【正文】 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 26 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA2D a t e : 9 J un 2 0 0 7 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \電路圖 \硬件電路設(shè)計(jì) . d db D r a w n B y:123ABC4561 7B7 4A L S 8 61231 7A7 4A L S 8 63 6152 2 4911 12107 8 1 1315145423121 6AL M 1 391231 8A7 4L S 8 6+ 12 VS1S2S3761U 1 6BL M 1 399814U 1 6CL M 1 39I N T+ 12 V+ 12 V 圖 52 同步 信號(hào) 電路圖 圖中，同步變壓器與主變壓器一樣接成 Y/Y12 接法 ，同步電壓先由二級(jí) RC 濾波電路濾除電源干擾，并通過調(diào)整 R 值實(shí)現(xiàn) 30o移相，使三個(gè)相同步電壓分別與晶閘管電源三相線電壓保持同相位。根據(jù)該基準(zhǔn)，通過單片機(jī)計(jì)算得出移相觸發(fā)時(shí)間，進(jìn)而確定觸發(fā)角對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖形成時(shí)刻。同樣使用12MHz 的晶振， 80C196KC 的運(yùn)算速度要比 8096 提高 1/3，使用 16MHz 的晶振，將比使用12MHZ 晶振的 8096 快 1/2(因?yàn)?8096 最快只能使用 12MHz 晶振 )。 控制模塊部分由 80C196KC單片機(jī)和外部程序存儲(chǔ)器構(gòu)成。 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA2D a t e : 7 J un 2 0 0 7 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \電路圖 \ M y D e s i g n . d db D r a w n B y:RRRRRRRRRCCCCCCCCCT3 T5T2T1T6T4DBTLRv 圖 42 主電路 和保護(hù)電路圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 24 5 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 一般典型的直流數(shù)字調(diào)速 系統(tǒng) 主要 包括 控制模塊 、同步信號(hào)電路、測速脈沖信號(hào) 、速度 反饋 模塊 、電流反饋電路、顯示電路、觸發(fā)脈沖輸出驅(qū)動(dòng) 模塊等部分 。因此對(duì)晶閘管的電流上升率必須有所限制。 快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能 較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施。 過 電流保護(hù) 和 dtdi 限制 （一） 由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流，溫度就會(huì)急劇上升，可能會(huì)把 PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。 （二） 電壓上升率 du/dt：正相電壓上升率較大時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 的 ～ 。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù) 。F 選取 70181。實(shí)用中常視需要在電路的不同部位 選用不同的方法，或者在同一部位同時(shí)用兩種不同保護(hù)方法。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 21 過電壓保 護(hù) 和dtdu限制 （一） 凡是超過晶閘管正常工作時(shí)承受的最大峰值電壓的情況都算過電壓，產(chǎn)生過電壓的原因是電路中 電感元件積聚的能量驟然釋放或者是外界侵入的大亮點(diǎn)和累積。 由表查得 K=，考慮 ～ 2倍的裕量 AI AVT ~)2~()( ????? ，取 ()T AVI ? 49A 故選晶閘管的型號(hào)為 KP498。 式中 K 電流計(jì)算系數(shù)。 一次、二次 側(cè) 相電流 I I2的計(jì)算 查 表 可 得 KI1=， KI2= 11 1 . 0 5 1 . 0 5 0 . 8 1 6 4 6 / 3 . 1 7 1 2 . 4 3IKII A AK? ? ? ? ? 22 46 6IdI K I A A? ? ? ? 變壓 器容量的計(jì)算 S1=m1U1I1； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 20 S2=m2U2I2； S=1/2(S1+S2)； 式中 m m2 次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)； S1=m1U1I1=3380 = KVA S2=m2U2I2=3120 = KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（ +） = KVA 晶閘管 型號(hào) 的選擇 整流電路采用晶閘管全控橋電路。一般可按下式計(jì)算，即： BA UU d?)~1(2 ? （ 41） 式中 A理想情況下， ? =0176。此時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)為 0 221 1 8 6 .12n nhK hT???? 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)為 0 2 6 .7 8n e mn CTK n K R?????? 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 19 4 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 110V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采 用三相 降壓 變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢的不良影響 和 三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用 D/Y聯(lián)結(jié)。 考慮到一般 z? 比起系統(tǒng)其它部分的時(shí)間常數(shù)往往小很多，可以將該時(shí)滯環(huán)節(jié)近似為慣性環(huán)節(jié)處理，傳遞函數(shù)為 () 1zz zKWs s?? ? （ 318） 比例、積分系數(shù)初值的確定 （ 1） 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 18 由于電流的響應(yīng)過程 比轉(zhuǎn)速響應(yīng)過程快得多，所以可以不考慮反電勢的影響，反電勢支路相當(dāng)于斷開。 STSTKiii )1( ?11 ?STniSSTKnnn )1( ?11 ?STon 1?ssT K11?STRl STRm eC11?ST oi?1?ST on?*nU ?? )(te ?? ?? ??dI dlI )(snASRAC RSCR 圖 33 雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 17 其中轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)均采取 PI控制。 根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)定律，電動(dòng)機(jī)軸上的運(yùn)動(dòng)方程式為 fdnJ M Mdt ?? （ 311） 式中 J電動(dòng)機(jī)軸上 (包括負(fù)載折算過來的 ) n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； M電動(dòng)機(jī)軸的電磁力矩： fM 電動(dòng)機(jī)軸的負(fù)載力矩。將式 (34)代入 (32)，可得離散的 PID表達(dá)式為 ? ?0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]k Dp jI TTu k K e k e j e k e kTT?? ? ? ? ?? （ 35） 或0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]kp I Dju k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?? （ 36） 式中 k采樣序號(hào)， k = 0， 1， 2 u(k)第 k次采樣時(shí)刻的單片機(jī)輸出值； e(k)第 k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； e(k 1)第 k1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值 ； IK 積分系數(shù)， IK = PK T/IT ； DK 微分系數(shù)， DK = PK DT /T； 由 z變換的性質(zhì) 1[ ( 1 )] ( )z e k z E z??? 10 ()[ ( )] (1 )kjEzz e j z?? ? ?? 式 （ 36）的 z變換式為 11()( ) ( ) [ ( ) ( ) ]1P I DEzU z K E z K K E z z E zz ??? ? ? ?? （ 37） 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 14 由式 （ 37）便可得到數(shù)字 PID控制器的 z傳遞函數(shù)為 11()( ) (1 )( ) 1 IPDKUzG z K K zE z z ??? ? ? ? ?? （ 38） 或者 1 1 211( ) [ ( 1 ) ( 1 ) ]1 P I DG z K z K K zz ???? ? ? ? ?? （ 39） 由于單片機(jī)輸出的 u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)：晶閘管 u(k)的值和晶閘管的輸出電壓值是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱式 (35)或 (36)為位置式 PID控制算法。 由于單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式 (32)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。為了書寫方便，將 e（ kT）簡化表示為 e（ k），將上式（ 34）、（ 35）、（ 36） 、 (37)代入式（ 32）中，可得離散的 PID表達(dá)式為 ????????????? ??kjdipkekeTTjeTTkekku0)]1()([)()()( （ 38） 或 )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekekjekkekku dkjip （ 39） 上式中， k是采樣序號(hào) k=0、 2...。 （ 3） 微分環(huán)節(jié) ： 能反映偏差信號(hào)的變化趨勢（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。 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。 PID 具有結(jié)構(gòu)簡單，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)。 PID 控制式工業(yè)控制過程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。 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。得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。 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)速無靜差，不過當(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 完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(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)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，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以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。 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。 （一 ）隨性能指標(biāo) （ 1）上升時(shí)間 rt 在典型階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所經(jīng)過的時(shí)間。一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)速范