【正文】 狀態(tài)，即當(dāng)速度給定突然變?yōu)榱銜r尋找制動過程最優(yōu)控制律。為此，我們提出按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制來設(shè)計速度調(diào)節(jié)器。但是此時速度反饋來不及跟上速度給定，即U gn ＞U fn ，則ST仍然處于飽和限幅，故速度環(huán)工作在開環(huán)狀態(tài)，速度繼續(xù)上升，只有當(dāng)U gn ＜U fn 時，ST才退出飽和限幅，這時才真正構(gòu)成速度閉環(huán)，直到穩(wěn)態(tài)為止。 （516） 電流環(huán)在階躍下的穩(wěn)態(tài)誤差 上式利用Z變換終值定理有 所以電流環(huán)在單位階躍輸入是無靜差的。 C k =C k1 + k k1 （515） 把以上參數(shù)代入式（513）和式（514）可得: K 2 = K , T LTK 1 = K 0 K , T LT == (511) 根據(jù)二階最佳工程設(shè)計方法，則有 τ i = 2KT ε = 2 = (s) τ D =T D = (s) 這樣可得:令電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 圖55 這樣晶閘管傳遞函數(shù)和電流反饋傳遞函數(shù)可并為一慣性環(huán)節(jié): ,則K LF = ,其傳遞函數(shù)為 簡化的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 （1） 電流反饋傳遞函數(shù) 電流反饋回路由交流互感器經(jīng)三相橋式整流及T型濾波構(gòu)成,一 般時間常數(shù)在1∽2ms之間。因此，可以認(rèn)為反電勢對電流產(chǎn)生的影響很小，令△E=0，則圖53通過結(jié)構(gòu)圖變換，簡化為圖 54。 （57） 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計及采樣周期的選擇 確定了被控對象電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型,很容易作出電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖,如圖53所示 。 (56) 其中，M為電動機(jī)電磁力矩； M FZ 為電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩； I FZ 為電動機(jī)負(fù)載電流； n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速； C μ 為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)； C e 為電動機(jī)電勢常數(shù)； 由式(52)、(55)和(56)可以作出電動機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，如圖52所示。 R ε （ I D (54) = （GD 2 / 375 C μ ） (53) I D（dn/dt） = T D = L ε / R ε = =++2 (52) 其中, R ε = R D +2 R T +R P +R r , R R 為晶閘管重疊角等效電阻。 T D s+1U DO (s) – E(s) U DO R T = 整流變壓器電感: R P = 電抗器電感: R D = 電動機(jī)電樞電感: 原始數(shù)據(jù)： 直流電動機(jī)D的銘牌數(shù)據(jù)：型號Z 232 型，額定電壓220V，,額定轉(zhuǎn)速1000r/min, 勵磁電壓220V,運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)。 圖51 先求出各個器件的傳遞函數(shù)，然后得出整個環(huán)的傳遞函數(shù)，并對環(huán)的穩(wěn)定性作出正確的分析，最后求出采樣周期，并通過相關(guān)算法用數(shù)字形式來實(shí)現(xiàn)。 調(diào)節(jié)器的設(shè)計 第5章 圖46 [10] 此同步電路是由LM339構(gòu)成的過零比較器電路和一個光電耦合器及一個反相器組成的。這里由于80C51的P1口在復(fù)位后初態(tài)為1，故采用0為有效輸出位，以保證初態(tài)時晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。然后延時50μs，～，從而輸出寬度為50μs的觸發(fā)脈沖。 [9] 晶閘管控制 晶閘管觸發(fā)采用80C51的定時器T0實(shí)現(xiàn)。 綜上所述，本系統(tǒng)的速度測量采用數(shù)字M/T法測速。 由于M/T法的計數(shù)值M 1 和M 2 都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當(dāng)于M法測速，最低速時，M 1 =1，自動進(jìn)入T法測速。把M法和T法結(jié)合起來，既檢測Tc時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M 1 ，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M 2 ，用來計算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測速。 在這里，測速時間緣于編碼器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。 2：T法測速 高速時M 1 大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時M 1 將小于1，測速裝置便不能正常工作。電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生Z個脈沖（Z=倍頻系數(shù)編碼光柵數(shù)），把f 1 除以Z就得到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在一定的時間T c 內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M 1 ，用以計算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測速。 采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法有三種：M法、T法和M/T法。若碼盤的光柵數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速分辨率為1/N，常用得旋轉(zhuǎn)編碼器光柵數(shù)有1022044096等。 圖45 正轉(zhuǎn)時A相超前B相；反轉(zhuǎn)時B相超前A相。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖 上述脈沖序列正確地反映了轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。 圖44 增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，如圖44所示，當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動。絕對式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進(jìn)制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過接受器將該數(shù)碼送入計算機(jī)。 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機(jī)相連，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。不過模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴(yán)重。 速度測量 速度檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法。 [8] 對于需要較高精度的調(diào)速控制系統(tǒng)，可采用10位或者更高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。在調(diào)整速度給定值時，可按下速度給定顯示鍵。電流測量框圖 如圖44所示，交流電流通過電流互感器變成0～5V電壓信號，經(jīng)整流和濾波后加到ADC0808的IN0上。這時，MCU可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。寫入該地址，啟動A/D轉(zhuǎn)換器，通道地址由AAA0決定。 [7] 綜上，本系統(tǒng)采用Inter 系列中的80C51單片機(jī)。它們能在幾微秒內(nèi)完成16位加法和乘法，并且有10位A/D轉(zhuǎn)換器、16位高性能多功能定時器系統(tǒng)，可完成調(diào)速系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、控制輸出等功能。 表41 脈沖分配表（0有效） 單元地址 數(shù)據(jù)（由I/O口輸出） 被觸發(fā)晶閘管 M M+1 M+2 M+3 M+4 M+5 X X 0 1 1 1 1 0 X X 1 1 1 1 0 0 X X 1 1 1 0 0 1 X X 1 1 0 0 1 1 X X 1 0 0 1 1 1 X X 0 0 1 1 1 1 SCR6,1 SCR1,2 SCR2,3 SCR3,4 SCR4,5 SCR5,6 檢測與驅(qū)動電路 雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)得采樣周期比較快，計算和控制任務(wù)也比較繁忙，因此需要使用高性能的單片機(jī)。為了方便起見，可建立一個脈沖分配表，如表41，它放于程序存儲器中。 對于50Hz的交流電而言，控制角α對應(yīng)的時間為： T α =α*10 6 /360*50 （μs）由它可算出對應(yīng)于某一u k 值的α值。 (44) 式中，λ=cosα min / u kmax 是一個與最小控制角α min 和最大控制輸出u kmax 有關(guān)系的常數(shù)。而根據(jù)式（43）可知，如果控制角α與控制輸出u k 為線性關(guān)系，則輸出電壓u d 與控制輸出U k 之間為非線性關(guān)系（余弦關(guān)系），這是我們所不希望的。 (43) 其中E為電源相電壓有效值。 （42） 控制角的計算 三相全控橋式整流電路輸出電壓u d 與控制角α有以下關(guān)系: u d =每隔360 0 來一個同步脈沖（取自線電壓u ac 的過零點(diǎn)），以此為基準(zhǔn)點(diǎn)，校正觸發(fā)第一對晶閘管VT1，VT6的控制角。觸發(fā)間距時間T Δ 可表示為： 這樣，須把角度轉(zhuǎn)換成時間值。在穩(wěn)定情況下時，Δ=60 0 。 綜上本次設(shè)計使用相對觸發(fā)的觸發(fā)控制方法。 [5] 對于單相電路，均使用絕對觸發(fā)方式。但由于電網(wǎng)頻率的波動以及計算機(jī)定時器的誤差，會使控制角偏離要求值。對三相全控橋式整流電路，在交流電的一個周期內(nèi)需要6個（或者3個）基準(zhǔn)點(diǎn)。 在控制觸發(fā)時，有兩種觸發(fā)方法：絕對觸發(fā)方法和相對觸發(fā)方法。 圖42 相電壓曲線的交點(diǎn)t1～t6,就是晶閘管SCR1～SCR6的控制角起點(diǎn)。在觸發(fā)時，采用雙脈沖觸發(fā)方式，每次兩組各有一個晶閘管導(dǎo)通。 觸發(fā)脈沖存于80C51程序存儲器中，當(dāng)出發(fā)時間到，指針取出一個脈沖，光電隔離后去觸發(fā)晶閘管。雙閉環(huán)系統(tǒng)由兩個PI調(diào)節(jié)器組成，由單片機(jī)通過PI算法實(shí)現(xiàn)。 控制電路設(shè)計 控制電路基本由單片機(jī)，觸發(fā)電路，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集電路以及顯示電路構(gòu)成。 第4章 圖33 主電路及保護(hù)電路圖 = －（+2）= 考慮限制電流脈動時的實(shí)際電感量： 本電路 = －（+2）= mH 如上述條件均需滿足時，應(yīng)取 和 中較大者作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取 =6 mH 作為平波電抗器的電感值。 本設(shè)計中取 =8 、 =230V 、 = 、n=1000r/min、p=1 = = 變壓器漏電感量 （單位為mH）可按下式計算 式中　 －計算系數(shù)，查表可得 　　　 －變壓器的短路比，一般取5～10。 所以 = = 3）電動機(jī)電感量 和變壓器漏電感量 式中 、 、n－直流電動機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入； p－電動機(jī)的磁極對數(shù)； －計算系數(shù)。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。 －與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得 = －最小負(fù)載電流，常取電動機(jī)額定電流的5％～10％計算。 1）算出電流連續(xù)的臨界電感量 可用下式計算，單位mH。 平波電抗器的計算 為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器 ，稱平波電抗器。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導(dǎo)線繞上一定圈數(shù)，或在導(dǎo)線上套上一個或幾個磁環(huán)來代替橋臂電抗器。 限制 ，除在阻容保護(hù)中選擇合適的電阻外，也可采用與限制 相同的措施，即在每個橋臂上串聯(lián)一個電感。因此對晶閘管的電流上升率 必須有所限制。 限制 過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使 降低。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應(yīng)有一定的限制。 2）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇 I=I 2 =， I T = = = 選取RLS10快速熔斷器，熔體額定電流4A?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 P R =fCU m 2 10 6 =5010 6 ( 120) 2 10 6 =10 6 W 選R為20Ω普通金屬膜電阻器。 [4] 得 C=，R=100Ω。 過電壓保護(hù)阻容選值 晶閘管額定電流/μA 10 20 50 100 200 500 1000 電容/μF 1 2 電阻/Ω 100 80 40 20 10 5 2 抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。允許偏差+10％（484V）。 圖32但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成 加大。 S=1~10KVA， =1~5 ，所以 =3 R≥ U 2 2 /S = 120 2 / 10 3 = Ω 選取電阻為ZB110的電阻。 變壓器短路電壓比 C≥ 6I em S/U 2 2 = 633410 3 /120 2 = 選取20181。 U 2 =120V 本系統(tǒng)采用DY連接。 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進(jìn)行保護(hù)。以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。抑制過電壓的方法不外乎三種：用非先行元件限制過電壓的幅度；用電阻消耗產(chǎn)生過電壓的能量；用儲能元件吸收產(chǎn)生過電壓的能量。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。 晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點(diǎn)。故選晶閘管的型號為 。 由表查得 K=，~2倍的裕量 ②當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。 或 = =K 考慮（～2）倍的裕量 = （～2） K 式中 K= / （ ）電流計算系數(shù)。 晶閘管的額定電壓 晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓U Tm ，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓U TN ，即U TN =（2～3）U Tm [3] 整流電路形式為三相全控橋，而 ，則 取 晶閘管的額定電流 選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值 大于實(shí)際流過管子電流最大有效值 ，即 一次、二次相電流I 1 、I 2 的計算 由表查得 K I1 =, K I2 = 考慮變壓器勵磁電流得： 變壓器容量的計算 S 1 =m 1 U 1 I 1 ； S 2 =m 2 U 2 I 2 ； S=1/2(S 1 +S 2 )； 式中m 1 、m 2 一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)； S 1 =m 1 U 1 I 1 =3380= KVA S 2 =m 2 U 2 I 2 =3120= KVA S=1/2(S 1 +S 2 )=1/2（+）= KVA 整流