【正文】 為電流調節(jié)器的傳遞函數 , GLS(s)電流環(huán)廣義控制對象。電動機最大起動電流為 ,而速度調節(jié)器輸出限幅為 ,則 KLF = ,其傳遞函數為 10 0 1 2 1 )( ???? ssLFT LFKsfiG （ 59） 注意到 T SCR 和 TLF 都很小，可以把他看成是小慣性群，即 Tε =T SCR+TLF = + = (s)。 廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 28 本系統(tǒng)電流調節(jié)器最大輸出電壓 UKm=,晶閘管最大輸出整流電壓為 UDO = 則 KSCR= = 所以晶閘管傳遞函數為 10 0 1 )( ???? ssS C RT S C RKsS C RG （ 58） （ 2） 電流反饋傳遞函數 電流反饋回路由交流互感器經三相橋式整流及 T 型濾波構成 ,一 般時間常數在 1∽ 2ms 之間。因此，可以認為反電勢對電流產生的影響很小，令△ E=0，則圖 53 通過結構圖變換，簡化為圖 54。 IFZ UDO 1/Rε ID Rε E 1 + TDs+1 Tm s Ce n 圖 52 電動機結構圖 由圖 52 可以立即得到電動機數學模型： 廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 27 121)()()(???? smTsDTmTeCsDOUsnssG （ 57） 電流調節(jié)器的設計及采樣周期的選擇 確定了被控對象電動機的數學模型 ,很容 易作出電流環(huán)結構框圖 ,如圖53 所示 。（ dn/dt） = TmdE/ Rε dt (54) 對式 (54) 取拉式變換得 E(s) Rε （ ID IF） (s) Tm s (55) n = E/Ce (56) 其中， M 為電動機電磁力矩； MFZ為電動機軸上的負載力矩； IFZ為電動機負載電流； n 為電動機轉速； Cμ 為電動機轉矩常數； Ce 為電動機電勢常數； GD2 為拖動系統(tǒng)整個運動部分折算到電動機軸上的飛輪慣量； Tm=（ GD2 Rε ） /（ 375Cμ Ce）為拖動系統(tǒng)機電時間常數。 = TD= Lε / Rε =直流電動機軸上的力矩方程為 M MFZ = Cμ ID Cμ IFZ = （ GD2 / 375）178。 Rε 、 Lε 、 TD 的數值依次為 Rε = +2179。 原始數據： 直流電動機 D 的銘牌數據：型號 Z232 型，額定功率 ，額定電壓 220V，額定電流 ,額定轉速 1000r/min, 勵磁電壓 220V,運轉方式連續(xù)。廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 25 第 5 章 調節(jié)器的設計 對象的數學模型 單片機控制直流調速系統(tǒng)結構如圖 51 所示。此同步電路是由廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 24 LM339 構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 80C31 的 P1 口在復位后初態(tài)為 1，故采用 0 為有效輸出位，以保證初態(tài)時晶閘管處于截止狀態(tài)。然后延時 50μ s，置位 ～ ，從而輸出寬度為50μ s 的觸發(fā)脈沖。 晶閘管控制 晶閘管觸發(fā)采用 80C31 的定時器 T0 實現。 綜上所述，本系統(tǒng)的速度測量采用數字 M/T 法測速。 由于 M/T 法的計數值 M1 和 M2 都隨著轉速的變化而變化，高速時，相當于M 法測速，最低速時， M1=1，自動進入 T 法測速。 3： M/T 法測速 把 M 法和 T 法結合起來，既檢測 Tc 時間內旋轉編碼器輸出的脈沖個數M1，有檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數 M2，用來計算轉速，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 M1 大，量化誤差較小，隨著轉速的降低誤差增大，轉速過低時 M1 將小于 1，測速裝置便不能正常工作。編碼光柵數），把 f1 除以 Z 就 得到電動機的轉速。把 M1 除以 Tc 就得到了旋轉編碼器輸出脈沖的頻率 f1=M1/Tc,所以又稱頻率法。 1： M 法測速。采用倍率電路可以有效地提高轉速分辨率，而不增加旋轉編碼器的光柵數，一般多采用四倍頻電路。采用簡單的鑒相電路就可以分辨出方向。為了獲得轉速的方向，可增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的 1/4，則兩組脈沖序列 A 和 B 的相位相差 900，如圖 46 所示。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開發(fā)或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端 便得到頻率與轉速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉速。絕對式編碼器常用于檢測轉角，若需得到轉速信號，必須對轉角進行微分處理。旋轉編碼器可分為絕對式和增量式兩種。對于要求精度高、調速范圍大的系統(tǒng)，往往 需要采用旋轉編碼器測速，即數字測速。模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓不僅表示了轉速的大小，還包含了轉速的方向，在調速系統(tǒng)中，轉速的方向也是不可缺少的。但這時，一方面成本將較高，另一方面計算將大大復雜，因為必須采用 16 位計算，所以在選型時應該多方面考慮。這時，四位 LED 上將顯 示對應于電位器輸入的速度給定值，可調整電位器至顯示值為所需的給定值。速度給定采用電位器輸入，它加到 IN1 上。這時， MCU 可讀入轉換結果。寫入該地址，啟動 A/D 轉換器，通道地址由 A A A0 決定。使用 80C31 的雙閉環(huán)數字直流調速控制系統(tǒng)的硬件電路圖見附頁1 所示。在 80C31 的 P3 口上外接三個按鍵，一個為啟動 /停止鍵，用于啟動或停止電機運轉；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉速。 單片機系統(tǒng)基本結構 80C31 外接 27128EPROM 作為 16K 程序存儲器，存放全部控制軟件。指令系統(tǒng)中設置了乘、除運算指令、數據查找指令和位處理指令等。 綜上，本系統(tǒng)采用 Inter 的 MCS51 中的 80C31 單片機。它們能在幾微秒內完成 16 位加法和乘法，并且有 10 位 A/D 轉換器、 16 位高性能多功能定時器系統(tǒng)，可完成調速系統(tǒng)所需的數據采集、數據計算、控制輸出等功能。 表 41 脈沖分配表（ 0 有效） 單元地址 數據（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 單片機系統(tǒng)設計 雙閉環(huán)數字直流調速控制系統(tǒng)得采樣周期比較快，計算和控制任務也比較繁忙，因此需要使用高性能的單片機。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對應的時間為： Tα =α *106/360*50 （μ s） (45) 為了加快計算速度，可采用查表法或插值查表法來按 uk 值計算 Tα 值。由它可算出對應于某一 uk 值的α值。如要求觸發(fā)整流環(huán)節(jié)為一個放大系數為 Ks 的線性環(huán)節(jié)，則有： 廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 19 ud= =Ksuk 即有 cosα = KsUk/=udmaxuk/ = minuk/ =cosα minuk/ ukmax=λ uk α =arcos(λ uk) (44) 式中，λ =cosα min/ ukmax 是一個與最小控制角α min 和最大控制輸出 ukmax 有關系的常數。 對于數字調節(jié)器，要求對象為線性系統(tǒng)。每隔 3600 來一個同步脈沖（取自線電壓 uac的過零點 ），以此為基準點，校正觸發(fā)第一對晶閘管 的控制角。交流電的一個周期（對頻率為 50Hz 為 20ms） 對應于3600，故 600 對應于 10/3 ms。當α由α k1 變?yōu)棣?k 時，應有： Δ =α kα k1+600 在控制時，一般均使用單片機的定時器來完成觸發(fā)脈沖輸出。 控制算法 設相鄰控硅之間觸發(fā)脈沖間距角為Δ。在三相全控橋式整流電路中，一般則常使用相對觸發(fā)方式。因此，在相對觸發(fā)方式時，應在一個周期內用同步脈沖信號進行一次校正，以避免誤差的積累。相 對觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準來確定后一觸發(fā)脈沖時刻，它用加長或縮短相鄰兩次觸發(fā)脈沖之間的間距來改變控制角，在穩(wěn)態(tài)時，這個間距等于 600，控制角α改變時，該間距應相應改變。所謂廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 18 絕對觸發(fā)方法就是指觸發(fā)脈沖形成的時刻都直接取決于基準時刻點。 圖 43 晶閘管觸發(fā)時刻 (α =00)及觸發(fā)順序 單片機在觸發(fā)晶閘管時 ,根據電流控制器的輸出控制值 uk，以同步基準點位參考點，算出晶閘管控制角α的大小，再通過定時器按控制角的大小以及觸發(fā)順序，準確地向各個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。相電壓曲線的交點 t1～ t6,就是晶閘管 SCR1～ SCR6的控制角起點。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通。 主電路及保護電路原理圖 圖 31 主電路及保護電路原理圖 廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 17 第 4 章 控制電路與單片機系統(tǒng)設計 晶閘管觸發(fā)控制電路設計 晶閘管觸發(fā)方法 晶閘管三相全控橋式整流電路簡圖如圖 41 所示。 為 實現弱磁保護，在磁場回路中串入了欠電流繼電器 KA ，動作電流通過 RPI 調整。額定電流可查得廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 16 K=， ID(AV)=(~2)K Ii =(~2)**= 可選用 ZP 型 3A、 700V 的二極管。 2= mH 一般說來，均衡電抗器 raL 和平波電抗器 DL 分設的方案比較經濟，故采用較為普遍。 Trr IUKL 2?=%5 ??= mH 實際所需的均衡電感量為 raL ： Trra LLL ?? 如果均衡電流經過變壓器兩相繞組，計算 raL 時，應代入 2 TL 。 ） = mH 如上述條件均需滿足時，應取 1dL 和 2dL 中較大者作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取 2dL =6 mH 作為平波電抗器的電感值。 )(11 TDd NLLLL ??? =－（ +2179。 廈門南洋職業(yè)學院畢業(yè)論文 15 本設計中取 DK = DU =230V、 DI =、 n=1000r/min、 p=1 3102 ?? DDdD pnIUKL = 2308 ????? = 變壓器漏電感量 TL （單位為 mH）可按下式計算 DshTT IUUKL 100 2? 式中 TK －計算系數，查表可得 shU －變壓器的短路比，一般取 5～ 10。 根據本電路形式查得 2K = 所以diISUKL 222?=%10 ??= 3）電動機電感量 DL 和變壓器漏電感量 TL 電動機電感量 DL （單位為 mH）可按下式計算 3102 ?? DDdD pnIUKL 式中 DU 、 DI 、 n－直流電動機電壓、電流和轉速，常用額定值代入； p－電動機的磁極對數； DK －計算系數。因此，應在直流側串入平波電抗器，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。 min211 dIUKL ? 式中 1K －與整流電路形式有關的系數，可由表查得； mindI －最小負載電流，常取電動機額定電流的 5％～ 10％計算。其主要參數有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數計算主要是電感量的計算。 所以為了防止 dtdi/ 和 dtdu/ ，每個橋臂上串聯(lián)一個 30μ H 的電感。 限制 dtdu/ 和 dtdi/ 的電感，可采用空心電抗器，要求 L≥（ 20～ 30）μH；也可采用鐵心電抗器， L 值可偏大些。 產生 dtdi/ 過大的原因，一般有：晶閘管導通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘 管向直流側保護電容充電；直流側負載突然短路等等。 電流上升率 dtdi/ ：導通時電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。 造成電壓上升率 dtdu/ 過大的原因一般有兩點：由電網侵入的過電壓；由于晶閘管換