【正文】 ，機(jī)電時(shí)間常數(shù) MT = ，三相橋式晶閘管整流器的滯后時(shí)間為z? =，放大倍數(shù)為 SK =20，速度反饋系數(shù) ? = min/Vr? ，速度反饋濾波時(shí)間常數(shù) ONT 為 ，電流反饋系數(shù)， ? =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 15 直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中， 直流電動(dòng)機(jī)通常以電樞電壓作為輸入量，以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸出量。 根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)定律，電動(dòng)機(jī)軸上的運(yùn)動(dòng)方程式為 fdnJ M Mdt ?? （ 311） 式中 J電動(dòng)機(jī)軸上 (包括負(fù) 載折算過來的 ) n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； M電動(dòng)機(jī)軸的電磁力矩： fM 電動(dòng)機(jī)軸的負(fù)載力矩。 進(jìn)而，我們可得直流電動(dòng)機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速間的傳遞函數(shù)為： 21/() 1eD m d mCWs T T s T s? ?? （ 314） 根據(jù)式（ 314）可以看出直流電動(dòng)機(jī)可以近似認(rèn)為具有兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。 STSTKiii )1( ?11 ?STniTSTKnnn )1( ?11 ?STon 1?ssTK11?STRl STRm eC11?ST oi?1?ST on?*nU ?? )(te ? ??dI dlI )( snA SRAC RSCR 圖 33 雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 其中轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)均采取 PI 控制。 對(duì)于速度閉環(huán)， PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以表示為 1() nnnnsW s K ? ? ?? （ 316） 式中 nK 調(diào)節(jié)器比例系數(shù)； n? 調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)。 考慮到一般 z? 比起系統(tǒng)其它部分的時(shí)間常數(shù)往往小很多，可以將該時(shí)滯環(huán)節(jié)近似為慣性環(huán)節(jié)處理，傳遞函數(shù)為 () 1zz zKWs s?? ? （ 318） 比例、積分系數(shù)初值的確定 ⑴ 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 由于電流的響應(yīng)過程比轉(zhuǎn)速響應(yīng)過程快得多，所以可以不考慮反電勢(shì)的影響，反電勢(shì)支路相當(dāng)于斷開。 為了滿足電流超調(diào)量。此時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)為 0 221 1 8 6 .12n nhK hT???? 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)為 0 2 6 .7 8n e mn CTKn K R?????? 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 四 章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 19 第四章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 110V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響和三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用 D/Y 聯(lián)結(jié)。本設(shè)計(jì)采用的是直流電動(dòng)機(jī)，故還要通過整流電路使之轉(zhuǎn)換成連續(xù)的直流電壓。一般可按下式計(jì)算 即： BA UU d?)~1(2 ? （ 41） 式中 A理想情況下， ? =0176。裕量，則 B=cos ? = 則 9 8 1 1 0)~1(2 ???U , 取 2U =120V。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 四 章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 20 一次、二次側(cè)相電流 I I2的計(jì)算 查表可得 KI1=， KI2= 11 1 . 0 5 1 . 0 5 0 . 8 1 6 4 6 / 3 . 1 7 1 2 . 4 3IKII A AK? ? ? ? ? 22 0. 81 6 46 37 .5 36IdI K I A A? ? ? ? 變壓器容量的計(jì)算 S1=m1U1I1； S2=m2U2I2； S=1/2(S1+S2)； 式中 m m2 次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)； S1=m1U1I1=3 380 = KVA S2=m2U2I2=3 120 = KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（ +） = KVA 晶閘管型號(hào)的選擇 整流電路采用晶閘管全控橋電路。結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當(dāng)型號(hào)的晶閘管十分重要。式中 K 電流計(jì) 算系數(shù)。 ②當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。 由表查得 K=，考慮 ～ 2 倍的裕量 AI AVT ~)2~()( ????? ，取 ()T AVI ? 49A 故選晶閘管的型號(hào)為 KP498。設(shè)計(jì)晶閘管 電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。 過電壓保護(hù)和 dtdu 限制 ⑴ 凡是超過晶閘管正常工作時(shí)承受的最大峰值電壓的情況都算過電壓，產(chǎn)生過電壓的原因是電路中電感元件積聚的能量驟然釋放或者是外界侵入的大亮點(diǎn)和累積。 不能從根本上消除過電壓的根源，只能設(shè)法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內(nèi)，這是過電壓 保護(hù)的基本思想。沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 四 章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 22 實(shí)用中常視需要在電路的不同部位選用不同的方法，或者在同一部位同時(shí)用兩種不同保護(hù)方法。 ? 交流側(cè)過電壓保護(hù)：本設(shè)計(jì)采用阻容保護(hù)，如圖 41 所示。F 選取 70181。 R≥ 2U 2/S= 1202/ 103 = 選取電阻為 ZB110 的電阻。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。允許偏差 +10％（ 253V）。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 的 ～ 倍。 選 R 為 的 CZJD2 型金屬化紙介質(zhì)電容器。 ⑵ 電壓上升率 du/dt：正相電壓上升率較大時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。造成電壓上升率過大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管 換相時(shí)相當(dāng)于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過大。 過電流保護(hù)和 dtdi 限制 ⑴ 由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流，溫度就會(huì)急劇上升，可能會(huì)把PN 結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。觸發(fā)電路不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤導(dǎo)通，引起過電流。 快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施。 交流側(cè)快速熔斷器的選擇 由 I2= 選取 RLS10 快速熔斷器，熔體額定電流 40A。因此對(duì)晶閘管的電流上升率必須有所限制。所以為了防止飽和，在每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè) 30μ H 的電感。 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA2D a t e : 7 J un 2 0 0 7 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \電路圖 \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:RRRRRRRRRCCCCCCCCCT3 T5T2T1T6T4DBTLRv 圖 42 主電路 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 25 第五章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 采樣周期 T 的選擇 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，數(shù)字控制其必須定定時(shí)對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。如何合 理的選擇采樣周期，同時(shí)能夠達(dá)到最高的控制特性是個(gè)重要的問題。其中的兩個(gè)主要因素有： ⑴ 保證單片機(jī)在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成所需操作 從數(shù)字 PI 控制器對(duì)連續(xù) PI 調(diào)節(jié)器的模擬精度考慮，采樣周期越小越好。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，單片機(jī)要采集 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，進(jìn)行 PI 運(yùn)算，輸出控制量，顯示，啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，處理其它中斷 等。 ⑵ 保證有用信號(hào)不失真 根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不低于有用信號(hào)頻率的兩倍，實(shí)際工程上采樣頻率通常取有用信號(hào)頻率的 410 倍。這樣即方便編程，也能滿足采樣精度。運(yùn)行在數(shù)字控制器中的軟件有主程序、初始化子程序和中斷服務(wù)子程序等。主程序框圖如圖 51 所示。法對(duì)脈沖進(jìn)行測(cè)速。當(dāng)定時(shí) T0 結(jié)束時(shí)， Ml停止計(jì)數(shù)， M2 繼續(xù)計(jì)數(shù) 。將 cf 和 P 的參數(shù)代入上式，得 126250mn m? （ 52） 轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)被送到 80C196KC 的 HSI0 引起上升沿中斷，此時(shí)開始定時(shí) T0，同時(shí)記下計(jì)數(shù)器 T1 的值， T2 開始對(duì) HSI1 接收到的轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)，并關(guān)閉 HSI0 中斷。當(dāng)上升沿到來時(shí)，讀取計(jì)數(shù)器 T1 的值，計(jì)算兩次計(jì)數(shù)器 T1 的差值得到高頻脈沖數(shù) 2m ，這樣就完成了一次轉(zhuǎn)速測(cè)量周期。下面介紹一下如何在程序中具體實(shí)現(xiàn)。首先允許 HSI0 中斷，然后設(shè) HSI 中斷模式為每個(gè)脈沖的正跳變引起中斷。 ⑶ 啟動(dòng) HSI 數(shù)據(jù)有效中斷后，每一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿都會(huì)引起 HSI 數(shù)據(jù)有效沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 28 中斷，在每一次 HSI 數(shù)據(jù)有效中斷程序中，讓計(jì)數(shù)變量 1m 增加 1。在中斷程序中開 HSI0 中斷 (允許 HSI0中斷 )，關(guān) HSI 數(shù)據(jù)有效中斷 (停止對(duì) 1m 計(jì)數(shù) )。這個(gè)中斷是第二次 HSI0 中斷，把當(dāng)前的時(shí)間作為結(jié)束時(shí)間 FT。至此，轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)束。圖 54 是軟件定時(shí)中斷子程序。 觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中，用定時(shí)器 1 作為 HSO 的時(shí)間基準(zhǔn)，觸發(fā)角和脈寬的控制都是靠 HSO沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 30 的定時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)的。這時(shí) HSO 的時(shí)間分辨力，也就是定時(shí)器 1 的時(shí)間分辨力為 l? s。 ⑴ 同步中斷子程序 為了可靠觸發(fā)三相全橋 6 只晶閘管，該控制系統(tǒng)使用了雙脈沖觸發(fā)信號(hào)，一個(gè)周期共需輸出 24 個(gè) HSO 信號(hào)，包括 HSO 上升沿和下降沿。同步中斷由同步中斷模塊在交流同步信號(hào)過零時(shí)刻引起 (EXTINTI) 。其控制流程圖如圖沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 31 56 所示。 HSO 中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)就是根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位產(chǎn)生不同組的 HSO 輸出信號(hào)，并置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志位。 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)向 控制寄存器分別送入 . 事件和時(shí)間置 輸出結(jié)束標(biāo)志位向 控制寄存分別送入 事件和時(shí)間向 控制寄分別送入 事件和時(shí)間置 輸出結(jié)束標(biāo)志位置 輸出結(jié)束標(biāo)志位恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 返回 圖 57 HSO中斷服務(wù)程序流程圖沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 六 章 總結(jié)與展望 32 第六章 總結(jié)與展望 工作總結(jié) 本設(shè)計(jì)用一臺(tái)單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。 本設(shè)計(jì)采用了 Inter 系列中的 80C196KC 單片機(jī)，在此單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號(hào)是通過模擬光電隔離器、 A/D 轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照已定的控制算法計(jì)算產(chǎn)生脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級(jí)，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。數(shù)字測(cè)速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護(hù)方便，同時(shí)采用 M/T 數(shù)字測(cè)速方法，兼?zhèn)淞?M 法和 T 法測(cè)速的優(yōu)點(diǎn)，有效地?cái)U(kuò)大了調(diào)速范圍。 (2)控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路簡(jiǎn)單而且統(tǒng)一，零部件的數(shù)量和觸點(diǎn)大大減少，而且可靠性高，可重復(fù)性好。 (3)數(shù)字控制系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，系統(tǒng)中的控制量 和反饋量都必須根據(jù)一定的采樣周期進(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)以數(shù)字信號(hào)來工作，其控制手段方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)。 研究展望 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、可靠性高，可以提高控制性能，它將是