i()s 1/=1s s+1cliIsIUKW ?? ? (224) 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù) 1/KI的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象 ， 加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控 制的一個重要功能。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替 圖 29 中的 電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如 212（ a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為? ?*n s/U ? ， 再把時間常數(shù)為 onT 和 1/IK 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為 T∑n 的慣性環(huán)節(jié)， 其中 onn 1= ITTK ?? (225) 則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu) 框 圖可 簡 化成圖 212（ b）。 由于調(diào)速系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無靜差 ， 在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR中?，F(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)， 所以 應(yīng) 將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計成典型 II系統(tǒng) ，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足 動態(tài) 抗擾 性能好的 要求 。 由此可見， ASR也應(yīng)該采用 PI調(diào)節(jié)器，其 環(huán)傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?nn ns1s sASRWK ? ? ?? (226) 式中 nK — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n? — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù) 。 ? ?nsASR em sRCTn/ s+1T??? ? ?dl sI ? ?d sI? ?*n sU ? （ a） 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 ? ?nsASR em sRCTn/ s+1T??? ? ?dl sI ? ?d sI? ?*n sU ? （ b） 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理 ? ?*n sU ? ? ?? ?n2ns + 1s s + 1NKT??? ?ns （ c） 校正后成為典型 II型系統(tǒng) 圖 212 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化 這樣，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ： ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ?n n n nnn 22n e m n e mn n ns 1 s+1 s+1/s = = =s s s+1 s s+1 s s+1NK R KRWKC T T C T T T? ? ? ???? ???? ? ? (227) 由上式可知轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 為 ： nn e m=NKRK CT??? (228) 不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 212（ c）所示。 上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下： i13 IKT? ?? on13 IKT? ? 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 nK 和 n? ， 至于中頻寬 h 應(yīng)選擇多少，要看動態(tài)性能的要求決定。無特殊要求時，一 般可選擇 h=5，則 ASR 的超前時間常數(shù)為： n n=hT? ? (229) 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： 22nh+12hNK T?? (230) ASR 的比例系數(shù)為： ? ? emnnh+12h R CTK T???? (231) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 該系統(tǒng)的基本參數(shù)和設(shè)計要求 直流電動機： 220V， 136A， 1460r/min， 允許電流過載倍數(shù) =? ，整流裝置采用三相橋式電路 ； 電樞回路總電阻 R=05.? ； 電動勢系數(shù) e =0 .132 m in/ rCV? ； 電磁 時間常數(shù) Tl=，機電時間常數(shù) Tm=，電流濾波時間常數(shù) Toi=，整流裝置滯后時間常數(shù) Ts=，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) Ton=； 電流反饋 系數(shù) = /VA? ? ?10 / NVI? ； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) =0 .00 7 m in/ rV? ? ? ?10 / nNV? 。 設(shè)計要求：設(shè)計電流調(diào)節(jié)器， 要求電流超調(diào) i 5%?? ； 設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，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 n 10%? ? 。 （ 1） 確定時間常數(shù) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和s o iiT = + = 37 sTT?，則電流環(huán)等效時間常數(shù)根 據(jù)iK T ?? 得： i1 = 2 T = 2 0 . 0 0 3 7 s = 0 . 0 0 7 4 sK I ?? 于是，轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) ：onn 1T = + = 0 . 0 0 7 4 s + 0 . 0 1 s = 0 . 0 1 7 4 sK I T? 由 li0 .0 3 s= = 8 .1 1 1 00 .0 0 3 7 sTT?知電流環(huán)采用 典型 I系統(tǒng) 設(shè)計滿足要求 。 （ 2） 調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： il= =? 。 電流環(huán)開環(huán)增益： 1i0 .5 0 .5K = =135 .1s0 .003 7sI T? ? 于是， ACR的比例系數(shù)為 ： ii s 1 3 5 . 1 0 . 0 3 0 . 5= = 1 . 0 1 34 0 0 . 0 5IKRK K ?? ?? ?? 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 ： n n= h = 5 0 .01 74 s= 0 .08 7sT? ?? 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 ： 2 22 2 2 2nh + 1 6= s = 3 9 6 . 4 s2 h 2 5 0 . 0 1 7 4NK T? ??? 于是， ASR的比例系數(shù)為 ： ? ? emn nh+1 6 0 .05 0 .132 0 .18= = =11 .72h 2 5 0 .007 0 .5 0 .017 4CTK RT?? ? ? ?? ? ? ?? （ 3） 校驗近似條件 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 19 電流環(huán)截止頻率： 1ci = 13 ? ? 1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 ： 1 cis11= = 1 9 6 . 1 s3 3 0 . 0 0 1 7 sT ??? ， 滿足近似條件。 2） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響 條件 ： 1 ciml113 = 3 = 4 0 . 8 2 s0 . 1 8 s 0 . 0 3 sTT ????， 滿足近似條件。 3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 ： 1 cis o i1 1 1 1= = 1 8 0 . 8 s3 3 0 . 0 0 1 7 s 0 . 0 0 2 sTT ???， 滿足近似條件。 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率： 1 1c n n= = 39 6 .4 0 .08 7s = 34 .5sNK?? ? 1）電流 環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 ： 1 1 i1 1 1 3 5 .1= s =6 3 .7 s3 3 0 .0 0 3 7IKT ???，滿足簡化條件。 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 ： 1 1 on1 1 1 3 5 . 1= s = 3 8 . 7 s3 3 0 . 0 1IKT ??，滿足簡化條件。 根據(jù)工程設(shè)計方法，按照實際系統(tǒng)的具體 要求計算得出兩個調(diào)節(jié)器的實際參數(shù) ，然后將模擬 PI調(diào)節(jié)器離散化得到數(shù)字 PI調(diào)節(jié)器后，求得以下數(shù)字調(diào)節(jié)器的參數(shù)： 電流比例系數(shù) ： I_KP=Ki=； 電流積分系數(shù) ： I_KI=KPI/τ i=Ki/τ l=； 速度比例系數(shù) ： N_KP=Kn=； 速度積分系數(shù) ： N_KI=KPI/τ n=Kn/τ n=。 本章小結(jié) 本章介紹了直流調(diào)速系統(tǒng) PWM 控制方式的原理和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，分析計算了轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的傳遞函數(shù)和調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 的設(shè)計及數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)。雖然模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰 ， 控制信號流向直觀等優(yōu)點，但 其 存在離散性，控制器參數(shù)及結(jié)構(gòu)不好調(diào)整等缺點，在實驗的驅(qū)動、加載和控制等方面還存在不便之處。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，愈來愈多的電力電子裝置從模擬化過渡到數(shù)字化。本系統(tǒng)采用基于 DSP控制的全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)，由軟件來實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的給定，并能容易實現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整，進而研究各參數(shù)是怎樣影響系統(tǒng)性能的，使控制達到最好。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 20 3 調(diào)速系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 設(shè)計 系統(tǒng)組成 DSP數(shù)字控制 的 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 31所 示 ， 其硬件結(jié)構(gòu)由主電路和控制電路兩部分組成。主電路由三相不可控整流 ， 泵升電壓電路 ， 智能功率模塊 IPM電路 與直流電動機構(gòu)成。 其中， IPM模塊中 的 H橋雙極性直流斬波電路 的 驅(qū)動信號 是 由 DSP TMS320F2812控制輸出 的 。轉(zhuǎn)速的檢測采用數(shù)字測速器， 它是用 DSP讀取與電動機聯(lián)軸的光電 旋轉(zhuǎn) 編碼器輸出的脈沖數(shù)，經(jīng) DSP計算后得出轉(zhuǎn)速值。泵升電壓的控制經(jīng)與事先設(shè)定值比較后由 DSP發(fā)出控制信號實時控制啟動泵升電壓電路，進行能量泄放，保護主電路。系統(tǒng)利用故障保護引腳 PDPINTA產(chǎn)生的信號，及時封鎖 4路 PWM信號，以及通 過 I/O口控制開關(guān) K1的動作實現(xiàn)保護。該 DSP控制系統(tǒng)有完善的保護體系。 驅(qū) 動 電 路脈 沖 整 形F B SMC 1R OR 1R 2K 1占 空 比 計 算捕 獲 單元P I 調(diào) 節(jié)A/D轉(zhuǎn)換生 成 P W M / 死 區(qū) 控 制I P MH電 流 檢 測 電 路電 壓 檢 測 電 路霍 爾 電 流傳 感 器R b泵 升 限 制T M S 3 2 0 F 2 8 1 2++數(shù) 字 測 速 圖 31 DSP控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 21 主電路 主電路電路原理 因要求直流電壓脈動較小、易濾波， 且考慮到本設(shè)計對象（電動機）的功率大小，本系統(tǒng) 采用三相整流電路?？紤]到盡可能減少電網(wǎng)和二極管裝置間的相互干擾， 要求二極管主電路與電網(wǎng)隔離，所以需配置 電容濾波裝置 。 其交 流側(cè)由三相電源供電， 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， 并采用大電容 C濾波，以獲得恒定的直流電壓 Us，再經(jīng)過直流 PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓， 給直流電動機供電。直流 PWM變換器采用雙極性斬波控制， 由于電容容量較大，突加電源時相當(dāng)于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流， 容易損壞整流二極管。為了能限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻 R0，合上電源以后，延時用開關(guān)將 R0短路，以免在運行中造成附加損耗。其結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 M光 隔 驅(qū) 動P W M 5P W M 1 P W M 2P W M 3 P W M 4T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 D S P 控 制 器U sCR bR 0G 1G 5G 2G 3G 4D 1D 2D 3D 4I P M 內(nèi) 部 簡 化 圖R 1R 2K 1PNWUV+ 圖 32 橋式可逆雙極性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 由于 交 流電源 是經(jīng) 二極管整流器供電，不可 能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，即泵升電壓。在大容量或負載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以采用上圖中的鎮(zhèn)流電阻 Rb來消耗掉部分電能 。分流電路靠開關(guān)器 G5在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通 ， 這就是我們通常所說的“卸載”。 主電路參數(shù) 的計算與 器件的 選擇 正確合理地選擇二極管元件和 電容 C是保證主電路可靠運行的重要條件之一，所以 ，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 22 二極管的額定電流和電壓及電容 C的大小 一定要考慮合適的電流儲備系數(shù)，通常稱安全系數(shù)。從設(shè)計和使用的經(jīng)驗來看，其安全系數(shù)應(yīng)適 當(dāng)選大些，以保證系統(tǒng)工作可靠，特別是對某些生產(chǎn)上的關(guān)鍵設(shè)備更應(yīng)如此。 整流元件的額定電壓 ： ? ? m23TN TUU? ～ (31)