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1、數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的研究及設(shè)計 數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的研究及設(shè)計 　　第1章緒論 　　直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，

2、并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 　　1.1課題背景與研究目標(biāo) 　　直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而

3、致使系統(tǒng)的運行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 　　直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没渲饕攸c是： 　　(1)常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； 　　(2)動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； 　　(3)系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； 　　(4)可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； 　　(5)可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度；

4、　　(6)容易與上一級計算機交換信息； 　　(7)具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能； 　　(8)成本較低。 　　此次課題設(shè)計一個直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由單片機，檢測電路，驅(qū)動電路，按鍵輸入，數(shù)碼顯示等構(gòu)成，檢測電路又包括電流檢測，轉(zhuǎn)速檢測，電源邏輯狀態(tài)檢測等部分。 　　1.2課題的實際意義 　　隨著微電子技術(shù),微處理機以及計算機軟件的發(fā)展,使調(diào)速控制的各種功能幾乎均可通過微處理機,借助軟件來實現(xiàn)。即從過去的模擬控制向模擬-數(shù)字混合控制發(fā)展,最后實現(xiàn)全數(shù)字化。 　　在數(shù)字

5、化系統(tǒng)中,除具有常規(guī)的調(diào)速功能外,還具有故障報警,診斷及顯示等功能,同時,數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強的通信能力,通過選配適當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌谀０?可方便地實現(xiàn)主站(如上一級plc或計算機系統(tǒng))和從站(單機交,直流傳動控制裝置)間的數(shù)字通信,組成分級多機的自動化系統(tǒng)。為易于調(diào)試,數(shù)字系統(tǒng)的軟件,一般設(shè)計有調(diào)節(jié)器參數(shù)的自化優(yōu)化,通過啟動優(yōu)化程序,實現(xiàn)自動尋優(yōu)和確定系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù),以及實現(xiàn)如直流電動機磁化特性曲線的自動測試等,有利于縮短調(diào)試時間和提高控制性能。國外一些電氣公司都有成系列的與模擬調(diào)整系統(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。與模擬系統(tǒng)類似,全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)

6、展成為緊湊式和模塊式兩大類，但全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)還是有模擬調(diào)速系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點,技術(shù)更先進,操作方便。 　　數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對比,技術(shù)性能有如下優(yōu)點: 　　(1)靜態(tài)精度高且能長期保持； 　　(2)動態(tài)性能好,借助于豐富的軟件,易于實現(xiàn)各類自適應(yīng)和復(fù)合控制； 　　(3)調(diào)速范圍寬； 　　(4)電壓波動??； 　　(5)參數(shù)實現(xiàn)軟件化,無漂移影響； 　　(6)所用元件數(shù)量少,不易失效； 　　(7)設(shè)定值量化程度高,且狀態(tài)重復(fù)率好； 　　(8)放大器和級間耦合噪聲很

7、小,電磁干擾小； 　　(9)調(diào)試即投產(chǎn)靈活方便,易于設(shè)計和修改設(shè)計； 　　(10)標(biāo)準(zhǔn)及通用化程度高,除主cpu模塊外,僅數(shù)種附加模塊； 　　可實現(xiàn),包括工藝參數(shù)在內(nèi)的多元閉環(huán)控制； 　　(11)適用范圍廣,可實現(xiàn)各類變速控制及易于實現(xiàn)與單片機或plc系統(tǒng)通信。 　　由此,數(shù)字化將在未來的調(diào)速設(shè)備中得到大量應(yīng)用。 　　數(shù)字化是調(diào)速系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)，特別是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及與發(fā)展，就更加確定了數(shù)字控制的主導(dǎo)地位，因此研究該課題具有實際意義。 　　第2章系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

8、 　　本設(shè)計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設(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、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)實現(xiàn)全數(shù)字化。 　　2.1調(diào)速方案的選擇 　　調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。根據(jù)電機的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運行。 　　2.1.1系統(tǒng)控制對象的確定 　　本次設(shè)計選用的電動機型號z2-32型，額定功率1.1kw，額定電壓230v，額定電流6.58a,額定轉(zhuǎn)速1000

9、r/min,勵磁電壓220v,運轉(zhuǎn)方式連續(xù)。 　　2.1.2電動機供電方案的選擇 　　變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機組簡稱g-m系統(tǒng)，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱v-m系電壓。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ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且

10、控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)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(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計的技術(shù)要求和特點選v-m系統(tǒng)。[1] 　　在v-m系統(tǒng)中，調(diào)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ud。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。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

11、流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。 　　2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，選擇最適合設(shè)計要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實際，選擇轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電機轉(zhuǎn)速通過光電脈沖轉(zhuǎn)換器的計數(shù)，再直接連到單片機。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。 　　2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 　　若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)器

12、的單閉環(huán)調(diào)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(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)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(fù)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(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)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(fù)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(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。 　　若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的

13、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。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)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。 　　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

14、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。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。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(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。 　　綜上所述，本系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設(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、電壓記憶環(huán)節(jié)、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)實現(xiàn)全數(shù)字化。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 　　圖2-1單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 　　2.2.2系統(tǒng)的工作原理 　　在此單片

15、機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、a/d轉(zhuǎn)換器送入計算機，計算機按照已定的控制算法計算產(chǎn)生雙脈沖，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，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動機的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。 　　第3章主電路設(shè)計與參數(shù)計算 　　電動機的額定電壓為230v，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減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，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用d/y聯(lián)結(jié)。 　　3.1整流變壓器的設(shè)計 　　工業(yè)供電電壓為

16、ac380v，而電動機的額定電壓為230v，所以必須通過降壓變壓器對使之達(dá)到系統(tǒng)要求。本設(shè)計采用的是直流電機，故還須通過整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓。 　　3.1.1變壓器二次側(cè)電壓u2的計算 　　u2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： 　　式中udmax--整流電路輸出電壓最大值； 　　nut--主電路電流回路n個晶閘管正向壓降； 　　c--線路接線方式系數(shù)； 　　ush--變壓器的短路

17、比，對10～100kva，usk=0.05～0.1； 　　i2/i2n--變壓器二次實際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。[2] 　　在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即： 　　式中a--理想情況下，α=0時整流電壓ud0與二次電壓u2之比，即a=ud0/u2； 　　b--延遲角為α?xí)r輸出電壓ud與ud0之比，即b=ud/ud0； 　　ε——電網(wǎng)波動系數(shù)； 　　1~1.2——考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)； 　　根據(jù)設(shè)計要求，采用公式： 　　由表查得a=2.34；取ε=0.9；α角考慮

18、10裕量，則b=cosα=0.985 　　取u2=120v。 　　電壓比k=u1/u2=380/120=3.17。 　　3.1.2一次、二次相電流i1、i2的計算 　　由表查得ki1=0.816,ki2=0.816 　　考慮變壓器勵磁電流得： 　　3.1.3變壓器容量的計算 　　s1=m1u1i1； 　　s2=m2u2i2； 　　s=1/2(s1+s2)； 　　式中m1、m2--一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)； 　　s1=m1u1i1=33801.

19、69=1.9266kva 　　s2=m2u2i2=31205.37=1.9332kva 　　s=1/2(s1+s2)=1/2（1.9266+1.9332）=1.9299kva 　　3.2晶閘管元件的選擇 　　整流電路采用晶閘管全控橋電路。由于它具有單向?qū)щ娦?，不允許電流反向，對過電壓，過電流以及過高的和敏感，在低速運行時，導(dǎo)通角很小等等缺點，結(jié)合課題提供的參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)木чl管型號十分重要。 　　3.2.1晶閘管的額定電壓 　　晶閘管實際承受的最大峰值電壓utm，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即

20、可確定晶閘管的額定電壓utn，即utn=（2～3）utm[3] 　　整流電路形式為三相全控橋，而，則 　　取 　　3.2.2晶閘管的額定電流 　　選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，即 　　=1.57>或>==k 　　考慮（1.5～2）倍的裕量 　　=（1.5～2）k 　　式中k=/（1.57）--電流計算系數(shù)。 　　此外，還需注意以下幾點： 　?、佼?dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40℃時，應(yīng)降低元件

21、的額定電流值。 　?、诋?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。 　?、坳P(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。 　　由表查得k=0.368，考慮1.5~2倍的裕量 　　取。故選晶閘管的型號為。 　　3.3直流調(diào)速系統(tǒng)的保護 　　晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。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、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關(guān)鍵。 　　3.3.1過電壓保護 　　不能從根本上消除過電壓的根源

22、，只能設(shè)法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內(nèi)，這是過電壓保護的基思想。抑制過電壓的方法不外乎三種：用非先行元件限制過電壓的幅度；用電阻消耗產(chǎn)生過電壓的能量；用儲能元件吸收產(chǎn)生過電壓的能量。實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方法。以過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。 　?。?）交流側(cè)過電壓保護 　　本設(shè)計采用阻容保護即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻r和電容c進行保護。如圖（3-1）所示： 　　圖3-1rc保護電路 　　表3-1變壓器連接及阻容選值

23、 　　變壓器接法 　　單相 　　三相、二次ｙ聯(lián)結(jié) 　　三相二次ｄ聯(lián)結(jié) 　　阻容裝置接法 　　與變壓器二次側(cè)并聯(lián) 　　y聯(lián)結(jié) 　　d聯(lián)結(jié) 　　y聯(lián)結(jié) 　　d聯(lián)結(jié) 　　電容 　?。? 　?。? 　　1/3c 　　3c 　　c 　　電阻 　?。? 　?。? 　　3r 　　1/3r 　　r 　　對于三相電

24、路，ｒ和ｃ的值可按上表換算。 　　本系統(tǒng)采用d-y連接。 　　s=1.9299kva，u2=120v 　　變壓器勵磁電流百分?jǐn)?shù)iem取值：當(dāng)s=1~10kva時，對應(yīng)的iem=4~1，所以iem取3。 　　c≥6iems/u22=6334103/1202=14.17µf 　　選取20µf的鋁電解電容器。 　　變壓器短路電壓比選?。簊=1~10kva，=1~5，所以=3 　　r≥2.3u22/s=2.31202/1.9299103=9.37ω 　　選取電阻為zb

25、1-10的電阻。 　　（2）直流側(cè)過電壓保護 　　直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護,如圖(3-2)所示。 　　圖3-2壓敏電阻保護的接法 　　u1ma=（1.8-2.2）udc=(1.8-2.2)230=414-460v 　　選my31-440/5型壓敏電阻。允許偏差+10％（484v）。 　　（3）晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 　　查下表：

26、 　　表3-2過電壓保護阻容選值 　　晶閘管額定電流/μa 　　10 　　20 　　50 　　100 　　200 　　500 　　1000 　　電容/μf 　　0.1 　　0.15 　　0.2 　　0.25 　　0.5 　　1 　　2 　　電阻/ω 　　100 　　80 　　40 　　20

27、 　　10 　　5 　　2 　　抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.1～1.15倍。[4] 　　得c=0.1µf，r=100ω。 　　選r為0.2µf的czjd-2型金屬化紙介質(zhì)電容器。 　　pr=fcum210-6=500.210-6(120)210-6=0.4510-6w 　　選r為20ω普通金屬膜電阻器，rj-0.5。 　　3.3.2電流保護 　　快速熔斷器的斷流

28、時間短，保護性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 　　1）交流側(cè)快速熔斷器的選擇 　　i2=5.37a 　　選取rls-10快速熔斷器，熔體額定電流6a。 　　2）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇 　　i=i2=5.37a，it===3.11a 　　選取rls-10快速熔斷器，熔體額定電流4a。 　　3）電壓和電流上升率的限制 　　電壓上升率：正相電壓上升率較大時，會使晶閘管誤導(dǎo)通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應(yīng)有一定的限制。

29、 　　造成電壓上升率過大的原因一般有兩點：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。 　　限制過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使降低。 　　電流上升率：導(dǎo)通時電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此對晶閘管的電流上升率必須有所限制。 　　產(chǎn)生過大的原因，一般有：晶閘管導(dǎo)通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流側(cè)保護電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等。 　　限制，除在阻

30、容保護中選擇合適的電阻外，也可采用與限制相同的措施，即在每個橋臂上串聯(lián)一個電感。 　　限制和的電感，可采用空心電抗器，要求l≥（20～30）μh；也可采用鐵心電抗器，l值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導(dǎo)線繞上一定圈數(shù)，或在導(dǎo)線上套上一個或幾個磁環(huán)來代替橋臂電抗器。 　　所以為了防止和，每個橋臂上串聯(lián)一個30μh的電感。 　　3.3.3平波電抗器的計算 　　為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算

31、。 　　1）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計算，單位mh。 　　式中－與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得=0.695 　　－最小負(fù)載電流，常取電動機額定電流的5％～10％計算。 　　所以==7.38mh 　　2）限制輸出電流脈動的電感量 　　由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對電動機負(fù)載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的

32、脈動量。平波電抗器的臨界電感量 　　式中－系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，根據(jù)本電路形式查得=1.045 　?。娏髯畲笤试S脈動系數(shù)，通常單相電路≤20％，三相電路≤（5～10）％。 　　所以==11.09mh 　　3）電動機電感量和變壓器漏電感量 　　式中、、n－直流電動機電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入； 　　p－電動機的磁極對數(shù)； 　?。嬎阆禂?shù)。一般無補償電動機取8～12，快速無補償電動機取6～8，有補償電動機取5～6。 　　本設(shè)計中取=8、=230v、=6.58a、n=1000r

33、/min、p=1 　　==5.6mh 　　變壓器漏電感量（單位為mh）可按下式計算 　　式中－計算系數(shù)，查表可得 　　－變壓器的短路比，一般取5～10。 　　本設(shè)計中取=3.9、=6 　　所以==0.248mh 　　4）實際串入電抗器的電感量 　　考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量： 　?。钤谌鄻蚴诫娐分腥。玻溆嚯娐房扇。薄? 　　=7.38－（5.6+20.248）=1.324mh 　　考慮限制電流脈動時的實際電感量： 　　本電

34、路=11.09－（5.6+20.248）=5.034mh 　　如上述條件均需滿足時，應(yīng)取和中較大者作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取=6mh作為平波電抗器的電感值。 　　一般說來，均衡電抗器和平波電抗器分設(shè)的方案比較經(jīng)濟，故采用較為普遍。 　　3.4主電路及保護電路圖 　　圖3-3主電路及保護電路原理圖 　　第4章控制電路設(shè)計 　　控制電路基本由單片機，觸發(fā)電路，a/d轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集電路以及顯示電路構(gòu)成。80c51單片機觸發(fā)晶閘管門極，晶閘管導(dǎo)通。雙閉環(huán)系統(tǒng)由兩個pi調(diào)節(jié)器組成，由單片機通過pi算法實現(xiàn)

35、。 　　4.1晶閘管觸發(fā)控制電路設(shè)計 　　整流橋由6個晶閘管構(gòu)成，由單片機通過相對觸發(fā)方式的控制算法延時分別觸發(fā)，達(dá)到整流的作用。觸發(fā)脈沖存于80c51程序存儲器中，當(dāng)出發(fā)時間到，指針取出一個脈沖，光電隔離后去觸發(fā)晶閘管。 　　4.1.1晶閘管觸發(fā)方法 　　晶閘三相全控橋式整流電路簡圖如圖4-1所示 　　圖4-1三相全控橋式整流電路及波形圖 　　三相全控橋式整流電路共有六個晶閘管，它們分為共陰極和共陽極兩組。在觸發(fā)時，采用雙脈沖觸發(fā)方式，每次兩組各有一個晶閘管導(dǎo)通。六個晶閘管的導(dǎo)通順序為scr1、scr2、sc

36、r3、scr4、scr5、scr6，如圖4-2所示。相電壓曲線的交點t1～t6,就是晶閘管scr1～scr6的控制角起點。取線電壓uac從負(fù)半波的過零點g（t1）作為同步基準(zhǔn)點，則應(yīng)觸發(fā)導(dǎo)通的第一對晶閘管為scr1、scr6，根據(jù)波形圖可分析出各晶閘管的觸發(fā)時刻（對應(yīng)于控制角α=00）及觸發(fā)順序如圖4-2所示。 　　圖4-2晶閘管觸發(fā)時刻(α=00)及觸發(fā)順序 　　單片機在觸發(fā)晶閘管時,根據(jù)電流控制器的輸出控制值uk，以同步基準(zhǔn)點位參考點，算出晶閘管控制角α的大小，再通過定時器按控制角的大小以及觸發(fā)順序，準(zhǔn)確地向各個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。 　　在控制觸發(fā)

37、時，有兩種觸發(fā)方法：絕對觸發(fā)方法和相對觸發(fā)方法。所謂絕對觸發(fā)方法就是指觸發(fā)脈沖形成的時刻都直接取決于基準(zhǔn)時刻點。對三相全控橋式整流電路，在交流電的一個周期內(nèi)需要6個（或者3個）基準(zhǔn)點。相對觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準(zhǔn)來確定后一觸發(fā)脈沖時刻，（更多精彩文章來自“秘書不求人”）它用加長或縮短相鄰兩次觸發(fā)脈沖之間的間距來改變控制角，在穩(wěn)態(tài)時，這個間距等于600，控制角α改變時，該間距應(yīng)相應(yīng)改變。但由于電網(wǎng)頻率的波動以及計算機定時器的誤差，會使控制角偏離要求值。因此，在相對觸發(fā)方式時，應(yīng)在一個周期內(nèi)用同步脈沖信號進行一次校正，以避免誤差的積累。[5] 　　對于單相電路，均使用絕對觸發(fā)方

38、式。在三相全控橋式整流電路中，一般則常使用相對觸發(fā)方式。 　　綜上本次設(shè)計使用相對觸發(fā)的觸發(fā)控制方法。 　　4.1.2控制算法 　　設(shè)相鄰可控硅之間觸發(fā)脈沖間距角為δ。在穩(wěn)定情況下時，δ=600。當(dāng)α由αk-1變?yōu)棣羕時，應(yīng)有： 　　δ=αk-αk-1+600 　　在控制時，一般均使用單片機的定時器來完成觸發(fā)脈沖輸出。這樣，須把角度轉(zhuǎn)換成時間值。交流電的一個周期（對頻率為50hz為20ms）對應(yīng)于3600，故600對應(yīng)于10/3ms。觸發(fā)間距時間tδ可表示為： 　　tδ=tαk-tαk-1+t60（4-1）

39、 　　為了避免觸發(fā)錯誤，必須加入同步校正。每隔3600來一個同步脈沖（取自線電壓uac的過零點），以此為基準(zhǔn)點，校正觸發(fā)第一對晶閘管vt1，vt6的控制角。這可采用在每個周期用定時器計數(shù)同步脈沖發(fā)生時刻與實際同步脈沖發(fā)生時刻之差te，然后在計算第一對晶閘管的控制時刻時，按以下公式進行計算： 　　tδ=tαk-tαk-1+t60+te（4-2） 　　4.1.3控制角的計算 　　三相全控橋式整流電路輸出電壓ud與控制角α有以下關(guān)系: 　　ud=2.34ecosα(4-3) 　　其中e為電源相電壓有效值。

40、　　對于數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求對象為線性系統(tǒng)。而根據(jù)式（4-3）可知，如果控制角α與控制輸出uk為線性關(guān)系，則輸出電壓ud與控制輸出uk之間為非線性關(guān)系（余弦關(guān)系），這是我們所不希望的。如要求觸發(fā)整流環(huán)節(jié)為一個放大系數(shù)為ks的線性環(huán)節(jié)，則有： 　　ud=2.34ecosα=ksuk 　　即有 　　cosα=ksuk/2.34e=udmaxuk/ukmax2.34e 　　=2.34ecosαminuk/ukmax2.34e 　　=cosαminuk/ukmax=λuk 　　α=arcos(λuk)(4-4)

41、 　　式中，λ=cosαmin/ukmax是一個與最小控制角αmin和最大控制輸出ukmax有關(guān)系的常數(shù)。[6] 　　式(4-4)即是α與uk的關(guān)系式。由它可算出對應(yīng)于某一uk值的α值。由于一般均用時間值來表示α，所以還需要對α轉(zhuǎn)換成時間值tα。 　　對于50hz的交流電而言，控制角α對應(yīng)的時間為： 　　tα=α*106/360*50（μs）(4-5) 　　為了加快計算速度，可采用查表法或插值查表法來按uk值計算tα值。 　　4.1.4脈沖分配表 　　在觸發(fā)六個晶閘管時，要按照圖4-3的順序，依次發(fā)出控制信號

42、。為了方便起見，可建立一個脈沖分配表，如表4-1，它放于程序存儲器中。每當(dāng)觸發(fā)時間到，按指針從表中取出一個數(shù)據(jù)從單片機的i/o口輸出，經(jīng)光電隔離去觸發(fā)晶閘管。 　　表4-1脈沖分配表（0有效） 　　單元地址 　　數(shù)據(jù)（由i/o口輸出） 　　被觸發(fā)晶閘管 　　m 　　m+1 　　m+2 　　m+3 　　m+4 　　m+5 　　xx011110 　　xx111100 　　xx111001 　　xx1100

43、11 　　xx100111 　　xx001111 　　scr6,1 　　scr1,2 　　scr2,3 　　scr3,4 　　scr4,5 　　scr5,6 　　4.2檢測與驅(qū)動電路 　　雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)得采樣周期比較快，計算和控制任務(wù)也比較繁忙，因此需要使用高性能的單片機。 　　對于用于軋機傳動等要求響應(yīng)快、精度高的調(diào)速系統(tǒng)，一般需要使用16位的單片機，如inter的mcs-96或者motorola的m68hc16等。它們能在幾微

44、秒內(nèi)完成16位加法和乘法，并且有10位a/d轉(zhuǎn)換器、16位高性能多功能定時器系統(tǒng)，可完成調(diào)速系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、控制輸出等功能。 　　對于快速性和控制精度要求較低的調(diào)速系統(tǒng)，可選用高性能8位單片機，如inter的mcs-51或者motorola的m68hc05、m68hc11，其中后者有16位運算功能，并有片內(nèi)8位高速a/d和16位多功能定時器系統(tǒng)，還有watchdog等各種其他外用功能，非常適合于調(diào)速控制系統(tǒng)。[7] 　　綜上，本系統(tǒng)采用inter系列中的80c51單片機。 　　4.2.1電流測量和速度給定值輸入 　　本系統(tǒng)使

45、用adc08098路8位a/d轉(zhuǎn)換器，它的地址為7fffh。寫入該地址，啟動a/d轉(zhuǎn)換器，通道地址由a2、a1、a0決定。a/d轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生eoc脈沖和中斷。這時，mcu可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。 　　圖4-3電流測量框圖 　　如圖4-4所示，交流電流通過電流互感器變成0～5v電壓信號，經(jīng)整流和濾波后加到adc0808的in0上。速度給定采用電位器輸入，它加到in1上。在調(diào)整速度給定值時，可按下速度給定顯示鍵。這時，四位led上將顯示對應(yīng)于電位器輸入的速度給定值，可調(diào)整電位器至顯示值為所需的給定值。[8] 　　對于需要較高精度的調(diào)速控制系統(tǒng)，可采用10位或者更

46、高分辨率的a/d轉(zhuǎn)換芯片。但這時，一方面成本將較高，另一方面計算將大大復(fù)雜，因為必須采用16位計算，所以在選型時應(yīng)該多方面考慮。 　　4.2.2速度測量 　　速度檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法。模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。不過模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴(yán)重。對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測速。 　　光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機相連，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。旋

47、轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過接受器將該數(shù)碼送入計算機。絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號，必須對轉(zhuǎn)角進行微分處理。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，如圖4-4所示，當(dāng)電動機旋轉(zhuǎn)時，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開發(fā)或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉(zhuǎn)速。 　　圖4-4增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖 　　上述脈沖序列正確地反映了轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置

48、錯開光柵節(jié)距的1/4，則兩組脈沖序列a和b的相位相差900，如圖4-5所示。正轉(zhuǎn)時a相超前b相；反轉(zhuǎn)時b相超前a相。采用簡單的鑒相電路就可以分辨出方向。 　　圖4-5區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的a、b兩組脈沖序列 　　若碼盤的光柵數(shù)為n，則轉(zhuǎn)速分辨率為1/n，常用得旋轉(zhuǎn)編碼器光柵數(shù)有1024、2048、4096等。采用倍率電路可以有效地提高轉(zhuǎn)速分辨率，而不增加旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù)，一般多采用四倍頻電路。 　　采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法有三種：m法、t法和m/t法。 　　1：m法測速在一定的時間tc內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)m1，用以計算這段時間內(nèi)的

49、平均轉(zhuǎn)速，稱作m法測速。把m1除以tc就得到了旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率f1=m1/tc,所以又稱頻率法。電動機每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生z個脈沖（z=倍頻系數(shù)編碼光柵數(shù)），把f1除以z就得到電動機的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時間tc以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min為單位，則電動機的轉(zhuǎn)速為 　　在上式中,z和tc均為常值,因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個數(shù)m1。高速時m1大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時m1將小于1，測速裝置便不能正常工作。所以m法測速只適用于高速段。 　　2：t法測速在編碼器兩個相鄰輸出脈沖的間隔時間內(nèi)，用一個計數(shù)器對已知頻率為f0的高頻時鐘脈沖進行

50、計數(shù)，并由此來計算轉(zhuǎn)速，稱為t法測速。在這里，測速時間緣于編碼器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在t法測速中，準(zhǔn)確的測速時間tt是用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù)m2計算出來的，即tt=m2/f0，則電動機轉(zhuǎn)速為 　　高速時m2小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以t法測速適用于低速段。 　　3：m/t法測速把m法和t法結(jié)合起來，既檢測tc時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)m1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)m2，用來計算轉(zhuǎn)速，稱作m/t法測速。設(shè)高頻時鐘脈沖的頻率為f0，則準(zhǔn)確的測速時間tt=m2/f0，而電動機轉(zhuǎn)速為 　　采用m/t法測速時，應(yīng)保證

51、高頻時鐘脈沖計數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與關(guān)閉，以減少誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達(dá)時，兩個計數(shù)器才同時允許開始或者停止計數(shù)。 　　由于m/t法的計數(shù)值m1和m2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當(dāng)于m法測速，最低速時，m1=1，自動進入t法測速。因此，m/t法測速能適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測速方法。 　　綜上所述，本系統(tǒng)的速度測量采用數(shù)字m/t法測速。其中利用t1作為定時器，計時tc時間產(chǎn)生中斷，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)m1由p1.6口檢測，同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)m2由p1.7口檢測，最后由轉(zhuǎn)速中斷程序完成轉(zhuǎn)速的

52、測量等等。[9] 　　4.2.3晶閘管控制 　　晶閘管觸發(fā)采用80c51的定時器t0實現(xiàn)。每次把t△的補碼寫入t0中，在t0溢出時，轉(zhuǎn)到t0中斷處理程序，按脈沖分配表從p1口（p1.0～p1.5）輸出晶閘管觸發(fā)脈沖。然后延時50μs，置位p1.0～p1.5，從而輸出寬度為50μs的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖經(jīng)cd4049提高驅(qū)動電流（cd4049是一個驅(qū)動功能的反相器），再經(jīng)過til117光隔離，從lm386低頻功率放大器得到最后的輸出脈沖，這樣可以提高輸出脈沖上升沿陡度，最后此脈沖去觸發(fā)對應(yīng)的晶閘管，如圖4-6所示。這里由于80c51的p1口在復(fù)位后初態(tài)為1，故采用0為

53、有效輸出位，以保證初態(tài)時晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。 　　同步校正由80c51的定時器t0和外部中斷實現(xiàn)。此同步電路是由lm339構(gòu)成的過零比較器電路和一個光電耦合器及一個反相器組成的。交流電源線電壓vac經(jīng)變壓器變壓，穩(wěn)壓管削波后輸入比較器lm339，比較器輸出再經(jīng)過光電隔離及反相后產(chǎn)生一個與vac同相位的方波信號，輸出的方波信號加到上，它置為調(diào)變觸發(fā)方式。[10] 　　圖4-6晶閘管驅(qū)動電路 　　第5章調(diào)節(jié)器的設(shè)計 　　本章主要設(shè)計電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并通過軟件來實現(xiàn)模擬電路的功能。先求出各個器件的傳遞函數(shù)，然后得出整個環(huán)的傳遞函數(shù)，并對

54、環(huán)的穩(wěn)定性作出正確的分析，最后求出采樣周期，并通過相關(guān)算法用數(shù)字形式來實現(xiàn)。 　　5.1對象的數(shù)學(xué)模型 　　單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。 　　圖5-1單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　其中ugn為速度給定，ugi為電流給定，ufn為速度反饋，ugi為電流反饋，uk為觸發(fā)器輸入信號，e為電動機反電勢，udo為晶閘管整流電壓，id為主回路電流。 　　原始數(shù)據(jù)： 　　直流電動機d的銘牌數(shù)據(jù)：型號z2-32型，額定功率1.1kw，額定電壓220v，額定電流6.58a,額定轉(zhuǎn)速1000r/min,勵磁電壓22

55、0v,運轉(zhuǎn)方式連續(xù)。 　　參數(shù)實測數(shù)據(jù)為: 　　電動機電樞電阻:rd=4.92ω 　　電動機電樞電感:ld=0.048h 　　電抗器電阻:rp=1.88ω 　　電抗器電感:lp=0.0313h 　　整流變壓器直流電阻:rt=0.18ω 　　整流變壓器電感:lt=0.017h 　　單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)被控對象是直流電動機,由圖5-1可知: 　　udo-e=idrε+lεdid∕dt=rε(id+tddid∕dt)(5-1)[11] 　　對式（5-1）取拉式

56、變換得 　　id(s)1/rε 　　udo(s)–e(s)tds+1(5-2) 　　其中,rε=rd+2rt+rp+rr,rr為晶閘管重疊角等效電阻。rε、lε、td的數(shù)值依次為 　　rε=4.92ω+20.18ω+1.88ω+1.6ω 　　=8.76ω 　　lε=ld+2lt+lp 　　=0.048h+0.0313h+20.017h 　　=0.11h 　　td=lε/rε=0.11h/8.76ω=0.013s 　　直流電動機軸上的力矩方程為

57、 　　m-mfz=cμid-cμifz=（gd2/375）（dn/dt）(5-3) 　　id-ifz=（gd2/375cμ）（dn/dt） 　　=tmde/rεdt(5-4) 　　對式(5-4)取拉式變換得 　　e(s)rε 　?。╥d-if）(s)tms(5-5) 　　n=e/ce(5-6) 　　其中，m為電動機電磁力矩； 　　mfz為電動機軸上的負(fù)載力矩； 　　ifz為電動機負(fù)載電流； 　　n為電動機轉(zhuǎn)速； 　　cμ為電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

58、 　　ce為電動機電勢常數(shù)； 　　由式(5-2)、(5-5)和(5-6)可以作出電動機結(jié)構(gòu)框圖，如圖5-2所示。 　　圖5-2電動機結(jié)構(gòu)圖 　　由圖5-2可以立即得到電動機數(shù)學(xué)模型： 　?。?-7） 　　5.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計及采樣周期的選擇 　　確定了被控對象電動機的數(shù)學(xué)模型,很容易作出電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖,如圖5-3所示。 　　圖5-3電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖 　　由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機電樞電流很快上升，相對電流來說，速度變化很緩慢。因

59、此，可以認(rèn)為反電勢對電流產(chǎn)生的影響很小，令△e=0，則圖5-3通過結(jié)構(gòu)圖變換，簡化為圖5-4。 　　圖5-4簡化的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖 　　5.2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 　?。?）電流反饋傳遞函數(shù) 　　電流反饋回路由交流互感器經(jīng)三相橋式整流及t型濾波構(gòu)成,一般時間常數(shù)在1∽2ms之間。取tlf=0.0016s。電動機最大起動電流為11.3a,而速度調(diào)節(jié)器輸出限幅為2.4v,則klf=2.4v/11.33a=0.212v/a,其傳遞函數(shù)為 　?。?-9） 　　注意到tscr和tlf都很小，可以把他看成是小慣性群，即

60、 　　tε=tscr+tlf=0.0017s+0.0016s=0.0033(s)。 　　這樣晶閘管傳遞函數(shù)和電流反饋傳遞函數(shù)可并為一慣性環(huán)節(jié): 　　20.47 　　0.0033s+1 　　將已求結(jié)果代入圖5-4,即可得到電流環(huán)最簡單結(jié)構(gòu)圖,如圖5-5所示。 　　圖5-5電流環(huán)最簡結(jié)構(gòu)圖 　　其中,dlt(s)為電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),gls(s)電流環(huán)廣義控制對象。 　　(5-10) 　　(2)電流調(diào)節(jié)器dlt(s)的求取 　　為了使本系統(tǒng)電流環(huán)超調(diào)小,有好的動態(tài)性

61、能,我們采用二階最佳來設(shè)計 　　電流調(diào)節(jié)器。令電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 　　(5-11) 　　根據(jù)二階最佳工程設(shè)計方法，則有 　　τi=2ktε=22.340.0033s=0.015(s) 　　τd=td=0.013(s) 　　這樣可得: 　　令k0=0.84,k,=64.89,則有 　　dlt(s)=k0+k’/s(5-12) 　　式（5-12）是一個pi調(diào)節(jié)器,可以導(dǎo)出離散化方程和差分方程: 　　離散化方程:(5-13) 　　差分方程:ck=

62、ck-1+(k1+k2)ek-k1ek-1（5-14） 　　其中,k1=k0-k,tlt=0.84-64.890.001=0.78 　　k2=k,tlt=64.890.001=0.065 　　這里設(shè)電流環(huán)采樣周期tlt=0.001s。把以上參數(shù)代入式（5-13）和式（5-14）可得: 　　（5-15）ck=ck-1+0.84ek-0.78ek-1（5-16） 　　5.2.2電流環(huán)在階躍下的穩(wěn)態(tài)誤差 　　上式利用z變換終值定理有 　　所以電流環(huán)在單位階躍輸入是無靜差的。 　　5.2.3

63、電流環(huán)采樣周期選擇 　　由圖5-5可知,電流環(huán)廣義控制對象可以看成是一個大慣性環(huán)節(jié)和一個小慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成,其傳遞函數(shù)為 　　則應(yīng)選擇的采樣周期為 　　tlt=1/4min(td,tε) 　　=1/4min(0.013s,0.0033s)≈0.001s 　　5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計及采樣周期的選擇 　　在圖5-1中,當(dāng)突加速度給定后,st輸出立即達(dá)到限幅值,st輸出就是lt的給定,因而系統(tǒng)以最大加速度升速。但是此時速度反饋來不及跟上速度給定，即ugn＞ufn，則st仍然處于飽和限幅，故速度環(huán)工作在開環(huán)狀態(tài)，速度繼

64、續(xù)上升，只有當(dāng)ugn＜ufn時，st才退出飽和限幅，這時才真正構(gòu)成速度閉環(huán)，直到穩(wěn)態(tài)為止。因此，系統(tǒng)速度閉環(huán)時其初始條件不為零，而按二、三階最佳工程設(shè)計是以頻率法為基礎(chǔ)，傳遞函數(shù)為工具，零初始條件為前提的，因而按二、三階最佳來設(shè)計速度調(diào)節(jié)器就成問題。為此，我們提出按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制來設(shè)計速度調(diào)節(jié)器。 　　按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計速度調(diào)節(jié)器的方法是基于控制作用受約束下，確定最優(yōu)控制規(guī)律，使系統(tǒng)從任意初態(tài)，以最優(yōu)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)移到新的平衡狀態(tài)。本系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)態(tài)運行為初態(tài)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到零時為平衡狀態(tài)，即當(dāng)速度給定突然變?yōu)榱銜r尋找制動過程最優(yōu)控制律。 　?。?）速度環(huán)的狀態(tài)方程

65、 　　由圖5-5,再考慮加入給定濾波器（為了減少超調(diào)量）,則電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 　　即ki=4.72,ti=0.0066s。這樣電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為速度環(huán)的一個環(huán)節(jié)來處理。為了確保系統(tǒng)精度，在glb(s)前面再串一個積分環(huán)節(jié)，則速度環(huán)被控對象結(jié)構(gòu)圖如圖5-8所示。 　　圖5-8速度環(huán)被控對象結(jié)構(gòu)圖 　　設(shè)狀態(tài)量:y=x1=n 　　x2=id 　　x3=ugi 　　則有: 　　相應(yīng)狀態(tài)方程為: 　　其中: 　　把a,b代入式(5-21)得

66、　　[b┊a(chǎn)b┊a(chǎn)2b]= 　　它的秩為3,因而此狀態(tài)方程有解,即系統(tǒng)能控。由于本系統(tǒng)只考慮快速性要求，即對x1=n提出快速要求，對其他兩個狀態(tài)變量無要求，故q作如下選擇。 　　q11不能選擇過大，否則使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，一般先q111，選q11=0。0012。 　　對于單輸入系統(tǒng)，r為常數(shù)，選r=1，把以上四參數(shù)代入式（2.25）。用計算機離線求出p陣，最后求出狀態(tài)反饋陣為 　　k=r-1btp=[0.035,0.018,1.87] 　?。?）速度調(diào)節(jié)器的求取 　　引入狀態(tài)反饋后圖5-8可以畫成如圖5-9所示的框圖。[12] 　　圖5-9速度環(huán)狀態(tài)反饋框圖 　　由于本設(shè)計是在速度給定降為零時,尋找制動過程最優(yōu)控制律,因而令ugn=0,此時圖5-9成為圖5-10。 　　圖5-10速度環(huán)狀態(tài)反饋簡化圖 　　圖中ksf是對1000r/min時，若令usf=2.4v,則ksf