【正文】 jEzz e j z?? ? ?? 式 （ 36）的 z變換式為 11()( ) ( ) [ ( ) ( ) ]1P I DEzU z K E z K K E z z E zz ??? ? ? ?? （ 37） 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 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 為 322?Z 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? ， 機(jī)電時間常數(shù) MT =，三相橋式晶閘管整流器的滯后時間為 z? =，放大倍數(shù)為 SK =20，速度反饋系數(shù) ? = min/Vr? ， 速度反饋濾波時間常數(shù) ONT 為 ，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 電流反饋系數(shù)， ? = 直流電 動 機(jī) 的數(shù)學(xué)模型 在電力拖動 自動 控制系統(tǒng)中，直流電動機(jī)通常以電樞電壓 作 為輸入量，以電動機(jī)轉(zhuǎn)速 作為輸出量。 根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動定律，電動機(jī)軸上的運(yùn)動方程式為 fdnJ M Mdt ?? （ 311） 式中 J電動機(jī)軸上 (包括負(fù)載折算過來的 ) n電動機(jī)轉(zhuǎn)速； M電動機(jī)軸的電磁力矩： fM 電動機(jī)軸的負(fù)載力矩。 進(jìn)而，我們可得直流電動機(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） 可以看出直流電動機(jī)可以近似認(rèn)為具有兩個慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。 STSTKiii )1( ?11 ?STniSSTKnnn )1( ?11 ?STon 1?ssT K11?STRl STRm eC11?ST oi?1?ST on?*nU ?? )(te ?? ?? ??dI dlI )(snASRAC RSCR 圖 33 雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 其中轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)均采取 PI控制。 對于速度閉環(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)器時間常數(shù)。 考慮到一般 z? 比起系統(tǒng)其它部分的時間常數(shù)往往小很多，可以將該時滯環(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 （ 1） 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 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的影響，反電勢支路相當(dāng)于斷開。為了滿足電流超調(diào)量。此時轉(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 CTK n K R?????? 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 19 4 主電路的設(shè)計與參數(shù)計算 電動機(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勢的不良影響 和 三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用 D/Y聯(lián)結(jié)。本設(shè)計采用的是直流電 動 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 。一般可按下式計算，即： BA UU d?)~1(2 ? （ 41） 式中 A理想情況下， ? =0176。 裕量， 則 B=cos ? = 則 110)~1(2 ???U, 取 2U =120V。 一次、二次 側(cè) 相電流 I I2的計算 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 46 6IdI K I A A? ? ? ? 變壓 器容量的計算 S1=m1U1I1； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 20 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=3380 = KVA S2=m2U2I2=3120 = KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（ +） = KVA 晶閘管 型號 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)型號的晶閘管十分重要。 式中 K 電流計算系數(shù)。 ② 當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，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 故選晶閘管的型號為 KP498。設(shè)計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。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 21 過電壓保 護(hù) 和dtdu限制 （一） 凡是超過晶閘管正常工作時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。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用兩種不同保護(hù)方法。 （ 1） 交流側(cè)過電壓保護(hù) ： 本設(shè)計采用阻容保護(hù)，如 圖 41所示。F 選取 70181。 R≥ 2U 2/S=120 2/10 3 = 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 ～ 。 選 R為 CZJD2型金屬化紙介質(zhì)電容器。 （二） 電壓上升率 du/dt：正相電壓上升率較大時，會使晶閘管誤導(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 （一） 由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流，溫度就會急劇上升，可能會把 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 每個橋臂上串聯(lián)一 個 30μH 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 \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 和保護(hù)電路圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 24 5 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計 一般典型的直流數(shù)字調(diào)速 系統(tǒng) 主要 包括 控制模塊 、同步信號電路、測速脈沖信號 、速度 反饋 模塊 、電流反饋電路、顯示電路、觸發(fā)脈沖輸出驅(qū)動 模塊等部分 。 主回路晶軋管門極觸發(fā)脈沖輸出驅(qū)動電路速度給定程序存儲器顯示模塊電流反饋值測速脈沖信號同步中斷模塊路觸發(fā)脈沖 圖 51 基于 80C196KC 的直流電動機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 控制模塊 系統(tǒng)中的控制模塊主要負(fù)責(zé)完成數(shù)字 PI 算法的實(shí)現(xiàn)，電壓、電流 A/D 轉(zhuǎn)換與高速 I/O 掃描等功能是整個數(shù)字控制系統(tǒng)的核心，一般采用高性能的單片機(jī)構(gòu)成。 控制模塊部分由 80C196KC單片機(jī)和外部程序存儲器構(gòu)成。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 25 80C196KC的主要技術(shù)特點(diǎn)如下： （ 1） 16K字節(jié)片內(nèi) EPROM； （ 2） 448 字節(jié)寄存器陣列； （ 3） 寄存器 寄存器結(jié)構(gòu)； （ 4） 5個 8位 I/0口； （ 5） 全雙工串行口； （ 6） 16 位監(jiān)視定時器； （ 7） 4個 16 位軟件定時器； （ 8） 可動態(tài)配置的八位或十六位總線寬度； （ 9） PWM(脈寬調(diào)制 )輸出； （ 10） HSI/HSO(高速輸入輸出 口 )； （ 11） 10/8位具有采樣保持的 A/D轉(zhuǎn)換器； （ 12） 28 個中斷源， 18 個中斷向量； （ 13） 可以采用 16MHz的晶振。同樣使用12MHz 的晶振， 80C196KC 的運(yùn)算速度要比 8096 提高 1/3，使用 16MHz 的晶振，將比使用12MHZ 晶振的 8096 快 1/2(因?yàn)?8096 最快只能使用 12MHz 晶振 )。 同步信 號電路 同步信號電路是數(shù)字 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一個重要的電路。根據(jù)該基準(zhǔn)，通過單片機(jī)計算得出移相觸發(fā)時間，進(jìn)而確定觸發(fā)角對應(yīng)的觸發(fā)脈沖形成時刻。 同步信號的獲取方法有下面 兩 種： （ 1） 同步信號獲取方法一是用圖 52 所示電路中最后一個異或門輸出的脈沖送到單片機(jī)的外部中斷引腳，實(shí)現(xiàn)每 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 26 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 : 9 J un 2 0 0 7 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設(shè)計 \電路圖 \硬件電路設(shè)計 . d db D r a w n B y:123ABC4561 7B7 4A L S 8 61231 7A7 4A L S 8 63 6152 2 4911 12107 8 1 1315145423121 6AL M 1 391231 8A7 4L S 8 6+ 12 VS1S2S3761U 1 6BL M 1 399814U 1 6CL M 1 39I N T+ 12 V+ 12 V 圖 52 同步 信號 電路圖 圖中，同步變壓器與主變壓器一樣接成 Y/Y12 接法 ，同步電壓先由二級 RC 濾波電路濾除電源干擾，并通過調(diào)整 R 值實(shí)現(xiàn) 30o移相，使三個相同步電壓分別與晶閘管電源三相線電壓保持