畢業(yè)設(shè)計論文----雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器的設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要III</b></p><p>　　AbstractIII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景和意義1</p>&l

2、t;p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景2</p><p>　　1.3 本研究課題的主要研究內(nèi)容2</p><p>　　1.4 本章小結(jié)2</p><p>　　第二章 控制原理與方案確定3</p><p>　　2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念3</p><p>　　2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案

3、3</p><p>　　2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源4</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹9</p><p>　　2.2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成9</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)10</p><p>　　2.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)10</p

4、><p>　　2.2.4 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)11</p><p>　　2.2.5 起動過程分析11</p><p>　　2.2.6 動態(tài)抗擾性能分析13</p><p>　　2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理13</p><p>　　2.3.1 以電流調(diào)節(jié)器ACR為核心的電流環(huán)工作原理13</p><

5、p>　　2.3.2 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)工作原理13</p><p>　　2.4 控制方案的確定14</p><p>　　2.4.1 連續(xù)控制與數(shù)字控制的特點(diǎn)14</p><p>　　2.4.2 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)15</p><p>　　2.5 本章小結(jié)15</p><p>　　

6、第三章 基于SIMULINK的系統(tǒng)仿真16</p><p>　　3.1 系統(tǒng)設(shè)計16</p><p>　　3.2 系統(tǒng)仿真17</p><p>　　3.3 仿真結(jié)果分析18</p><p>　　3.4 本章小結(jié)18</p><p>　　第四章 硬件設(shè)計說明19</p><p>　

7、　4.1 控制系統(tǒng)的組成19</p><p>　　4.1.1 主回路19</p><p>　　4.1.2 檢測回路19</p><p>　　4.1.3 故障綜合22</p><p>　　4.1.4 數(shù)字控制器22</p><p>　　4.2 控制器芯片的選擇和應(yīng)用22</p><p>

8、;　　4.2.1 DSP芯片的選擇22</p><p>　　4.2.2 TMS320CF240芯片概述23</p><p>　　4.2.3 DSP編程語言簡介25</p><p>　　4.3 本章小結(jié)25</p><p>　　第五章 控制算法及軟件設(shè)計26</p><p>　　5.1 數(shù)字PID控制算法2

9、6</p><p>　　5.1.1 PID算法的數(shù)字化26</p><p>　　5.1.2 增量式控制算法的優(yōu)點(diǎn)和不足28</p><p>　　5.2 雙閉環(huán)控制的控制算法28</p><p>　　5.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計29</p><p>　　5.4 本章小結(jié)30</p><p>　

10、　第六章 結(jié)束語31</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　附錄A34</b></p><p><b>　　附錄B36</b></p>&l

11、t;p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器的設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文對微機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)的原理出發(fā)，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真，實(shí)現(xiàn)了控制器參數(shù)整定。在此基礎(chǔ)上以數(shù)字信號處理器(DSP)為控制器，通過對系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了直流電動機(jī)雙閉環(huán)

12、調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。結(jié)果表明，此調(diào)速系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微機(jī)控制，雙閉環(huán)，直流調(diào)速，數(shù)字信號處理器</p><p>　　The Design of the Double Closed Loops</p><p>　　DC Timing System Controller</p><p><b>　　Abs

13、tract</b></p><p>　　In this paper, DC timing system controlled by microcomputer had been researched deeply. Beginning with the theory of the DC timing system, the math model of the double closed loops D

14、C timing system had been build up, the controller parameter had been adjusted after the system had been simulated with MATLAB, Based on the result of the simulation, digital signal processor (DSP) is taken as the control

15、ler, the design of the double closed loops timing system of the DC motor has been realized through</p><p>　　Keywords: microcomputer control, double closed loops, DC timing, DSP</p><p><b>　

16、　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景和意義[1]</p><p>　　計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展正在影響著人類生活的各個方面。計算機(jī)的應(yīng)用隨著軟件和硬件技術(shù)日益發(fā)展，出現(xiàn)了前所未有的繁榮。特別是一些具有新技術(shù)的計算機(jī)芯片的出現(xiàn)，給計算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制方面的應(yīng)用提供了新的開發(fā)環(huán)境。例如：C8051單片機(jī)就比以前的8051單片機(jī)增加了許多功能，特別是使用了流水線指令

17、執(zhí)行結(jié)構(gòu)，速度很快；數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn)和新功能的不斷開發(fā)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用有后來居上的勢頭。DSP與其它單片機(jī)相比較，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它在芯片結(jié)構(gòu)上采用了哈佛結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)使用流水線指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)，增加的事件管理器功能和PWM輸出，給控制的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。因此，在這樣的技術(shù)環(huán)境下，有越來越多的研究者用DSP作為控制手段，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)控制對象的控制。</p><p>　　用計算機(jī)控制電力拖動控制系統(tǒng)是

18、計算機(jī)應(yīng)用的一個重要內(nèi)容。直流調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著計算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機(jī)結(jié)合使電力拖動控制產(chǎn)生了新的變化。計算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和直流拖動技術(shù)的組合是技術(shù)領(lǐng)域的交叉，具有廣泛的應(yīng)用前景。直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方法經(jīng)歷了機(jī)械式的、雙機(jī)組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機(jī)式的發(fā)展過程。隨著數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn)，給直流調(diào)速控制提供了新的手段和方法。將計算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展成果運(yùn)用在

19、直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為計算機(jī)技術(shù)在電力拖動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些研究性的工作。</p><p>　　用計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，計算機(jī)的選型很多。經(jīng)過選擇，選取DSP芯片作為控制器。直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，有開環(huán)控制系統(tǒng)，有閉環(huán)控制系統(tǒng)：有單閉環(huán)控制系統(tǒng)，有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)；有可逆調(diào)速系統(tǒng)，有不可逆調(diào)速系統(tǒng)等。</p><p>　

20、　目前，對于控制對象的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實(shí)現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行技術(shù)升級。這個過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計算機(jī)控制等過程。每一次的技術(shù)升級都使控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進(jìn)。隨著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級提供了新的可能。經(jīng)過文獻(xiàn)檢索，目前己經(jīng)有不少科技工作者開展了將DSP芯片用于電機(jī)控制方面的研究，但現(xiàn)在應(yīng)用的例子較少，大部分還處于可行性研究階段。&

21、lt;/p><p>　　本研究的理論基礎(chǔ)有電機(jī)控制、電力電子技術(shù)、自動控制原理、計算機(jī)控制技術(shù)等理論。研究設(shè)想是：通過研究提出合理的硬件方案和算法，主要進(jìn)行的是理想情況下的可行性研究，具有工程應(yīng)用的可能和超前性。由于不具備實(shí)現(xiàn)條件，在系統(tǒng)參數(shù)選擇和調(diào)試方法上，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[2]</p><p>　

22、　我國直流調(diào)速傳動裝置經(jīng)歷了三個發(fā)展階段:第一階段，66年~76年可控硅直流調(diào)速傳動裝置應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)始階段。第二階段，78年~92年，不少設(shè)計、研究、制造單位吸取了前一階段的經(jīng)驗教訓(xùn)，學(xué)習(xí)和借鑒國外廠家先進(jìn)設(shè)計經(jīng)驗，表現(xiàn)在三個方面，1.系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)德國西門子公司雙環(huán)理論及開發(fā)MODULPACC系列先進(jìn)設(shè)計方法。2.元件篩選及選用上注意了半導(dǎo)體元件質(zhì)量(特別是印板工藝進(jìn)行了改革一大板結(jié)構(gòu))，控制系統(tǒng)的可靠性大大提高。3.整機(jī)制造技術(shù)工藝上

23、的改進(jìn)。第三階段，92~03年，世界各國的外商向開放的中國市場推銷技術(shù)先進(jìn)、性能良好的全數(shù)字直流調(diào)速傳動裝置，比較典型的是西門子公司6R24~27系列的直流調(diào)速傳動裝置及ABB公司推出的DCV700系列和英國歐陸公司SSD-590系列。</p><p>　　目前，國內(nèi)外一些公司的6RM系列、AVTRON公司的ADD-32系列、ABB公司的DCS系列、GE公司的DC系列、CT公司的MENTOR、西門子公司6R24~

24、27系列、英國歐陸公司SSD-590系列數(shù)字直流調(diào)速裝置，廣泛應(yīng)用于制糖機(jī)、橡塑機(jī)械、冶金系統(tǒng)的軋制、拉鋼、輥道，輕工、化工、紡織系統(tǒng)的單傳動裝置。</p><p>　　1.3 本研究課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本研究課題主要研究基于TMS320CF240DSP控制器的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，進(jìn)行參數(shù)整定。在仿真的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了設(shè)計

25、。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對計算機(jī)控制的對象進(jìn)行了綜述，全面對直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制要求做了總結(jié)，為將要進(jìn)行的計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供基本的準(zhǔn)備，打下了基礎(chǔ)。在下面的研究中就以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路為控制對象展開的。</p><p>　　第二章 控制原理與方案確定</p&

26、gt;<p>　　2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念[3][4]</p><p>　　在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。由于直流電動機(jī)具有極好的運(yùn)行性能和控制特性。盡管它不如交流電動機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當(dāng)然，近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)

27、發(fā)展很快，大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢，由于微機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有實(shí)際意義。</p><p>　　

28、2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案</p><p>　　直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的大小常用下式表示：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，——電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；</p><p>　　Ф——勵磁磁通，單位為Wb；</p><p>　　——電樞電

29、流，單位為A；</p><p>　　——由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。</p><p>　　以上分析表明，直流電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個可控參量和是互相獨(dú)立的，可以非常方便地分別調(diào)節(jié)，這種機(jī)理使直流電動機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，從而有優(yōu)良的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。</p><p>　　由直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性知道，直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可用下式表示：</p>&

30、lt;p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min； U——電樞供電電壓，單位為v；</p><p>　　——由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢常數(shù)，=9.55</p><p>　　在式(2-2)中，為常數(shù)，的大小取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此可知，直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：</p><p

31、>　　1. 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U</p><p>　　改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法.對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。</p><p>　　2. 改變電動機(jī)主磁通Ф</p><p>　　改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，

32、但只能減弱磁通，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法，變化時遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。</p><p>　　3. 改變電樞回路電阻R </p><p>　　在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量電能。</p>&

33、lt;p>　　改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用。</p><p>　　2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源</p><p>　　

34、改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：</p><p>　　1. 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。</p><p>　　2. 靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。</p><p>

35、　　3. 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。</p><p>　　下面分別對各種可控直流電源以及由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)作概括性介紹。</p><p><b>　　1. 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組</b></p><p>　　以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組作為可調(diào)電源的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如

36、圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　由交流電動機(jī)(稱原動機(jī)，通常采用三相交流異步電動機(jī))拖動直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動機(jī)M供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流的大小，就能夠方便地改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電機(jī)—電動機(jī)系統(tǒng)，簡稱G-M系統(tǒng)，國際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。為了供

37、給直流發(fā)電機(jī)G和電動機(jī)M的勵磁，還需專門設(shè)置一臺并勵的直流勵磁發(fā)電機(jī)GE，可裝在變流機(jī)組同軸上由原動機(jī)拖動，也可另外單用一臺交流電動機(jī)拖動。</p><p>　　對系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時，可直接由勵磁電源供電，要求較高的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般都通過放大裝置(G-M系統(tǒng)的放大裝置多采用交磁放大機(jī)或磁放大器)進(jìn)行控制。如果改變的方向，則U的極性和n的轉(zhuǎn)向都跟著改變，因此G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易的，圖2.2給出了采

38、用旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電時電動機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性，它們基本上都是相互平行的直線，由圖2.2可見，G-M系統(tǒng)可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。</p><p>　　圖2.2 G-M系統(tǒng)的機(jī)械特性</p><p>　　G-M系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，在20世紀(jì)50年代曾廣泛地使用，至今在尚未進(jìn)行設(shè)備更新的地方仍然使用這種系統(tǒng)。但是這種由機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速直

39、流電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)（原動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)）和一臺容量小一些的勵磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、效率低、安裝需打地基、運(yùn)行有噪音、維護(hù)不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，在20世紀(jì)50年代開始采用靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了由靜止變流裝置供電的時代。</p><p>　　2. 靜止可控整流器</p><p>　　在20世紀(jì)50年代，開始采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置

40、來代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短了響應(yīng)時間，但是由于汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。因此，應(yīng)用時間不長，到了20世紀(jì)60年代又讓位給更經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器。</p><p>　　1957年，晶閘管問世，它是一種大功率半導(dǎo)體可控整流元件，俗稱可控硅整流元件，簡稱“可控硅”，20世紀(jì)60年代

41、起就已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置。晶閘管問世以來，變流技術(shù)出現(xiàn)了根本性的變革。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(即晶閘管—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng))己經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖2.3所示為V-M系統(tǒng)的原理框圖。</p><p>　　圖2.3 V-M系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　圖2.3中VT是晶閘管可控整流器，它可以是

42、任意一種整流電路，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，從而改變整流輸出電壓平均值，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的控制功率小，有利于微電子技術(shù)引入到強(qiáng)電領(lǐng)域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是，晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下方面：</p>

43、<p>　　1) 晶閘管一般是單向?qū)щ娫чl管整流器的電流是不允許反向的，這給電動機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。</p><p>　　2) 晶閘管元件對于過電壓、過電流以及過高的和十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時間內(nèi)使元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條

44、件，而且在選擇元件時還應(yīng)保留有足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)行。</p><p>　　3) 晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此晶閘管可控整流器對交流電源來說相當(dāng)于一個感性負(fù)載，吸取滯后的無功電流，因此功率因數(shù)低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)

45、中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無功補(bǔ)償、濾波和高次諧波的抑制措施。</p><p>　　4) 晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，而且脈波數(shù)總是有限的，如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。</p><p>　　3. 直流斬波器

46、或脈寬調(diào)制變換器</p><p>　　直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流—直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無軌電車以及電瓶搬運(yùn)車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。</p><p>　　圖

47、2.4為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波形，圖中VT代表開關(guān)器件。當(dāng)開關(guān)VT接通時，電源電壓加到電動機(jī)上；當(dāng)VT斷開時，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)電樞端電壓為零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖2.4(b)所示。</p><p>　　a）原理圖 b）電壓波形圖</p><p>　　圖2.4 直流斬波器電路和輸出電壓波形</p>

48、<p>　　這樣，電動機(jī)電樞端電壓的平均值為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　式中，T——開關(guān)器件的通斷周期；——開關(guān)器件的導(dǎo)通時間;</p><p>　　占空比； ——開關(guān)頻率。</p><p>　　由式(2-3)可知，直流斬波器的輸出電壓平均值可以通過改變占空

49、比即通過改變開關(guān)器件導(dǎo)通和（或）關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三種：</p><p>　　1) 脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡稱PWM)。開關(guān)器件的通斷周期T保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時間，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬，稱為脈沖調(diào)寬。</p><p>　　2) 脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency mo

50、dulation，簡稱PFM)。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時間不變，只改變通斷周期T或開關(guān)頻率，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時間，即定寬調(diào)頻，稱為調(diào)頻。</p><p>　　3) 兩點(diǎn)式控制。開關(guān)器件的通斷周期T和導(dǎo)通時間均可變，即調(diào)寬調(diào)頻，亦可稱為混合調(diào)制。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓高于某一最大值時，使開關(guān)器件關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時間以及通斷周期都是不確定的。</p><

51、p>　　構(gòu)成直流斬波器的開關(guān)器件過去用得較多的是普通晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身沒有自關(guān)斷能力，必須有附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路，增加了裝置的體積和復(fù)雜性，增加了損耗，而且由它們組成的斬波器開關(guān)頻率低，輸出電流脈動較大，調(diào)速范圍有限。自20世紀(jì)70年代以來，電力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)出多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，電力晶體管(GTR)、電力場效應(yīng)管(P-MOSFET)、絕緣柵極雙極型晶體

52、管(IGBT)等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)(簡稱PWM調(diào)速系統(tǒng))近年來在中小功率直流傳動中得到了迅猛的發(fā)展，與V-M調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1) 采用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，一般在幾kHz，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。</p><p>　　2) 由于開關(guān)頻率高，僅靠電動機(jī)

53、電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。</p><p>　　3) PWM系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對交流電網(wǎng)的影響小，沒有晶閘管整流器對電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高。</p><p>　　4) 主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便。<

54、;/p><p>　　目前，受到器件容量的限制，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。</p><p>　　2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹[3][4]</p><p>　　直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有控制容易、能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，在直流調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。</p

55、><p>　　許多生產(chǎn)機(jī)械，由于加工和運(yùn)行的要求，使電動機(jī)經(jīng)常處于起動、制動、反轉(zhuǎn)的過渡過程中，因此起動和制動過程的時間在很大程度上決定了生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)效率。為縮短這一部分時間，僅采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能還不很令人滿意。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，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(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)

56、系統(tǒng)就難以滿足需要。是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 </p><p>　　我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：</p><p>　　1) 起動過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；</p><p>　　2) 穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)

57、節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　本節(jié)將著重闡明其原理及設(shè)計線路。</p><p>　　2.2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是由電流和轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，可獲得良好的靜、動態(tài)性能（兩個調(diào)節(jié)器均采

58、用PI調(diào)節(jié)器），由于調(diào)整系統(tǒng)的主要參量為轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，這樣可以抑制電網(wǎng)電壓擾動對轉(zhuǎn)速的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。</p><p>　　這就形成了速、電流雙閉環(huán)

59、調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—測速發(fā)電機(jī)</p><p>　　TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　為了獲得良好的靜、動態(tài)性能

60、，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于圖2.6。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。</p><p>　　圖2.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　圖2.6中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。</p><

61、;p>　　1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；</p><p>　　2. 電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。</p><p>　　2.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)</p><p>　　為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.7。它可以很方便地根據(jù)上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的

62、輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。</p><p>　　圖2.7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); —電流反饋系數(shù)</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到后，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(hù)。

63、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止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。</p><p>　　2.2.4 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)</p><p>　　在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖&l

64、t;/p><p>　　圖2.8中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。</p><p>　　2.2.5 起動過程分析</p

65、><p>　　設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于圖2.9。</p><p>　　由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、II

66、I三個階段。</p><p>　　圖2.9 轉(zhuǎn)速和電流的啟動動態(tài)過程曲線</p><p><b>　　第Ⅰ階段：</b></p><p>　　突加給定電壓后，上升，當(dāng)小于負(fù)載電流時，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)≥后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。

67、直到，=，=電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。</p><p><b>　　第Ⅱ階段：</b></p><p>　　在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電壓給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電機(jī)的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，

68、為了克服它的擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。</p><p>　　當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。</p><p><b>　　第Ⅲ階段：</b></p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅

69、值，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時，轉(zhuǎn)矩，則=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值(t=t3時)。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時間內(nèi)(t3~t4)，<，直到穩(wěn)定。</p><p>　　2.2.6 動態(tài)抗擾性能分析</p><p>　　一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系

70、統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。</p><p><b>　　1.抗負(fù)載擾動</b></p><p>　　由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 </p><p>

71、<b>　　2.抗電網(wǎng)電壓擾動</b></p><p>　　雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。</p><p>　　2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理[3][4]</p><p>　　2.3.1 以電流調(diào)節(jié)器ACR為核心的電流環(huán)工作原理</p&

72、gt;<p>　　電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過電流檢測元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流。由于ACR為PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時，其輸入偏差電壓，即=。其中β為電流反饋系數(shù)。</p><p>　　當(dāng)一定時，由于電流負(fù)反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在數(shù)值上。當(dāng)＞時，自動調(diào)節(jié)過程為：</p><p>　　↑→=∣∣↓→↓→↓→↓</p&g

73、t;<p>　　最終保持電流穩(wěn)定。當(dāng)電流下降時，也有類似的調(diào)節(jié)過程。</p><p>　　2.3.2 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)工作原理</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。</p><p>　　由于ASR采用PI調(diào)節(jié)器，所以在系統(tǒng)達(dá)到

74、穩(wěn)態(tài)時應(yīng)滿足，即n=。</p><p>　　當(dāng)一定時,轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在數(shù)值上。當(dāng)n＜時，其自動調(diào)節(jié)過程為：</p><p>　　FZ↑→n↓→= ()↑→∣∣↑＜0→∣∣↑→↑→↑→n↑</p><p>　　最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時，也有類似的調(diào)節(jié)過程。</p><p>　　2.4 控制方案的確定</p><p>

75、　　隨著微處理器的出現(xiàn)及運(yùn)算速度的提高，運(yùn)動控制也由原來的以模擬量反饋、模擬控制器為核心的連續(xù)控制系統(tǒng)過渡到以數(shù)字量處理為主、以高速信號處理器為控制核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。特別是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(主要是現(xiàn)場總線技術(shù))在工業(yè)領(lǐng)域的普及和發(fā)展，就更加確定了數(shù)字控制的主導(dǎo)地位。</p><p>　　2.4.1 連續(xù)控制與數(shù)字控制的特點(diǎn)</p><p>　　連續(xù)控制系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎(chǔ)，由模擬電子電

76、路構(gòu)成控制器，因而存在如下主要弱點(diǎn)：</p><p>　　1．由運(yùn)算放大器構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器，其參數(shù)一經(jīng)設(shè)定，不易經(jīng)常調(diào)整，對工況的變化和對象的變化自適應(yīng)能力差；</p><p>　　2．模擬控制器很難實(shí)現(xiàn)高級的控制策略和控制方法，難以實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)這樣復(fù)雜對象的控制；</p><p>　　3．受成本的限制，對反饋量的模擬電路檢測精度不高，因而控制精度也不易提高；&

77、lt;/p><p>　　4．用模擬器件構(gòu)成的控制電路集成度不高，硬件復(fù)雜，可靠性低，可重復(fù)性差。</p><p>　　因而，連續(xù)控制已經(jīng)不能適應(yīng)運(yùn)動控制系統(tǒng)的發(fā)展需要。</p><p>　　以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，不僅克服了上述連續(xù)控制的弱點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)原連續(xù)控制不可想象的高復(fù)雜程度、高精度的控制，為運(yùn)動控制注入了新的活力，并將其推向更高的發(fā)展階段。歸納數(shù)字控

78、制的主要特點(diǎn)如下:</p><p>　　1．控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路簡單而且統(tǒng)一，可靠性高，可重復(fù)性好，對于不同的控制對象和控制要求，只需改變控制算法軟件即可，可以實(shí)現(xiàn)同一控制器既可控制直流電機(jī)又可控制交流電機(jī)。</p><p>　　2．?dāng)?shù)字控制器的輸入輸出通道可以實(shí)現(xiàn)控制量的模擬輸出、反饋量的數(shù)字輸入，具有數(shù)據(jù)采集速度快、值域范圍寬、分辨率高、精度高等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高性能的運(yùn)動控制系統(tǒng)打

79、下了基礎(chǔ)。</p><p>　　3．采用高速數(shù)字信號處理器為控制器，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高性能的各種控制策略和方法，如矢量控制、多變量模糊控制等。由于軟件的靈活性，可以盡可能充分地實(shí)現(xiàn)人工智能，更好地適應(yīng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜多變。</p><p>　　4．借助一些人機(jī)界面設(shè)備(如與處理器相連的液晶顯示屏、控制面板、觸摸屏等)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警、故障診斷等功能；借助處理器的通訊能力實(shí)現(xiàn)與上位

80、機(jī)的通訊；借助現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)底層控制設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)：因而更方便地實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜度的多機(jī)協(xié)同工作。</p><p>　　2.4.2 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　在2.2和2.3中己經(jīng)了解了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，現(xiàn)在采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)對該系統(tǒng)的數(shù)字控制，其原理框圖如圖2.10所示：</p><p>　　圖2.10 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)<

81、/p><p>　　在數(shù)字裝置中，由計算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)其功能 ，即為計算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)：</p><p>　　1．雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制；</p><p>　　2．全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；</p><p>　　3．采用數(shù)字PI算法，由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。</p><p><b>　

82、　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對計算機(jī)控制的對象進(jìn)行了綜述，全面對直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制要求做了總結(jié)，為將要進(jìn)行的計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供基本的準(zhǔn)備，打下了基礎(chǔ)。在下面的研究中就以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路為控制對象展開的。</p><p>　　第三章 基于SIMULINK的系統(tǒng)仿真</p><p><b>　　3

83、.1 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　直流電機(jī)：220V，136A，1460r/min，=0.132V min/r，允許過載倍數(shù)λ=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)=40；電樞回路總電阻：R=0.5Ω；時間常數(shù)：=0.03s, =0.18s。電流反饋系數(shù)：取電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅值為10V，則電流反饋系數(shù)β=0.05V/A(≈10V/1.5)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：同理取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值為10V，則轉(zhuǎn)速反

84、饋系數(shù)α=0.007 V min/r(≈10V/)。</p><p>　　首先按照調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。</p><p>　　將電流環(huán)校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)，取 =0.5，考慮電流反饋中的電流紋波，取電流濾波時間常數(shù)為2ms，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型Ⅱ型系統(tǒng)，取h=5，考慮到轉(zhuǎn)速反饋中的電壓紋波，取轉(zhuǎn)速濾波

85、時間常數(shù)為3ms，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　根據(jù)橋式整流電路、電動機(jī)的參數(shù)、晶閘管的放大倍數(shù)等來設(shè)計調(diào)節(jié)器。根據(jù)工程設(shè)計方法，理論分析得出模型參數(shù)設(shè)計如下：</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。</p><p><b>　　變換器模型為； </b&g

86、t;</p><p><b>　　電機(jī)模型參數(shù)為。</b></p><p>　　給定轉(zhuǎn)速為714r/min；階躍給定值5V；</p><p>　　ACR、ASR的參數(shù)分別設(shè)計為：</p><p>　　ACR：=1.013,=1.013/0.03； ASR：=11.7,=11.7/0.087。</p>&

87、lt;p>　　限幅器的上下限設(shè)置為[10,0]。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)仿真[5]</p><p>　　利用SINMULINK的元件庫功能，在matlab中進(jìn)行雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模，如圖3.1所示，圖中ASR是速度調(diào)節(jié)器模塊，ACR是電流調(diào)節(jié)器模塊，還用到了放大器Gain，示波器Scope等。</p><p>　　圖3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模

88、</p><p>　　仿真的結(jié)果可以通過示波器模塊輸出，當(dāng)給定信號的參數(shù)發(fā)生變化時，示波器的輸出將發(fā)生變化。本仿真是模擬給定階躍變化時轉(zhuǎn)速和電流的啟動動態(tài)過程，輸出是速度和電流。圖3.2給出了突加給定，電動機(jī)啟動時的電樞電流波形和轉(zhuǎn)速n波形的示波器仿真輸出。</p><p>　　從圖3.2中可以看到速度與電流之間的關(guān)系基本上符合理想的波形。圖中橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示幅值。</p&

89、gt;<p>　　圖3.2 電機(jī)啟動時的轉(zhuǎn)速曲線和電流曲線</p><p>　　3.3 仿真結(jié)果分析</p><p>　　從仿真結(jié)果可以看到，啟動過程的第一階段是電流上升階段。突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流上升也很快，接近其峰值。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒

90、加速，轉(zhuǎn)速線性增長。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它推出了飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使速度保持恒定，仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)硬件要求進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。比如，電流

91、環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的時間常數(shù)和比例系數(shù)的確定，都需要反復(fù)修改，才能使系統(tǒng)的動態(tài)性能滿足要求。為了獲得良好效果，用MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，給系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定提供支持。</p><p>　　第四章 硬件設(shè)計說明</p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)的組成[6][7]</p><p>　　微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，系統(tǒng)由以下部分組成：主電路、檢測

92、電路、故障綜合、數(shù)字控制器。硬件電路圖見附錄圖B。</p><p>　　圖4.1 微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　4.1.1 主回路</b></p><p>　　三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機(jī)供電。</p>&

93、lt;p>　　4.1.2 檢測回路</p><p>　　檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測，其中電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。</p><p><b>　　a.轉(zhuǎn)速檢測</b></p><p>　　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，如圖4.2所示

94、。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)編碼器與電機(jī)相連，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤轉(zhuǎn)動，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。</p><p>　　圖4.2 光電碼盤轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　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。</p><p><b>　　(1)M法測速</b></p><p>　　在

95、一定時間內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)。把除以就可得到旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率，所以又稱頻率法。電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生Z個脈沖(Z=倍頻系數(shù)×編碼器光柵數(shù))，把除以Z就得到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時間以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)為單位的，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　在上式中，Z和均為常值，因此轉(zhuǎn)速

96、n正比于脈沖個數(shù)。高速時大，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。</p><p><b>　　(2)T法測速</b></p><p>　　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)器對已知頻率為的高頻時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，并由此來計算轉(zhuǎn)速，稱作T法測速。在這里，測速時間緣于編碼器輸出脈沖的周期

97、，所以又稱周期法。在T法測速中，準(zhǔn)確的測速時間是用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù)計算出來的，即，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速為</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　高速時小，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，與M法恰好相反。</p><p>　　(3) M/T法測速</p><p>　

98、　M法測速在高速段分辨率強(qiáng)；T法測速在低速段分辨率強(qiáng)；因此，可以將兩種測速方法相結(jié)合，取長補(bǔ)短。既檢測時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)，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，則準(zhǔn)確的測速時間，而電動機(jī)轉(zhuǎn)速為</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　采用M/T法測速時，應(yīng)保證高頻時鐘脈沖計

99、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，以減小誤差，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停止計數(shù)。</p><p>　　由于M/T法的計數(shù)值和都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當(dāng)于M法測速，最低速時，=1，自動進(jìn)入T法測速。因此M/T法測速能適用的轉(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。</p><p>　　所以，測速采用M/T法。</p&

100、gt;<p><b>　　b.電流和電壓檢測</b></p><p>　　電流和電壓檢測除了用來構(gòu)成相應(yīng)的反饋控制外，還是各種保護(hù)和故障診斷信息的來源。電流、電壓信號也存在幅值和極性的問題，需經(jīng)過一定的處理后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入微機(jī)，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。</p><p>　　電流檢測原理如圖4-3所示。霍爾電流傳感器具有測量精度高、線性度好、響應(yīng)快、隔離

101、徹底的特點(diǎn)，近來在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　圖4.3 霍爾效應(yīng)電流變換器</p><p>　　電壓檢測原理圖如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4 信號隔離與轉(zhuǎn)換</p><p>　　4.1.3 故障綜合</p><p>　　利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行分

102、析比較，若發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及時處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢所在。</p><p>　　4.1.4 數(shù)字控制器</p><p>　　數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，可選用單片微機(jī)或數(shù)字信號處理器（DSP）。在本設(shè)計中，采用TMS320X240系列專為電機(jī)控制設(shè)計的微處理器，本身都帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測速和P

103、WM生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。</p><p>　　4.2 控制器芯片的選擇和應(yīng)用[8][9][10][11][12]</p><p>　　長期以來對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究和設(shè)計一直是電力拖動控制領(lǐng)域最活躍的部分，各個階段都不斷出現(xiàn)新技術(shù)新方法，經(jīng)歷了機(jī)械式調(diào)速、電子式調(diào)速、集成電路應(yīng)用調(diào)速、計算機(jī)控制等階段和過程。隨著新技術(shù)的發(fā)展，特別是芯片技術(shù)的發(fā)展，再一次提供了機(jī)遇。本

104、研究就是試圖將DSP技術(shù)與電力拖動控制技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行一些創(chuàng)新性的工作。</p><p>　　4.2.1 DSP芯片的選擇</p><p>　　在這次設(shè)計中，我們采用的是TMS320F240系列。TI公司最新推出的TMS320C2XX系列具有良好的性能價格比。TMS320F240內(nèi)置8K/16K字快閃存儲器，增加了兩路10位A/D，每路采樣頻率可達(dá)166kHz，提供9路獨(dú)立的PWM輸出，內(nèi)

105、置SCI和SPI接口，內(nèi)置CAN總線接口。這些大大增強(qiáng)了TMS320X240的處理能力，在電機(jī)控制領(lǐng)域顯示了強(qiáng)大的生命力。它是一個典型的TMS320F240的用戶系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)如下功能：3相PWM輸出/3相電流測量/按鍵控制，液晶顯示/RS232通信，A/D、D/A接口，62K字節(jié)零等待SRAMaTMS320系列同一產(chǎn)品系列中的器件具有相同的CPU結(jié)構(gòu)，但芯片內(nèi)存儲器和外設(shè)的配置不同。派生的器件集成了新的片內(nèi)存儲器和外設(shè)，以滿足世界范圍內(nèi)

106、電子市場的不同需求。通過將存儲器和外設(shè)集成到控制器的內(nèi)部，TMS320器件減少了系統(tǒng)成本，節(jié)省了電路板空間，提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　一般的DSP芯片可分為定點(diǎn)和浮點(diǎn)兩類，而從用途上又可分為通用型和專用型兩種。TMS320系列的體系結(jié)構(gòu)專為實(shí)時信號處理而設(shè)計，該系列的DSP控制器將實(shí)時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。下列的特性使得TMS320系列成為很多信

107、號處理及控制應(yīng)用的理想選擇：靈活的指令集；內(nèi)部操作靈活性；高速的運(yùn)算能力；改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)。</p><p>　　目前德州公司的DSP芯片有三大類：TMS320C2000，TMS320C5000，TMS320C6000。其中，一般的TMS320C2000系列的芯片價格比較低，具有較高的性能和適用于控制領(lǐng)域的功能。因此可廣泛用于工業(yè)自動化、電機(jī)控制、家用電器和消費(fèi)電子領(lǐng)域。而TMS320C5000，TMS320C60

108、00都具有較高的性能，一般適合用于通信領(lǐng)域，主要應(yīng)用場合包括:數(shù)字移動通信、個人通信系統(tǒng)(PCs)、個人數(shù)字處理(PDA)、數(shù)字無繩通信、無線數(shù)據(jù)通信、計算機(jī)電話集成、分組話音通信、便攜式英特網(wǎng)音頻、調(diào)治解調(diào)器等。因此，基于實(shí)際的需要本研究選用TMS320CF240系列。</p><p>　　4.2.2 TMS320CF240芯片概述</p><p>　　TMS320CF240總的說來有1

109、32個管腳，工作電壓為5V，20MHZ主頻時，指令周期為50ns，運(yùn)算速度為20MIPS。4個外部中斷引腳；片內(nèi)存儲器RAM544字節(jié)，F(xiàn)lash/ROM為16K字節(jié)；可尋址空間共244*16bit，其中64K程序空間(PS)，64K數(shù)據(jù)空間(DS)，64KI/O空間(IS)，32K全局存儲器；32bit算術(shù)邏輯單元(ALU)/累加器(ACC)；16*l6bit乘法器，乘積結(jié)果寄存器32bit；程序空間和數(shù)據(jù)空間之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移；8級

110、內(nèi)部硬件堆棧，存放調(diào)用/中斷返回地址；2個串口，3個定時器，12個PWM通道；16路A/D轉(zhuǎn)換器，工作速度為6.1μs。</p><p>　　a.主要管腳的作用介紹</p><p>　　為了更好地了解TMS320F240這一款芯片，對其主要管腳的作用在附錄表A1中給予了說明。其中需要特別說明的是，這一款芯片既可以工作在微處理器方式，也可以工作在微控制器方式，它是通過MP/MC引腳實(shí)現(xiàn)的，復(fù)

111、位時該引腳為低電平，則工作在微控制器方式下，并從內(nèi)部程序存儲器的0000H開始執(zhí)行程序；若在復(fù)位期間為高電平，則工作在微處理器方式下，并從外部程序存儲器的0000H開始執(zhí)行程序。</p><p>　　另外還有以下的一些特點(diǎn)：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到30ns，從而提高了控制器的實(shí)時控制能力。</p><p&