【正文】 性上看，單、雙閉環(huán)系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓擾動的抗擾效果是一樣的。而對ACR的設計來說，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。因此，在突加(減)負載時，必然會引起動態(tài)速降(升)。l)抗負載擾動。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能負載擾動和電網(wǎng)電壓擾動是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個主擾動。1）第Ⅰ階段(0～t1)：強迫電流上升階段；2）第Ⅱ階段(t1～t2)：恒流升速階段，即電動機保持最大電流作等加速啟動階段：3）第Ⅱ階段(t2～t4)：轉速超調(diào)進入穩(wěn)定的階段，即轉速調(diào)節(jié)階段；雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的制動停車過程：由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，因此不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不可能實現(xiàn)回饋制動，在制動時，當電流下降到零以后，就只好自由停車。當雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)開始啟動時，轉速和電流隨時間變化的波形如圖2．2所示。而本設計都是用單片機來實現(xiàn)的。從閉環(huán)反饋的結構看，轉速環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。 轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成在轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，既要控制轉速，實現(xiàn)轉速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，其關鍵是處理好轉速控制與電流控制之間的關系，就是將二者分開，用轉速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉速，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。2）系統(tǒng)中采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制啟動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應；即最佳過渡過程。但是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在以下問題需要解決。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構成 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的比較轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(簡稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng))是由單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。分辨率：φ=（度）。AT89C51單片機本身有兩個16位定時器/計數(shù)器T0和T1，若用他們定時，選用方式1工作，就為16位的定時器/計數(shù)器。在工頻條件下，他和相對應的時間有如下線性關系：式中，T是工頻電源周期，是控制角，單位是度。具體方法是：將計算得出的控制角換成與相對應的時間，從自然換向點開始由定時器來進行定時，計時到使給可控硅發(fā)出一個觸發(fā)信號使晶閘管導通，改變定時器的時間常數(shù)便可實現(xiàn)移相控制了。為了防止產(chǎn)生這種事故，在發(fā)出封鎖本組脈沖信號后，必須等待一段時間tdt（對于三相橋式電路，常取57ms，一般應大于一個波頭的時間），才允許開放另一組脈沖[2]。在封鎖原工作組脈沖時，已被觸發(fā)的晶閘管要到電流過零時才真正關斷，而且在關斷之后還要過一段時間才能恢復阻斷能力。設置封鎖延時之后，檢測到的零電流信號等待一段時間tdbl(對于三相橋式電路來說，約取23ms，大約相當于半個到一個脈波的時間)，仍不見得超過I0，說明電流確已斷開。因為電流未降到零以前，其所含的脈動分量是時高時低的，而檢測零電流的電平檢測器總有一個最小動作電流I0，如果脈動的電流瞬時低于I0而實際上仍在連續(xù)變化時，就將檢測到的零電流信號發(fā)出去，封鎖本組脈沖，這時本組正處于逆變狀態(tài)。封鎖延時是指從發(fā)出切換指令到真正封鎖掉原來工作的那組脈沖之間應該流出來的等待時間。 值得注意的是，邏輯切換指令發(fā)出以后，并不能立即執(zhí)行，還需經(jīng)過兩段延時時間，以確保系統(tǒng)的可靠工作。“1”表示封鎖，“0”表示開放，兩者不能同時為“0”。但為保證穩(wěn)定運行時電流波形的連續(xù)，仍保留平波電抗器，控制線路采用典型的轉速，電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，在正組晶閘管VF工作時封鎖反組脈沖，在反組晶閘管VR工作時封鎖正組脈沖。邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)時目前在生產(chǎn)中應用最為廣泛的可逆系統(tǒng)。本設計為單片機AT89C51作為主控制器控制的邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。 無環(huán)流系統(tǒng)是指既無直流平均環(huán)流又無瞬時脈動環(huán)流的系統(tǒng)。所謂環(huán)流就是指不流過電動機或其它負載，直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流。如圖2—1所示為單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的原理結構框圖。為了滿足生產(chǎn)實際對調(diào)速精度的要求，往往將系統(tǒng)設計成閉環(huán)系統(tǒng)，典型的晶閘管閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要由六部分組成：電動機、晶閘管變流裝置、觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器、轉速與電流檢測和反饋環(huán)節(jié)。它不再象直流發(fā)電機那樣需要較大的功率放大裝置，其快速性達到毫秒級，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。到今天直流電力拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管元件作為可調(diào)電源向電動機供電，從而取代了笨重的電動機—發(fā)電機組以及飽和電抗器的控制方式。將最后得到的控制電壓信號作為晶閘管的移相觸發(fā)控制信號，換算成晶閘管的控制角，再根據(jù)控制角的不同換算出對應得觸發(fā)時刻，向?qū)獙ǖ膬蓚€晶閘管同時輸出觸發(fā)脈沖，使其輸出可控的整流電壓。系統(tǒng)通過鍵盤對轉速進行給定，同時將轉速給定變換成電壓信號。系統(tǒng)結構簡單，可靠性高，操作維護方便，電動機穩(wěn)態(tài)運行時轉速精度可達到較高水平，靜動態(tài)各項指標均能較好地實現(xiàn)設計的要求。利用功率開關器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間的比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DC—DC變換器[1]。本設計采用VM系統(tǒng)。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止的Wardleonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角，進而改變整流電壓Ud的大小，達到調(diào)節(jié)直流電動機轉速的目的。 2)靜止式可控整流器。用交流電機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱G—M系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱Ward—Leonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個平滑可調(diào)的直流電源。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(額定轉速)以上作小范圍的弱磁升速。 —電樞電壓，V； —電樞回路總電阻，Ω； —勵磁磁通，Wb； —由電機結構決定的電動勢常數(shù)。目前，國內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。我國現(xiàn)在大部分數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進口。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應用。國外主要電氣公司如瑞典的ABB公司、德國的西門子公司、AEG公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的GE公司、西屋公司等均已開發(fā)出數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標準化、模板化的應用產(chǎn)品。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的多種直流電氣傳動裝置，如西門子公司的SIMOREG K 6RA2ABB公司的PAD/PSD，等等。隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術、計算機控制技術的深入發(fā)展，電氣傳動裝置不斷向前發(fā)展。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高1O倍；在響應快速性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。到了1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。特別是它對系統(tǒng)快速響應是發(fā)電機、電動機系統(tǒng)不能比擬的。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當?shù)男D電機和一些輔助勵磁設備，因而體積大、檢修困難等。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起制動和反轉，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求，而交流調(diào)速雖然維護簡單方便，但調(diào)速比較困難需要和其它設備配合使用如需要增設變頻器等才能實現(xiàn)調(diào)速。對可調(diào)速的電氣傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。微機的應用使電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。本設計采用以AT89C51單片機為核心的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，由軟件編程來完全成模擬控制功能的數(shù)字式傳動系統(tǒng)，能夠有效地抑制老化和各種干擾，還能完成故障診斷，信號顯示等功能。在工業(yè)生產(chǎn)中, 需要高性能速度控制的電力拖動場合, 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用, 高精度金屬切削機床, 大型起重設備、軋鋼機、礦井卷揚、城市電車等領域都廣泛采用直流電動機拖動。0 前言直流調(diào)速和交流調(diào)速相比,直流調(diào)速具有寬廣的調(diào)速范圍, 平滑的調(diào)速特性,較高的過載能力和較大的起動、制動轉矩, 使用壽命長，經(jīng)濟性好。因此被廣泛地應用于調(diào)速性能要求較高的場合。特別是晶閘管—直流電動機拖動系統(tǒng),具有自動化程度高、控制性能好、起動轉矩大, 易于實現(xiàn)無級調(diào)速，使用壽命長，所以相對經(jīng)濟性好等優(yōu)點而被廣泛應用在現(xiàn)代化生產(chǎn)當中。隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電力電子開關器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術、計算機控制技術的深入發(fā)展，電氣傳動裝置不斷向前發(fā)展。1 直流調(diào)速的介紹 直流調(diào)速與交流調(diào)速的比較 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎處處使用電力傳動裝置，隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。直流調(diào)速與交流調(diào)速比較，最大的優(yōu)點就是直流電機可以實現(xiàn)“平滑而經(jīng)濟的調(diào)速”；直流電機的調(diào)速不需要其它設備的配合，可通過改變輸入的電壓/電流，或者勵磁電壓/電流來調(diào)速。所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應用在自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，如在金屬切削機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領域仍有廣泛的使用，所以直流調(diào)速是目前調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。這種方法簡單易行，設備制造方便，價格低廉。到了三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機一電動機(也稱為旋轉變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。然而自出現(xiàn)汞弧變流器后，用汞弧變流器代替上述發(fā)電機、電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標又進一步提高。但是汞弧變流器仍存在一些缺點：維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。由于它具有體積小、響應快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標上和可靠性有所提高，而且在技術性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。從20世紀80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了已往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。以上技術的應用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術不斷發(fā)展。微機的應用使電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。 直流調(diào)速控制裝置的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術上，它能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進行控制，強大的通訊功能使它易和PLC等各類器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強等特點，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護簡單，使其具備了廣闊的應用前景。我國從20世紀60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用。我國關于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有：綜合性最優(yōu)控制，補償PID控制，PID算法優(yōu)化，也有的只應用模糊控制技術，很少將智能控制應用于其中。但由于進口設備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。 根據(jù)直流電動機的固有機械特性方程式 （11） 在式（1—1）中： n—轉速，r/min。 由上式可知：當負載一定時，電磁轉矩T與負載轉矩相平衡，電磁轉矩不變，欲改變直流電動機的速度，有以下三種方法： 1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓 2)減弱勵磁磁通3)改變電樞回路電阻對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方法為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。常用的可調(diào)直流電源有以下三種方法： l)旋轉變流機組。GM系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不方便。20世紀50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉變流機組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟可靠的晶閘管變流裝置。V—M在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。3)直流斬波器或PWM(脈寬調(diào)制)交換器。2 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理本設計的直流調(diào)速裝置采用以單片機AT89C51作為主控制器，晶閘管觸發(fā)和轉速測量等環(huán)節(jié)都實現(xiàn)全數(shù)字化的微機控制。 系統(tǒng)的基本工作原理本設計采用兩組晶閘管反并聯(lián)連接的可逆V—M系統(tǒng)。通過數(shù)字測速系統(tǒng)對電動機的轉速進行檢測并轉換成電壓信號，把轉速給定信號和轉速反饋信號作為轉速環(huán)ASR的兩個輸入信號，經(jīng)過數(shù)字調(diào)節(jié)器控制得到電流環(huán)ACR的給定信號，再與電流檢測信號一起作為電流環(huán)的輸入信號。通過轉速檢測信號與轉速給定信號實時比較，最終達到轉速檢測與轉速給定相平衡，使系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，進而實現(xiàn)調(diào)速的目的。和電動機—發(fā)電機組系統(tǒng)（旋轉變流機組G—M系統(tǒng)）相比，不僅在經(jīng)濟和可靠性上都有很大的提高，而且在技術性能方面也顯示出較大的優(yōu)越性。這種晶閘管—電動機調(diào)速系統(tǒng)（V—M系統(tǒng)）的基本控制方法是：通過改變晶閘管的控制角來調(diào)節(jié)電動機的供電電壓，從而達到平滑調(diào)速的目的。電力