【正文】 用。由于直流電動機具有良好的機械特性和調速特性，調速平滑，方便，易于在大范圍內進行平滑調速，過載能力較大，能夠承受頻繁的沖擊負載，可以實現(xiàn)無級快速制動和反轉，能夠滿足工業(yè)生產過程中的特殊運行要求，因此直流調速系統(tǒng)至今仍然被廣泛用于自動控制要求較高的生產過程，仍然是調速系統(tǒng)的主要形式 。 隨著微電子技術、微處理器的出現(xiàn)和運算速度的提高以及計算機控制技術的發(fā)展電機調速系統(tǒng)由原來的以模擬量反饋、模擬調速器為核心的連續(xù)調速系統(tǒng)發(fā)展到以數(shù)字量處理為主，以微處理器為基礎的 數(shù)字調速系統(tǒng)，即 從過去的模擬控制向模擬 和 數(shù)字混合控制發(fā)展，最后實現(xiàn)全數(shù)字化。 數(shù)字化調速系統(tǒng) 通過數(shù)字控制器和數(shù)字觸發(fā)器實現(xiàn)對系統(tǒng)調速控制，從而達到預期的控制精度 和要求 。 課題的背 景 我國從上世紀 60 年代研制出第一只晶閘管以來，晶閘管直流調速系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用。同時，控制電路已經實現(xiàn)高度集成化、小型化，可靠性及低成本，以上技術的應用，使得直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅度提升，應用范圍不斷地擴大，直流調速系統(tǒng)得到較大的發(fā)展。微機的應用使電力拖動系統(tǒng)變得數(shù)字化、智能化 ，極大地推動了電力拖動的 進步 。特別是采用微處理器和其他先進技術，數(shù)字式直流調速系統(tǒng)具有越來越具有 優(yōu)良的控制性能，較高的精度和較強的抗干擾能力，在國內外得到了廣泛的應用。 在 軋鋼機、冶金、金屬切削機床 和 造紙機、高層電梯等需要高性能的可控電力拖動領域中得到了廣泛的應用 。 課題 研究 的 目的和 實際意義 數(shù)字化和 智能化已被公認為運動控制系統(tǒng)的 主要 發(fā)展方向， 在 直流 電機 調速系統(tǒng)中的應用也已成為 發(fā)展 趨勢。 從機械特性上看 ， 就是通過改變電動機的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機的機械特性 ， 使電動機的運轉速度發(fā)生變化。 隨著微電子技術 ， 微處理器 以 及計算機軟件的 發(fā)展， 使調速控制的各種功能幾乎 全部 可通過微處理機 ， 借助軟件來實現(xiàn) ,實現(xiàn)全數(shù)字化。 國外一些電氣公司都有成系列的與模擬 調速 系統(tǒng)相對應的全數(shù)字交 、 直流調速裝置產品可供選用 ， 新開發(fā)的調速系統(tǒng)幾乎全是數(shù)字式的。直流電動機具有良好的調速特性，可以平滑調速，調速范圍廣，操作方便；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載 ，可以實現(xiàn)頻繁的無級快速起、制動和反轉，因而能夠滿足生產過程中自動控制系統(tǒng)等各種不同場合的需要。 近年來，盡管交流調速技術得到了飛速發(fā)展，但由于直流電機良好的起、制動性能，在礦井卷揚機、軋鋼機、金屬切削機床、造紙機和高層電梯等需要在較大范圍內平滑調速河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 3 的電力拖動領域中得到廣泛的應用。 根據(jù)目前的發(fā)展 趨勢 ，展望未來，全數(shù)字直流調速系統(tǒng)必將向高性能 、高精度的方向發(fā)展， 朝著 調試手段更 加 先進，控制、通訊功能更豐富的 方向 邁進，尤其是它的 控制精度和平滑性 還可以得到進一步的提高。 本 系統(tǒng) 采 用 了 單片機及外部擴展設備代替模擬 調速 系統(tǒng)中速度調節(jié)器 、電流調節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應調節(jié)器等 器件 ，從而使直流調速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。 電動機型號的選擇 本次設計選用的電動機型號 Z232型，額定功率 ，額定電壓 110V，額定電流 46A，額定轉速 1500r/min， 勵磁電壓 220V。 aI —— 電樞電路總電阻（ ? ）； 由式（ 21）可知，調節(jié)直流電機轉速 n的控制方法有以下三種： （ 1）調節(jié)電樞電壓 U。 （ 2）減弱磁通調速。 （ 3）改變電樞回路電阻 R。 改變電樞回路電阻的方法缺點很多，目前較少采用；弱磁調速調節(jié)范圍不大，往往與調壓調速配合使用。 變電壓調速是直流調速系統(tǒng)用的主要方法，調節(jié)電樞 電壓 主要有三種方式 ：旋轉 變 流機組，靜止 變流裝置 ， PWM脈寬調制變換器 (或稱 直流斬波器 )。 （ 2） 靜止 變流裝置 ，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調直流 電壓， 采用 靜止 變流裝置又稱 VM 系 統(tǒng) 。 （ 3） 脈寬調制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控 整流電源供電，利用直 流斬波器或脈寬調制變換器產生可變的平均電壓 ，因 受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。 電動機供電方案的選擇 在 VM系統(tǒng)中，調節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓 dU ?？紤] 到 使電路簡單、經濟且滿足性能要求， 因此 選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。晶閘管可控整流裝置無噪聲、響應快、重量輕、投資省 ， 而且工作可靠，能耗小，效率高。綜上選 用 晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。 （ 1）調速范圍 D 生產機械要求電動機提供的最高轉速 maxn 和最低轉速 minn 之比稱為調速范圍 ，用字母 D表示，即 ninnnD max? （ 22） 其中 maxn 和 minn 一般指電機在額定負載時的轉速，對于少數(shù)輕載的機械，也可以用實際負載時的轉速 。一個系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低轉速是還能滿足靜差率要求下的轉速可調范圍。 在調壓調速中，常以電機額定轉速 nom 為最高轉速，若在額定負載時轉速降為 nomn? ，則該系統(tǒng)的靜差率應是最低轉速時的靜差率，即 min0nns nom?? （ 24） 于是 s nsnsnnnn nomnomnomnom ?????????? )1(m i n0m i n，而調速范圍為： minminmax nnnnD nom?? （ 25） 將 minn 代入上式得 )1( sn snD nomnom ??? （ 26） 對于同一調速系統(tǒng)，它的特性硬度或 nomn? 值是一定的，因此，由上式（ 26）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求 s越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。 （一 ）隨性能指標 （ 1）上升時間 rt 在典型階躍響應跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所經過的時間。 （二）抗擾性能指標 （ 1）動態(tài)降落 00maxc? 最大動態(tài)降落 maxc? 與原穩(wěn)態(tài)值 ?c 之比。 總體結構 的 設計 全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，選擇最適合設計要求的虛擬控制電路。電機轉速通過光電脈沖轉換器的計數(shù)，再直接連到單片機。 雙閉環(huán) 系統(tǒng)結構 的 選擇 若采用轉速負反饋和 PI 調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差，不過當對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能 完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩，在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。采用轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。得到過電流的自動保護。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。 系統(tǒng)的 硬件結構如圖 21所示 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 9 速度給定觸發(fā)脈沖 驅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 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 10 3 數(shù)字直流電機調速系統(tǒng)的數(shù)字 PID控制 單片機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，把計算結果以一定的形式傳送到行機構或顯示報警裝置，實現(xiàn)操作人員 控制臺 單片機系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。系統(tǒng)構成后，控制規(guī)律是反映單片機控制系統(tǒng)性能的核心。 PID 控制式工業(yè)控制過程中應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 具有結構簡單，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。 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 圖 31 模擬 PID 控制原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構成控制偏差： 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 11 e(t)=r(t)c(t) （ 31） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID控制器。 （ 2） 積分環(huán)節(jié) ： 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 （ 3） 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 ? （ 34） )()( kTete ? （ 35） 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 12 ?? ? ?? ?? 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 1[ ( 1 )] ( )z e k z E z??? 10 ()[ ( )] (1 )k