畢業(yè)設計---雙閉環(huán)可逆直流pwm調(diào)速系統(tǒng)的研究

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題 目：全數(shù)字化雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的研究</p><p>　　作 者： </p><p>　　系 （部）： 信息與電子工程系 </p>&l

2、t;p>　　專業(yè)班級： 工業(yè)電氣自動化 </p><p>　　指導教師： xx </p><p>　　職 稱： 講師 </p><p>　　2006年06月01日</p><p&g

3、t;<b>　　摘 要</b></p><p>　　當今，自動化控制系統(tǒng)己經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統(tǒng)治地位。</p&g

4、t;<p>　　微機技術的快速發(fā)展，在控制領域得到廣泛應用。本文對基于微機控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，用微機硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個將微機和電力拖動控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基礎上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。在硬件方面

5、充分利用微機外設接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。</p><p>　　論文分析了系統(tǒng)工作原理和提高調(diào)速性能的方法，研究了IGBT模塊應用中驅(qū)動、吸收、保護控制等關鍵技術。在微機控制方面，討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字PWM調(diào)制器、雙極式H型PWM變換電路、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理，并給出了軟、硬件實現(xiàn)方案。該方案以89C52微機為核心，分別采用了8255

6、, 8253, 8279, ADC0809, 741914等芯片與一些外圍電路。通過實時測試與調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速/電流，此調(diào)速系統(tǒng)可獲得快速、精確的調(diào)速效果。</p><p>　　關鍵詞：直流可逆調(diào)速，數(shù)字觸發(fā)，PWM，數(shù)字控制器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Today, autocontrol sy

7、stems have been widely used and deleloped in every Walk of life, while DC speed regulation as the artery in the area of electric drive systems acts the main effect in modernization production. DC speed regulation is mai

8、nly made up of control unite, power unite and DC motor. For a long time，DC motor has possessed the main role in the area of electric drive field because of its neatly adjust, easy method and smooth timing in wide rage, a

9、lso, its control performance is very go</p><p>　　With the rapid development of microcomputer, it is widely used in the control field. This paper reserches reversible DC-PWM timing system with a dual-converte

10、r and dual-closed-loop. Beginning with the theory of the DC timing system, this article has build up the maths model of the reversible DC-PWM timing system with Central a dual-converter and dual-closed-loop，discussing

11、 a microcomputer with DC-drive. Based new method that 0n the overall review of control object, the emphasis is put on the </p><p>　　This paper analyzes the working principles of the system and some key techn

12、ical issues of the application based on the IGBT apparatus, which include drive circuit,snubber circuit,protection and controlling the quantity of heat, and so on.In the aspect of microcomputer control, it has discussed

13、the principle of number touch off、number velocity testing、current/velocity controller、number PWM modulator and presents the hardware/software scheme to achieve it. This scheme is based on the core of 89C52</p><

14、;p>　　Keywords: reversible DC timing system, number touch off, Pulse-Width Modulation, number controller</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 引言.......................................

15、...............................................................……....1</p><p>　　1.1電氣傳動技術發(fā)展現(xiàn)狀.......................................... .............................……......1</p><p>　　1.2微機控制電機的

16、發(fā)展和現(xiàn)狀.........................................................…….............1</p><p>　　1.3電機微機控制系統(tǒng)的特點...............................................................……...........2</p><p>　　1.4本課

17、題在實際應用方面的意義和價值..........................................……............2</p><p>　　第2章 單閉環(huán)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)...................................................…….......... 4</p><p>　　2.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介.......

18、........................................................…….......... 4</p><p>　　2.1.1直流電動機的調(diào)速方案.........................................................……............. 4</p><p>　　2.1.2調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標.

19、....................................... ......................……............5</p><p>　　2.2開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性.........................................….................6</p><p>　　2.3采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)控制脈寬

20、調(diào)速系統(tǒng)..............................…................7</p><p>　　2.4比例積分單閉環(huán)脈寬控制系統(tǒng)(無靜差系統(tǒng))..............................……..............8</p><p>　　2.5本章小結(jié) ............................................

21、.................................................…............9</p><p>　　第3章 微機控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設計......….................... 11</p><p>　　3.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性..........................…........

22、..................11</p><p>　　3.1.1問題的提出......................................................................…......................11</p><p>　　3.1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成..........................…….

23、......................12</p><p>　　3.1.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性.............................................................…...............13</p><p>　　3.1.4各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算..................................….

24、.............14</p><p>　　3.2雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能...............................................…................15</p><p>　　3.2.1動態(tài)數(shù)學模型.................................................................

25、.....…..................15</p><p>　　3.2.2起動過程分析..................................................................…...…...............15</p><p>　　3.2.3動態(tài)性能和兩個調(diào)節(jié)器的作用...............................

26、..............…...............17</p><p>　　3.3電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計................................................…...............18</p><p>　　3.3.1電流調(diào)節(jié)器的設計..............................................

27、....................…..............18</p><p>　　3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計..................................................................…..............19</p><p>　　3.4可逆PWM變換器..............................

28、........................................……...............20</p><p>　　3.4.1可逆PWM變換器上作原理...............................................……...............20</p><p>　　3.4.2 IGBT緩沖電路.................

29、.................................................…................ 23</p><p>　　3.5脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性...................................................…................24</p><p>　　3.6脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電流脈動量和轉(zhuǎn)速脈

30、動量.......................................……....25</p><p>　　3.6.1電流脈動量.................................................................................…...........25</p><p>　　3.6.2轉(zhuǎn)速脈動量..........

31、..................................................................…................28</p><p>　　3.7脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)..................................…...........…....31</p><p>　　3.8電力晶體管的開關過程、開關

32、損耗和最佳開關頻率................…...…......... 31</p><p>　　3.8.1開關過程......................................................................................…..........31</p><p>　　3.8.1.1開通時間.............

33、..................................................................…..........31</p><p>　　3.8.1.2關斷時間..............................................................................…...........32</p><

34、;p>　　3.8.2開關損耗..........................................................................................…....33 </p><p>　　3.8.3最佳開關頻率.......................................................................

35、..........…...33</p><p>　　3.9本章小結(jié)..................................................................................................34</p><p>　　第4章 雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計............................

36、......…...…....35</p><p>　　4.1雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)簡介.........................................…........35</p><p>　　4.2雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)總體設計...................................…......36</p><p>

37、　　4.3主要芯片的選擇 ............................................................................…......36</p><p>　　4.3.1單片機的選擇....................................................................…............36</

38、p><p>　　4.3.2 8253可編程定時器/計數(shù)器芯片.....................................…..........37</p><p>　　4.3.3 8279 可編程鍵盤、顯示接口芯片................................…...........37</p><p>　　4.3.4 A/D轉(zhuǎn)換芯片AD

39、C0809........................................................……38</p><p>　　4.4高精度數(shù)字測速電路 ........................................................................…...38</p><p>　　4.4.1 M/T法測速原理....

40、..................................................................…...39</p><p>　　4.4.2數(shù)字測速硬件電路....................................................................…....40</p><p>　　4.5鍵盤/顯示接口....

41、..............................................................................…....40</p><p>　　4.6全數(shù)字PWM調(diào)制器............................................................................…42</p><p>

42、　　4.7泵升電壓限制電路...........................................................................…... 43</p><p>　　4.8本章小結(jié)...........................................................................................…...

43、.44</p><p>　　第5章 調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計.............................................................................…...45</p><p>　　5.1軟件設計的基本要求...............................................................

44、........…....45</p><p>　　5.2軟件的結(jié)構(gòu)設計...............................................................................…....45</p><p>　　5.3軟件的編制.......................................................

45、...............................….....47</p><p>　　5.3.1微機頭文件的設置.........................................................................47</p><p>　　5.3.2主程序設計.....................................

46、................................................47</p><p>　　5.3.3數(shù)字電流調(diào)節(jié)器和數(shù)字轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的算法及軟件實現(xiàn)............49</p><p>　　5.4系統(tǒng)的軟件抗干擾措施 .................................................................…..

47、.53</p><p>　　5.4.1模擬輸入信號的噪聲濾波 .............................................................53</p><p>　　5.4.2防止程序運行失常的軟件措施 ........................................................54</p>&l

48、t;p>　　5.4.3軟件冗余技術 ............................................................................…....55</p><p>　　第6章 硬件電路的改進..................................................................................

49、..........56</p><p>　　第7章 總結(jié).......................................................................................................….58</p><p>　　參考文獻.............................................

50、.................................................................…...59</p><p>　　致 謝...............................................................................................................……60</

51、p><p>　　附錄A 系統(tǒng)硬件原理圖..................................................................................……61</p><p>　　附錄B 系統(tǒng)程序清單......................................................................

52、................…....62</p><p><b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1.1電氣傳動技術發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　電氣傳動技術以電動機控制為控制對象，以微電子裝置為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論指導下組成電氣傳動控制系統(tǒng)。因電機種類的不同分為直流電動機傳動(簡稱直流傳動

53、)、交流電動機傳動(簡稱交流傳動)、步進電機傳動(簡稱步進傳動)、伺服電動機傳動(簡稱伺服傳動)等等。眾所周知，與交流調(diào)速系統(tǒng)相比，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，變流裝置控制簡單，長期以來在調(diào)速傳動中占統(tǒng)治地位。在要求調(diào)速性能較高的場合，一般都采用直流電氣傳動。目前，通過對電動機的控制，將電能轉(zhuǎn)換為機械能進而控制工作機械按給定的運動規(guī)律運行且使之滿足特定要求的新型電氣傳動自動化技術己廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域。</p

54、><p>　　三十多年來，直流電機傳動經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用己久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路己經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。&

55、lt;/p><p>　　由于直流電氣傳動技術的研究和應用己達到比較成熟的地步，應用相當普遍，尤其是全數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性。所以，今后一個階段在調(diào)速要求較高的場合，如軋鋼廠、海上鉆井平臺等，直流調(diào)速仍然處于主要地位。早期直流傳動的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著計算機控制

56、技術的發(fā)展，直流傳動系統(tǒng)己經(jīng)廣泛使用微機，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微機以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度和可靠性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能與管理計算機、過程計算機、遠程電控裝置進行交換，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化分級控制。所以，直流傳動控制采用微機實現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個嶄新的階段。</p><p>　　1.2微機控制電機的發(fā)展

57、和現(xiàn)狀</p><p>　　微機，出現(xiàn)于20世紀70年代，隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微機的性能越來越高，價格越來越便宜。此外，電力電子的發(fā)展，使得大功率電子器件的性能迅速提高。因此就有可能比較普遍地應用微機來控制電機，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合使</p><p>　　要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機

58、，使電機出現(xiàn)新的面貌。</p><p>　　比較簡單的電機微機控制，只要用微機控制繼電器或電子開關元件使電路開通或關</p><p>　　斷就可以了。在各種機床設備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在己普遍采用帶微機的可編程控制器，</p><p>　　按一定的規(guī)律控制各類電機的動作。</p><p>　　對于復雜的電機控制，則要用微機控制電機的電壓、電流、

59、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機按給定的指令準確工作。通過微機控制，可使電機的性能有很大的提高。傳統(tǒng)的直流電機和交流電機各有優(yōu)缺點，直流電機調(diào)速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結(jié)構(gòu)都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便而經(jīng)濟地調(diào)節(jié)。目前，廣泛應用于數(shù)控機床等自動化設備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng)。為了提高性能，在先進的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，己采用

60、高速數(shù)字化處理芯片(DIGITAL SIGNAL PROCESSOR，簡稱DSP)，其指令執(zhí)行速度達到每秒數(shù)百兆以上，且具有適合于矩陣運算的指令。</p><p>　　1.3電機微機控制系統(tǒng)的特點 </p><p>　　目前，很多電機微機控制系統(tǒng)都是由數(shù)字部件和模擬部件組成的混合系統(tǒng)，而全數(shù)字控制系統(tǒng)是當前的發(fā)展方向。在微機控制系統(tǒng)中，通常是既有模擬信號，也有數(shù)字信號；既有連續(xù)信號，也有

61、離散信號。由于計算機的CPU只能識別和處理數(shù)字信號，而且只能一次次離散地處理，所以計算機處理外界信息時總要有一個采樣過程，電機微機控制系統(tǒng)必然是一種采樣控制系統(tǒng)。</p><p>　　電機采用微機控制，還具有以下特點:</p><p>　　(1)硬件比較簡單，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化。</p><p>　　(2)可以分時操作；一臺微機可以起多個控制器

62、的作用，為多個控制回路服務；也可控制多個電機，完成較多功能。</p><p>　　(3)計算機具有記憶和判斷功能，系統(tǒng)的控制方式由軟件決定，若要改變控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制規(guī)律編出新的程序即可；且可在運行中隨時根據(jù)不同的電機上作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略等；使系統(tǒng)具有很強的靈活性和適應性。</p><p>　　(4)計算機的運算速度快，精度高。它

63、有豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲單元，因此有可能實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，如采樣參數(shù)辨識優(yōu)化控制等現(xiàn)代控制理論所提供的控制算法，以達到較高的控制質(zhì)量。</p><p>　　(5)數(shù)字量的運算不會出現(xiàn)模擬電路中所遇到的零點漂移問題，被控量可以很大，也可以很小，都較易保證足夠的控制精度。</p><p>　　(6)信息處理能力強，可以完成各種數(shù)據(jù)的處理，及時給操作人員提供有用的信息和指示。<

64、/p><p>　　正因為有上述優(yōu)點，電機微機控制的理論及應用發(fā)展得非常迅速，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)和普及。</p><p>　　1.4本課題在實際應用方面的意義和價值</p><p>　　電機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動裝置，當前直流調(diào)速己發(fā)展到一個很高的技術水平；功率元件采用可控硅；

65、控制板采用表面安裝技術；控制方式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微機及其他先進技術，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強大的抗干擾能力，在國內(nèi)外得到廣泛的應用。全數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動方式更顯示了強大優(yōu)勢。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷推出，為工程應用提供了優(yōu)越的條件。</p><p>　　采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護方便，電機穩(wěn)態(tài)運行時

66、轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平。直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動，制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。由于微機具有較佳的性能價格比，所以微機在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。近年來，盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機良好的啟動、制動性能，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、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)

67、速的高性能可控電力拖動領域中得到了廣泛的應用.</p><p>　　現(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置商用，國外先進的控制器價格昂貴，研究及更好的使用國外先進的控制器，具有重要的實際意義和重大的經(jīng)濟價值。</p><p>　　第2章 單閉環(huán)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機械都不停地運動著，幾乎無處不使用電力傳動裝置。

68、由于各種不同的生產(chǎn)機械運動規(guī)律不一樣，對傳動裝置性能的要求也不一樣。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率，越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與相應的自動化控制，并且對電力傳動裝置的拖動性能要求也越來越高。</p><p>　　2.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　2.1.1 直流電動機的調(diào)速方案</p><p>　　由電機學基本理論可知，直流電動

69、機轉(zhuǎn)速特性方程式為</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　由上式可見，直流電動機調(diào)速方案可有以下三種：</p><p>　　改變電樞回路總電阻R 如圖2-1，總電阻R越大，特性線斜率越大，機械特性越軟。若負載轉(zhuǎn)矩為TL，對應所需的電樞電流為IaL，則負載大小不變時總電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。由于電阻耗能大，機械特性

70、軟，調(diào)速范圍窄，不能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場合。</p><p>　　圖2-1 變電阻調(diào)速特性</p><p><b>　　圖2-2 弱磁調(diào)速</b></p><p>　　2.減弱電機勵磁磁通Q 普通電動機在額定磁通下運行，鐵芯己接近飽和，不能再增加磁通而只能減小。如圖2-2，Q減小，n。增大，特性線斜率也增大。<

71、/p><p>　　弱磁調(diào)速雖然能實現(xiàn)平滑調(diào)速，但其調(diào)速范圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速時才采用。</p><p>　　3.改變電動機端電壓調(diào)速 如圖2-3，額定勵磁保持不變，理想空載轉(zhuǎn)速n。隨U減小而減小，各特性線斜率不變，由此可實現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，并且在整個調(diào)速范圍內(nèi)機械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛采用。</p>&

72、lt;p>　　圖2-3 改變電樞電壓調(diào)速特性</p><p>　　變電壓調(diào)速要有可調(diào)的直流電源。根據(jù)供電電源的種類分兩種情況：一是采用可控硅變流裝置，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)的直流電。二是采用直流斬波器，將交流電通過整流提供直流電源，實現(xiàn)脈沖調(diào)壓調(diào)速。隨著電力電子全控器件的成熟，采用全控電力晶體管IGBT、 MOSFET等全控式電力電子器件組成的直流脈寬調(diào)制(PWM)型的調(diào)速系統(tǒng)近年來己發(fā)展成熟，用途越來越廣。&

73、lt;/p><p>　　2.1.2調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標</p><p>　　第一個指標為調(diào)速范圍D，它是拖動系統(tǒng)在額定負載轉(zhuǎn)矩時能夠提供給生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　另一個指標為靜差率s，它是電動機由理想空載到額定負載時的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速n。之比。

74、</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　它表示負載變化引起調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速偏離原定轉(zhuǎn)速的程度。系統(tǒng)的調(diào)速特性越硬，s越小，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性能越好。另外，轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，故調(diào)速系統(tǒng)靜差率指標以最低轉(zhuǎn)速對應的數(shù)值為準。在考慮生產(chǎn)機械對轉(zhuǎn)速相對性(即靜差率)的要求后，電動機最低轉(zhuǎn)速受到了限制，也即調(diào)速范圍受到限制。</p>&

75、lt;p>　　采用降壓調(diào)速時，調(diào)速范圍、靜差率及轉(zhuǎn)速降三者關系為：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　2.2開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性</p><p>　　在這里為了分析簡單，不單獨討論開環(huán)系統(tǒng)，由簡單閉環(huán)系統(tǒng)引出開環(huán)系統(tǒng)的特性。</p><p>　　圖2-4 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)&

76、lt;/p><p>　　如圖2-4的轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如果把閉環(huán)系統(tǒng)的反饋回路斷開，就成了開環(huán)系統(tǒng)，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　而閉環(huán)時的靜特性可寫成</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p&g

77、t;　　其中n0op和n0cl，分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速 ；Δnop和Δncl分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降；。比較式(2-5)和(2-6)可以得出以下結(jié)論。</p><p>　?。?）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。</p><p>　　在同樣的負載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降分別為</p><p><b>　　它們的關系是</b

78、></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　顯然，當K值較大時，Δncl比n0op小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。</p><p>　　( 2 ) 如果比較同一n。的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為</p>

79、<p><b>　　和</b></p><p>　　當開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降相等(即n0cl = n0op)時，</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　( 3 ) 當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。</p><p>　　如果電動機的最

80、高轉(zhuǎn)速都是，而對最低速靜差率的要求相同，則</p><p>　　開環(huán)時， </p><p>　　閉環(huán)時， </p><p>　　考慮式(2—7)可得</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　要取得上述優(yōu)越性，只要閉

81、環(huán)系統(tǒng)設置放大器即可?？傊?，閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)硬得多的特性，從而保證在一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍。在閉環(huán)系統(tǒng)中降低速降的實質(zhì)是：在開環(huán)系統(tǒng)中，當負載電流增大時，電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速就降下來了；閉環(huán)系統(tǒng)有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就感覺出來了，通過比較和放大，提高脈寬調(diào)制的輸出電壓Ud，使系統(tǒng)上作在新的機械特性上，因而轉(zhuǎn)速有所回升，速度降落降低。</p><p>　　2.3 采用比例調(diào)節(jié)器的

82、單閉環(huán)控制脈寬調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)控制脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-5a所示。</p><p>　　當Un* = 0時，只有擾動輸入量Idl，這是的輸出量即為負載擾動引起的轉(zhuǎn)速偏差(即動態(tài)速降) Δn，可將動態(tài)結(jié)構(gòu)圖畫成如圖2-5b的形式。</p><p><b>　　a）一般情況</b></p>

83、<p><b>　　b) Un*=0</b></p><p>　　圖2-5 采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　利用反饋連接等效變換法則，可得</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　于是

84、 (2-11)</p><p>　　突加給定時， </p><p>　　利用拉氏變換的終值定理可求出負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　上式說明采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制系統(tǒng)是有靜差的。</p>&l

85、t;p>　　2.4 比例積分單閉環(huán)脈寬控制系統(tǒng)(無靜差系統(tǒng))</p><p>　　用比例積分調(diào)節(jié)器控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)當Un* = 0時的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 比例積分調(diào)節(jié)器控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　和前面的推導方法一樣，在這里，</p><p><b>　　(2-13)&

86、lt;/b></p><p><b>　　則穩(wěn)態(tài)速率為</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調(diào)速系統(tǒng)。顯然，只要調(diào)節(jié)器中有積分成分，系統(tǒng)就是無靜差的。還可以得出如下的結(jié)論：只要在控制系統(tǒng)的前向通道上在擾動作用點以前含有積分環(huán)節(jié)，這個恒值擾動便

87、不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。如果積分環(huán)節(jié)出現(xiàn)在擾動作用點以后，它對消除靜差是無能為力的。嚴格說來，“無靜差”只是理論上的，因為積</p><p>　　分或比例積分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時電容兩端電壓不變，相當于開路，運算放大器的放大系數(shù)</p><p>　　理論上無窮大，所以才能在輸入電壓Un* = 0時，使輸出電壓Uct為任意值。實際上，這時的放大系數(shù)是運算放大器本身的開環(huán)放大系數(shù)，其數(shù)字雖大，還是有限的，

88、因此仍存在著很小的ΔUn，也就是說，仍有很小的靜差Δn，只是在一般精度要求下可以忽略不計而己。</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章討論了改變電樞電壓來實現(xiàn)調(diào)速控制是直流調(diào)速系統(tǒng)的可行方案。簡要介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的兩項重要調(diào)速指標：調(diào)速范圍D與靜差率s。系統(tǒng)的靜差率是指最低轉(zhuǎn)速時的靜差率。系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指滿足一定靜差率條件下的

89、調(diào)速比。兩項指標同時關聯(lián)，只有同時提出才有意義。</p><p>　　開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)較大范圍的轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，但靜態(tài)速降大，機械特性不硬，當對調(diào)速精度有較高要求時不能滿足具有一定靜差率的調(diào)速范圍的要求，需引入轉(zhuǎn)速負反饋，這樣將負載擾動引起的靜態(tài)速降減小為原系統(tǒng)的1/(1+K)，因而在一定靜差率的調(diào)速范圍擴大(1+K)倍，或者說在一定調(diào)速范圍內(nèi)減小了靜差率。作用在閉環(huán)系統(tǒng)反饋環(huán)內(nèi)主通道上的各個環(huán)節(jié)上的擾動都會受到

90、閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)作用的抑制，這些擾動作用最終造成的轉(zhuǎn)速變化量都將被減小。</p><p>　　有靜差調(diào)速系統(tǒng)其控制量與偏差成正比，只能減小偏差而不能消除它，其根本原因是采用了比例調(diào)節(jié)器。若換為PI調(diào)節(jié)器，則系統(tǒng)的控制量與調(diào)節(jié)過程中偏差對時間的積累成正比，穩(wěn)態(tài)時偏差為零，依靠積分調(diào)節(jié)器的記憶作用保持一定的控制量，這樣便成為無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　第3章 微機控制雙閉環(huán)可逆直流PW

91、M調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　原理設計</b></p><p>　　采用門極可關斷晶閘管GTO、全控電力晶體管GTR, MOSFET、IGBT等電力電子器件組成的直流脈沖寬度(PWM)型的調(diào)速系統(tǒng)近年來己經(jīng)發(fā)展成熟，用途越來越廣泛，與晶閘管可控整流調(diào)速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))相比，在很多方面具有較大的優(yōu)越性：(1)主電路線路簡單，需用的功率元件少；(2)開關頻率高

92、，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較小；(3)低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；(4)系統(tǒng)頻帶寬，快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強；(5)主電路元件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，裝置效率較高；(6)直流電源采用不可控三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。</p><p>　　3.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性</p><p>　　3.1.1問題的提出</p><p&

93、gt;　　由前面的分析可知，采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對系統(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。這主要是因為在單閉環(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。</p><p>　　在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負

94、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。帶電流截至負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖3-1所示。當電流從最大值降下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。</p><p>　　對于像龍門刨床、可逆軋鋼機那樣的經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，希望充分利用電機允許過載能力，最好是在過渡過程中始

95、終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形見圖3-2，這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。</p><p>　　圖3-1 帶電流截至負反饋得單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程</p><p>　

96、　圖3-2 理想快速啟動過程</p><p>　　實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖3-2所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實現(xiàn)。為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關鍵要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就應該得到近似的恒流過程。問題是希一望在起動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)

97、器的輸入端，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希一望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢?雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個問題。</p><p>　　3.1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，

98、如圖3-3所示。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.1.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性</p><

99、p>　　為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-3所示。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達到限幅值；不飽和：輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關系，相當于使調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓ΔU在穩(wěn)態(tài)時總是為零。</p&

100、gt;<p>　　圖3-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。</p><p>　　(一)速調(diào)節(jié)器不飽和</p><p>　　這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此 Un*=Un

101、=αn和 Ui*=Ui=βId</p><p>　　由第一個關系式可得：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　從而得到圖3-4靜特性的n0 - A段。</p><p>　　與此同時，由于ASR不飽和， Ui*<Uim*，從上述第二個關系式可知：Id< Idm。這就是說，n0 -

102、 A段靜特性從Id = 0(理想空載狀態(tài))一直延續(xù)到Id=Idm，而Idm一般都是大于額定電流Idnom的。這就是靜特性的運行段。</p><p>　　(二)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</p><p>　　這時，ASR輸出達到限幅值Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時</p><p><b>　　

103、（3-2）</b></p><p>　　式中，最大電流Idm是設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式(3-2)所描述的靜特性是圖3-4中的A-B段。這樣的下垂特性只適合于n<n0的情況。因為如果n≥n0，則Un≥Un*，ASR將退出飽和狀態(tài)。</p><p>　　圖3-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性</p><p>　　雙閉

104、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截至負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。</p><p>　

105、　3.1.4各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算</p><p>　　由圖3-4 可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　?。?-5）

106、 </p><p>　　上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)上作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓Un*決定的，ASR的輸出量Ui*是由負載電流Idl決定的，而控制電壓Uct的大小則同時取決于n和Id ,或者說，同時取決于Un*和Idl。這些關系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值

107、，它就能提供多少，直到飽和為止。</p><p>　　鑒于這一點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)：</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： （3-6）</p><p>　　電流反饋系數(shù)：