【導(dǎo)讀】由于以微處理器為核心的數(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。所以微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在各個(gè)方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系。統(tǒng)且應(yīng)用越來越廣泛。特點(diǎn)是用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及。最后進(jìn)行軟件編程、調(diào)試以及計(jì)算機(jī)仿真。本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z2-32型，額定功率，額定電壓230V，運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM受器件各量限制，適用于中、故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管。三相全控橋交流器供電方案。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體。的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電。少，因而加速過程必然拖長。過程中只有電流負(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，

　　

【正文】 DRHIHUeCVreCRmK??? 把 A,B 代入式 (521)得 [B ┊ AB┊ A2B] = ???????????001108 39 113 62 300 它的秩為 3, 因而此狀態(tài)方程有解 ,即系統(tǒng)能控。由于本系統(tǒng)只考慮快速性要求，即對(duì) x1 = n 提出快速要求，對(duì)其他兩個(gè)狀態(tài)變量無要求，故 Q 作如下選擇。 ???????????0000000011qQ q11 不能選擇過大，否則使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，一般先 q11?1 ，選 q11 = 0。 0012。 對(duì)于單輸入系統(tǒng)， R 為常數(shù)，選 R=1，把以上四參數(shù)代入式（ ）。用計(jì)算機(jī)離線求出 P 陣，最后求出狀態(tài)反饋陣為 K = R1BTP = [ , , ] （ 2） 速度調(diào)節(jié)器的求取 引入狀態(tài)反饋后圖 58 可以畫成如圖 59 所示的框圖。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 35 圖 59 速度環(huán)狀態(tài)反饋框圖 由于本設(shè)計(jì)是在速度給定降為零時(shí) ,尋找制動(dòng)過程最優(yōu)控制律 ,因而令UGn = 0, 此時(shí)圖 59 成為圖 510。圖中 KSF 是對(duì) 1000r/min 時(shí)，若令 USF = , 則 KSF = /（ 1000r/min） = 178。 min/r 。若考慮速度調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器 ,并加入比例微分負(fù)反饋 ,其結(jié)構(gòu)圖如圖 511 所示。 圖 510 速度環(huán)狀態(tài)反饋簡化圖 圖 511 PI 調(diào)節(jié)器加比例微分負(fù)反饋框圖 比較圖 510 和圖 511 可得 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 36 ???????? ?????? )1(13211)1()1( sfTsmKK mTKsmTmKKKSFKsfTsspK ?? （ 526） 比較式 (526)兩邊系數(shù)有： KP = , τ = , Tf = , 相應(yīng)速度調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ssKKsssspKsSTD )1()( ????????? ?? (527) 比例微分反饋的傳遞函數(shù)為 Gfn（ s） = 1 + Tfs = 1 + (528) 由式 (527)可得到速度調(diào)節(jié)器的離散化方程和差分方程為 ???? ki iekekC （ 529） ????? kekekCkC （ 530） 由式 (528)可得比例微分反饋差分方程為 Ufn（ k） = USF（ k） + [USF（ k） USF（ k1） ] （ 531） （ 3）速度環(huán)穩(wěn)定性分析 考慮反電勢(shì)的影響 ,數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖 512 所示。其 Gs（ s）由圖 513 求之，它實(shí)際上是速度環(huán)的控制對(duì)象。 圖 512 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 圖 513 速度環(huán)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)圖 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 37 )( 1 35 9 3111)(?????????ssmTmCKssTiKsmTmKsiTiKssGe ? ? )( 591)( ?? ??????????????????zzzssSTezssGz ? ? zzsfnGz )( ?? ? ? )( ?? ??? zz zsGsGz ? ? )( ??? zzsSTDz 由圖 512 可得到系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 0 0 2 ))(()()(1 )()()( ???? ?????? zzzz zzzzSGGfnGzSTD zSGzSTDzBG 因而得到系統(tǒng)特征方程為 z4 – z3 + z2 – + = 0 （ 532） 利用計(jì)算機(jī)求解式 ()得到的根為 z1,2 = 177。 453j z3 = z4 = 由此可見 ,全部根都在單位圓內(nèi) ,所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 （ 4）速度環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差分析 由圖 532 可得到系統(tǒng)誤差脈沖傳遞函數(shù)為 )2)(1()()()(1 1)( ???? ???????? zzzz zzzzzGSGzfnGzSTDzEG 當(dāng)給定為單位階躍輸入時(shí)有 011 1)()11(1lim)( ?????????? zzEGzze 當(dāng)給定為速度輸入時(shí)有 2)11( 100 9 )()11(1lim2)11( 1)()11(1lim)( ??? ????????? ???????? z zzEGzzz zSTTzEGzze 當(dāng)給定為加速度輸入時(shí)有 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 38 ???? ???????? 3)11( )21(20 0 )()11(1lim)( z zzzEGzze （ 5）速度環(huán)采樣周期的選擇 速度環(huán)的控制對(duì)象傳遞 函數(shù)為 242)( 13 5 9 3)( ??? ssSG 則有 : )(), in (21),1m in (21)1(11)1()1(22ssstSTTssssst??????????????? 我們選擇速度環(huán)采樣周期為 ～ 。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 39 第 6 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本調(diào)速系統(tǒng)的全部軟件包括主程序、子程序以及中斷處理程序，系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖 圖 61 主程序流程圖 如圖 61 所示的主程序流程圖，它完成主程序完成系統(tǒng)的各種功能初始廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 40 化操作，包括 8031 的片內(nèi) I/O 寄存器、各種狀態(tài)和標(biāo)志位、各 個(gè)控制數(shù)據(jù)等的初始化，然后循環(huán)定時(shí)執(zhí)行速度環(huán)和電流環(huán)的計(jì)算，并完成鍵盤輸入、顯示掃描等各種功能。 數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器程序設(shè)計(jì) 在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。 當(dāng)輸入時(shí)誤差函數(shù) e(t)、輸出函數(shù)是 u(t)時(shí)， PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下 tstspiKsE sUspiW 1)( )()( ??? （ 61） 式中 Kpi為 PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)； t 為 PI 調(diào)節(jié)器的積 分時(shí)間常數(shù)。 式子（ 61）的時(shí)域表達(dá)式可寫成 ?? ???? dtteIKtePKdttettepiKtu )()()(1)()( （ 62） 其中， KP=Kpi 為比例系數(shù)， KI=1/t 為積分系數(shù)。 將上式離散化成差分方程，其第 k 拍輸出為 )1()()()()(1)()()( ????????? ? kIukes amTIKkePKkIukekiPKies amTIKkePKku （ 63） 其中， Tsam 為采樣周期。 式（ 63）表述的差分方程為位置式算法， u(k)為第 k 拍的輸出值。由式子看出，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式 PI 調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰， P 和 I 兩部分作用分明，參數(shù)調(diào) 整簡單明了。 為了安全起見，常須對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出實(shí)行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對(duì) u 限幅，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值 um,當(dāng) u(k)um 時(shí)，便以限幅值 um 作為輸出。而位置式算法必須要同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅。 帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)程序框圖如圖 62 所示。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 41 數(shù)字濾波器程序設(shè)計(jì) 在檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速信號(hào)中，不可避免地要混入一些干擾信號(hào)。在數(shù)字測(cè)速中，硬件電路只能對(duì)編碼器輸出脈沖起到整形、倍頻的作用，往往用軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。數(shù)字濾波具有使用靈活、修改方便等優(yōu)點(diǎn)，它可以用于測(cè)速濾波，也可以用于 電壓、電流檢測(cè)信號(hào)的濾波。常有的數(shù)字濾波主要有三種，它們分別是算數(shù)平均值濾波、中值濾波和中值平均濾波。本次設(shè)計(jì)采用中值平均濾波。 中值平均濾波首先要設(shè)有 N 次采樣值，排序后得 X1X2? XN，去掉最大值 XN 和最小值 X1，剩下的取算術(shù)平均值即為濾波后的 Y 值 ????? 1221 Ni iXNY 中值平均濾波是中值濾波和算術(shù)平均濾波的結(jié)合，即能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復(fù)雜。程序框圖可由上式得出，在此略。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 42 圖 62 位置式數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器程序框圖 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 43 中斷處理程序設(shè)計(jì) 電流環(huán)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì) 它主要完成電機(jī)索零運(yùn)算、電流調(diào)節(jié)器 PI 運(yùn)算、輕載時(shí)電流自適應(yīng)的運(yùn)算。設(shè)系統(tǒng)電流斷續(xù)臨界值為 I0，反饋電流采樣值為 I，則程序框圖如圖62 所示。 圖 62 電流環(huán)中斷服務(wù)程序簡化框圖 （ 1）鎖零單元程序設(shè)計(jì) 為防止電機(jī)慢速爬行，一般模擬晶閘管都設(shè)有鎖零單元。這里用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。首先檢查下速度給定 UGn 和速度反饋 UFn 是否為零或者小于某廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 44 臨界值 n0，若不為零系統(tǒng)正常運(yùn)行。若為零，使電流調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)電壓，把晶閘管調(diào)速系統(tǒng)推向逆變，迫使電動(dòng)機(jī)停止（爬行），其程序框圖如圖 63所示。 圖 63 鎖零程序框圖 （ 2）電流自適應(yīng)程序設(shè)計(jì) 在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)一般是按電樞回路電流連續(xù)的情況來選取，然而當(dāng)系統(tǒng)輕載工作時(shí)，如果平波電抗器的電感量不太大，就會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)，晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性和電流連續(xù)相比有明顯的差別，其動(dòng)態(tài)性能也發(fā)生兩項(xiàng)重要變化。 （ a）由于電流斷續(xù)時(shí)整流裝置外特性變陡，其等效內(nèi)阻大大增加，因此，使電流 環(huán)調(diào)節(jié)對(duì)象總放大倍數(shù)下降。 （ b）當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) TD 存在，從整流電壓UDO 的突變到平均電樞電流 ID 響應(yīng)不可能瞬間完成，而是按指數(shù)規(guī)律逐漸變到穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)情況不同，由于電感對(duì)電流的延緩作用已在一個(gè)波頭結(jié)束，平均電壓突變后，下一個(gè)波頭的平均電流便也立即隨電壓變化。因此，從整流電壓和電流平均值的關(guān)系上看，相當(dāng)于 TD=0，也就是說，在平均整流電壓和電流之間，電流連續(xù)時(shí)是慣性環(huán)節(jié)，電流斷續(xù)時(shí)就成了比例環(huán)節(jié)。 考慮到上述兩項(xiàng)變化，平均整流電壓與平均整流電流間的傳遞函數(shù)由連續(xù)的11?sDTR變成斷續(xù)時(shí)的R?1，其中 R， 是斷續(xù)時(shí)電樞回路的等效電阻，如果電流調(diào)節(jié)器已按連續(xù)情況設(shè)計(jì)好了，其傳遞函數(shù)為 st stKsLTD 1 )11(1)( ?? 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 45 為了使系統(tǒng)在電流斷續(xù)時(shí)具有同樣的動(dòng)態(tài)性能，只有讓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)也隨著調(diào)節(jié)對(duì)象傳遞函數(shù)變更而改變才行，假設(shè)電流環(huán)其他部分傳遞函數(shù)沒有變化則電流斷續(xù)時(shí)電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) )(sLTD? 應(yīng)滿足下列關(guān)系： RsLTDsDT RsLTD ?????? 1)(11)( 考慮 到電流連續(xù)時(shí)通常選擇 TD=τ 1,則有 Rt RsKsLTD 11KK,)( ?????? 其中 由此可見 ,電流斷續(xù)時(shí)要求電流調(diào)節(jié)器是一個(gè)積分環(huán)節(jié) ,因而電流斷續(xù)時(shí)要改變電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) ,使它和電流連續(xù)時(shí)相適應(yīng) ,使其動(dòng)態(tài)性能基本和電流連續(xù)時(shí)相同 ,這就稱為電流自適應(yīng)控制。若用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)電流自適應(yīng)控制，只要判斷主回路電流是否連續(xù)即可，若電流連續(xù)就按 PI 算法，若電流斷續(xù)就按 I 算法。按積分算法其差分方程為 Cn=Cn1+K3en1 設(shè) II 單元放電流反饋值； IO 單元放電流斷續(xù)臨界值，則其程序框圖如圖 64所示。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 46 圖 64 電流自適應(yīng)程序框圖 速度環(huán)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì) 測(cè)速軟件包括捕捉中斷服務(wù)子程序（如圖 65 所示）和測(cè)速時(shí)間中斷服務(wù)子程序（如圖 66 所示）構(gòu)成，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行到“測(cè)速允許 ” 時(shí)，開放捕捉中斷，但只有到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿到達(dá)時(shí)，進(jìn)入捕捉中斷服務(wù)子程序，旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)器 M1 和高頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 M2 才真正開始計(jì)數(shù)，同時(shí)打開測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器 T1，禁止捕捉中斷，使之不再干擾計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。待測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器到達(dá)計(jì)數(shù)值，發(fā)出停止測(cè)速信號(hào)，再次開放捕捉中斷，到旋轉(zhuǎn) 編碼器脈沖前沿再到達(dá)時(shí)停止計(jì)數(shù)。在這一組軟件框圖中，測(cè)速軟件僅完成 M1 和 M2 計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)速計(jì)算是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中完成的。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 47 圖 66 測(cè)速時(shí)間中斷服務(wù)子 程序框圖 圖 65 捕捉中斷服務(wù)子程序框圖 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖 67 所示。進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序后，首先應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，再計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，完成 PI 調(diào)節(jié)，最后啟動(dòng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，為下一步調(diào)節(jié)