【正文】 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 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。 數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)通過數(shù)字控制器和數(shù)字觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)調(diào)速控制，從而達(dá)到預(yù)期的控制精度和要求。 課題的背景 我國從上世紀(jì) 60 年代研制出第一只晶閘管以來，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。同時，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)用范圍不斷地擴(kuò)大，直流調(diào)速系統(tǒng)得到較大的發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使電力拖動系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化，極大地推動了電力拖動的進(jìn)步。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，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。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領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 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。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性，使電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 隨著微電子技術(shù)，微處理器以及計算機(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微處理機(jī)，借助軟件來實(shí)現(xiàn) ,實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。國外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對應(yīng)的全數(shù)字交、直流調(diào)速裝置產(chǎn)品可供選用，新開發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)幾乎全是數(shù)字式的。直流電動機(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)頻繁的無級快速起、制動和反轉(zhuǎn)，因而能夠滿足生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)等各種不同場合的需要。近年來，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、制動性能，在礦井卷揚(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) 速的電力拖動領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，展望未來，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。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。 電動機(jī)型號的選擇 本次設(shè)計選用的電動機(jī)型號 Z232 型，額定功率 ，額定電壓 110V，額定電流 46A，額定轉(zhuǎn)速 1500r/min， 勵磁電壓 220V。調(diào)壓調(diào)速屬于 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于要求大沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究和方案確定 5 范圍 內(nèi)的無級平滑調(diào)速系統(tǒng)。此種方法使電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)慢，調(diào)速范圍小。此法屬于有級調(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)計采用調(diào)壓調(diào)速方式。 ⑴ 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱 GM 系統(tǒng)，用交流電動機(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。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變 dU ，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)動態(tài)性能。 本設(shè)計根據(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，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動小。 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兩個指標(biāo)。 ⑵ 靜差率 s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 numn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱為靜差率 s，表示為： （ 23） 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，而且調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，只有同時提示才有意義。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)的動態(tài)性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)的動態(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。 ?超調(diào)量 ? 輸出量超過穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比 00m a x 10 0??? ? ?c cc? （ 27） ?調(diào)節(jié)時間 st 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間，允許誤差帶= ?? )2~5100( 000000 穩(wěn)態(tài)值。 ?恢復(fù)時間 vt 從階躍擾動開始，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間間隔段稱為恢復(fù)時間。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)的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，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，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，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過程。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時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。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 速度給定觸發(fā)脈沖 驅(qū)動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 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 10 第三章 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，把計算結(jié)果以一定的形式傳送到行機(jī)構(gòu)或顯示報警裝置，實(shí)現(xiàn)操作人員 控制臺 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)控制過程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。 PID 控制器具有簡單而固定的控制形式，可以在很管得范圍內(nèi)保持較好的魯棒性，三種不同形式的控制作用組合起來跟隨被控對象的變化，可以減小動態(tài)誤差。 PID 具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)的物理意義明確，動態(tài)特性和靜態(tài)特性較好的優(yōu)點(diǎn)。常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 31 所示。 比例積分微分控制對象比例 如圖 31 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 11 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： 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，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 ⑵ 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 ⑶ 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 將上式離散化為數(shù)字 PID，只要將式中各項分別離散化就可以了，即為： )()( kTutu ? 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 12 （ 34） )()( kTete ? （ 35） ?? ? ?? ?? kjt kj jeTjTeTte 00 0 )()()( （ 36） T kekeT TkTekTedt tde )1()()()()( ?????? （ 37） 其中， T 為采樣周期。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 k=0、 2...。 dk 是微分系數(shù)， TTkk dpd /? . 位置式 PID 算法 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID 控制器 ，數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式 PID 控制算法和增量式 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)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式 (32)中的積分和微分項不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。 顯然，上述離散化過程中，采樣周期 T 必須足夠短，才能保證有足夠的精度。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， k = 0， 1， 2 u(k)第 k 次采樣時刻的單片機(jī)輸出值； e(k)第 k 次采樣時刻輸入的偏差值； e(k 1)第 k1 次采樣時刻輸入的偏差值； 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?? ? ?? 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 14 式（ 36）的 z 變換式為 11()( ) ( ) [ ( ) ( ) ]1P I DEzU z K E z K K E z z E zz ??? ? ? ?? （ 37） 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 電壓值是一一對應(yīng)的，所以通常稱式 (35)或 (36)為位置式 PID 控制算法。 位置算法執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象 圖 32 位置式 PID控制系統(tǒng)原理圖 調(diào)速單元 PI 參數(shù)的整定 本系統(tǒng)選用的控制對象 322?Z 為直流電動機(jī)，基本參數(shù)為： 額定功率為 NP =，額定電壓為 NU =110V，額定電流 NI =46A，額定轉(zhuǎn)速為N =1500rpm，電樞內(nèi)阻為 R= ? ，電磁時間常數(shù)為 Td=，電勢常數(shù) eC = 5 / minVWb r?