【正文】 用；弱磁調(diào)速調(diào)節(jié)范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用。（3）改變電樞回路電阻R。（2）減弱磁通調(diào)速?！姌须娐房傠娮瑁ǎ?；由式（21）可知，調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法有以下三種：（1）調(diào)節(jié)電樞電壓U。 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z232型，額定電壓110V，額定電流46A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min， 勵(lì)磁電壓220V。本系統(tǒng)采用了單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替模擬調(diào)速系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等器件，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，展望未來(lái)，全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)必將向高性能、高精度的方向發(fā)展，朝著調(diào)試手段更加先進(jìn)，控制、通訊功能更豐富的方向邁進(jìn)，尤其是它的控制精度和平滑性還可以得到進(jìn)一步的提高。近年來(lái)，盡管交流調(diào)速技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但由于直流電機(jī)良好的起、制動(dòng)性能，在礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、軋鋼機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)和高層電梯等需要在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性，可以平滑調(diào)速，調(diào)速范圍廣，操作方便；過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，因而能夠滿足生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)等各種不同場(chǎng)合的需要。國(guó)外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的全數(shù)字交、直流調(diào)速裝置產(chǎn)品可供選用，新開(kāi)發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)幾乎全是數(shù)字式的。隨著微電子技術(shù)，微處理器以及計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，使調(diào)速控制的各種功能幾乎全部可通過(guò)微處理機(jī)，借助軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。從機(jī)械特性上看，就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。 課題研究的目的和實(shí)際意義數(shù)字化和智能化已被公認(rèn)為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用也已成為發(fā)展趨勢(shì)。在軋鋼機(jī)、冶金、金屬切削機(jī)床和造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能的可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是采用微處理器和其他先進(jìn)技術(shù)，數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)具有越來(lái)越具有優(yōu)良的控制性能，較高的精度和較強(qiáng)的抗干擾能力，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。微機(jī)的應(yīng)用使電力拖動(dòng)系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電力拖動(dòng)的進(jìn)步。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度集成化、小型化，可靠性及低成本，以上技術(shù)的應(yīng)用，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅度提升，應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)大，直流調(diào)速系統(tǒng)得到較大的發(fā)展。 課題的背景 我國(guó)從上世紀(jì)60年代研制出第一只晶閘管以來(lái)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字控制器和數(shù)字觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)調(diào)速控制，從而達(dá)到預(yù)期的控制精度和要求。隨著微電子技術(shù)、微處理器的出現(xiàn)和運(yùn)算速度的提高以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由原來(lái)的以模擬量反饋、模擬調(diào)速器為核心的連續(xù)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展到以數(shù)字量處理為主，以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，即從過(guò)去的模擬控制向模擬和數(shù)字混合控制發(fā)展，最后實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的機(jī)械特性和調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，易于在大范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)速，過(guò)載能力較大，能夠承受頻繁的沖擊負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)快速制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的特殊運(yùn)行要求，因此直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛用于自動(dòng)控制要求較高的生產(chǎn)過(guò)程，仍然是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。雖然交流調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，成本低，制造維修容易，在一些場(chǎng)合，交流調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)全數(shù)字直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目　錄1 緒論 1 引言 1 課題的背景 2 課題研究的目的和實(shí)際意義 22 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 4 調(diào)速方案的選擇 4 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇 4 電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇 5 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 5 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 5 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 7 2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 73 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字PID控制 10 PID調(diào)節(jié)器的基本原理 10 PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化設(shè)計(jì) 11 位置式PID算法 12 調(diào)速單元PI參數(shù)的整定 15 直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 15 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析 17 比例、積分系數(shù)初值的確定 184 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 19 變壓器的設(shè)計(jì) 19 變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算 19 一次、二次側(cè)相電流II2的計(jì)算 20 變壓器容量的計(jì)算 20 晶閘管型號(hào)的選擇 20 晶閘管的額定電壓 21 晶閘管的額定電流 21 直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù) 21 過(guò)電壓保護(hù)和限制 21 過(guò)電流保護(hù)和限制 23 主電路及保護(hù)電路圖 235 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 25 控制模塊 25 同步信號(hào)電路 26 觸發(fā)脈沖輸出電路 29 顯示模塊 30 LCD液晶顯示簡(jiǎn)介 30 LCD接口設(shè)計(jì) 33 速度給定電路 33 監(jiān)控電路的設(shè)計(jì) 34 MAX813L芯片及其引腳 34 硬件電路圖 36 通信接口設(shè)計(jì) 36 RS232C通信接口標(biāo)準(zhǔn) 37 串口通信電路 37 脈沖信號(hào)反饋模塊 386 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 40 采樣周期T的選擇 40 主程序的設(shè)計(jì) 40 數(shù)字測(cè)速的軟件設(shè)計(jì) 41 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì) 45 觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計(jì) 457 總結(jié)與展望 48 工作總結(jié) 48 研究展望 49致謝 50參考文獻(xiàn) 51附錄 52河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)1 緒論 引言按照拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的類型來(lái)劃分，自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)可以分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩大類。由于直流電動(dòng)機(jī)的電壓、電流和磁通的耦合較弱，使直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行性能和控制特性，能夠在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，啟動(dòng)、制動(dòng)性能良好，其在20世紀(jì)70年代以來(lái)一直在高精度，大調(diào)速范圍的傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。但是在要求高起、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)和較寬速度調(diào)節(jié)范圍的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，仍然采用直流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。在傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)中，控制回路全部采用模擬電子器件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等，雖然一定程度上滿足了生產(chǎn)過(guò)程的要求，但是因?yàn)樵谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，線路復(fù)雜、通用性差，而且容易老化，控制系統(tǒng)的效果受到器件性能、溫度等不確定因素的影響，致使系統(tǒng)的運(yùn)行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，可靠性較差。數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)是指用微機(jī)處理器代替以往的模擬調(diào)速器，它具有體積小、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅是一般的PID控制，就是復(fù)雜的矢量控制、非線性魯棒控制、模糊控制等方法都可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，這給設(shè)計(jì)和構(gòu)造調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)了許多便利。調(diào)速系統(tǒng)的控制方案是依靠軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件的模塊化結(jié)構(gòu)可以實(shí)時(shí)增加、更改、刪減應(yīng)用程序，當(dāng)時(shí)及系統(tǒng)變化時(shí)也可以徹底更新，軟件控制的這種靈活性大大增強(qiáng)了控制器對(duì)被控對(duì)象的適應(yīng)能力，使各種新的控制策略和控制方法得到實(shí)現(xiàn)。晶閘管整流裝置逐漸取代了水銀整流裝置，使直流電力拖動(dòng)完成了一次巨大的飛躍。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論的發(fā)展，電力電子器件、超大規(guī)模集成電路和傳感器的出現(xiàn)，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。世界上許多國(guó)家都開(kāi)發(fā)出了數(shù)字式調(diào)速裝置，當(dāng)前直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)很高的水平：功率元件采用可控硅，控制方式采用換相、相位控制等。直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。目前，國(guó)內(nèi)外一些主要電氣公司，已經(jīng)研制出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的應(yīng)用產(chǎn)品供各生產(chǎn)企業(yè)和科研單位選用。直流調(diào)速系統(tǒng)是指人為地或自動(dòng)地調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足控制系統(tǒng)性能的要求。電機(jī)調(diào)速通常通過(guò)給定環(huán)節(jié),中間放大環(huán)節(jié),校正環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)和保護(hù)環(huán)節(jié)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字化系統(tǒng)中，除具有常規(guī)的調(diào)速功能外，還具有故障報(bào)警，診斷及數(shù)據(jù)采集和顯示等功能，同時(shí)，數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強(qiáng)的通信能力和較強(qiáng)的抗干擾能力。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作和維護(hù)較為方便，電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能較高，精度也達(dá)到了一定的要求。由于微機(jī)具有較高的性價(jià)比，因此在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國(guó)在具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字化調(diào)速裝置的研發(fā)水平上還落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，而且進(jìn)口的控制器價(jià)格昂貴，因此，學(xué)習(xí)和研究國(guó)外先進(jìn)的控制器，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義。2 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定本設(shè)計(jì)的主電路供電方案采用晶閘管三相全控橋整流電路，控制電路由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 調(diào)速方案的選擇調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的效果，因此必須根據(jù)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行，取得良好的效果。 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法的選擇直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式如下：（r/min） （21）式（21）中：U——電樞電壓（V）；——電樞電流（A）。調(diào)壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于要求大范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)。此種方法使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，調(diào)速范圍小。此法屬于有級(jí)調(diào)速，平滑性差，機(jī)械特性軟，效率低。因此，調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，本設(shè)計(jì)采用調(diào)壓調(diào)速方式。（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱GM系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其系統(tǒng)較為復(fù)雜、體積大、效率低、維護(hù)不便。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用的快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。 本設(shè)計(jì)根據(jù)技術(shù)要求和特點(diǎn)選用VM系統(tǒng) 。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，它有調(diào)速范圍D和靜差率s兩個(gè)指標(biāo)。（2）靜差率s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率s，表示為： （23） 顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，而且調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，只有同時(shí)提示才有意義。調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率與額定速降之間有以下關(guān)系。 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩種。（2）超調(diào)量 輸出量超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比 （27）（3）調(diào)節(jié)時(shí)間 響應(yīng)曲線到達(dá)并不再超出允許誤差帶所需要的最短時(shí)間，允許誤差帶=穩(wěn)態(tài)值。（2）恢復(fù)時(shí)間 從階躍擾動(dòng)開(kāi)始，到響應(yīng)曲線到達(dá)并不再超出允許誤差帶所需的最短時(shí)間間隔段稱為恢復(fù)時(shí)間。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際，選擇轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。交流側(cè)電流通過(guò)電流互感器的作用，經(jīng)采樣，A/D轉(zhuǎn)換連到單片機(jī)。若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖21所示圖21 系統(tǒng)的總體框圖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。系統(tǒng)構(gòu)成后，控制規(guī)律是反映單片機(jī)控制系統(tǒng)性能的核心。PID控制式工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛