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

1、 i 目目 錄錄摘 要iiiabstract iii第一章 緒論 11.1 研究背景和意義 11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景 21.3 本研究課題的主要研究內(nèi)容 21.4 本章小結(jié)2第二章 控制原理與方案確定 32.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念 32.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案 32.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 42.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹 92.2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 92.2.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 102.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 102.2.4 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu) 112.2.5 起動過程分析 112.2.6 動態(tài)抗擾性能分析 132.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工

2、作原理 132.3.1 以電流調(diào)節(jié)器 acr 為核心的電流環(huán)工作原理 132.3.2 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)工作原理 132.4 控制方案的確定 142.4.1 連續(xù)控制與數(shù)字控制的特點 142.4.2 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 152.5 本章小結(jié)15第三章 基于 simulink 的系統(tǒng)仿真 163.1 系統(tǒng)設(shè)計163.2 系統(tǒng)仿真173.3 仿真結(jié)果分析 18 ii3.4 本章小結(jié) 18第四章 硬件設(shè)計說明194.1 控制系統(tǒng)的組成 194.1.1 主回路194.1.2 檢測回路194.1.3 故障綜合224.1.4 數(shù)字控制器 224.2 控制器芯片的選擇和應(yīng)用 22

3、4.2.1 dsp 芯片的選擇 224.2.2 tms320cf240 芯片概述234.2.3 dsp 編程語言簡介 254.3 本章小結(jié) 25第五章 控制算法及軟件設(shè)計 265.1 數(shù)字 pid 控制算法 265.1.1 pid 算法的數(shù)字化 265.1.2 增量式控制算法的優(yōu)點和不足 285.2 雙閉環(huán)控制的控制算法 285.3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 295.4 本章小結(jié) 30第六章 結(jié)束語 31參考文獻 32致 謝33附錄 a34附錄 b 36- iii -雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制器的設(shè)計摘 要本文對微機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究，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)

4、學(xué)模型，用 matlab進行系統(tǒng)仿真，實現(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)計實現(xiàn)了直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。結(jié)果表明， 此調(diào)速系統(tǒng)具有較強的魯棒性。關(guān)鍵詞：微機控制，雙閉環(huán)，直流調(diào)速，數(shù)字信號處理 器the design of the double closed loopsdc timing system controllerabstractin this paper, dc timing system controlled by microcomputer had been researched deeply. beginnin

5、g with the theory of the dc timing system, the math model of the double closed loops dc 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 c

6、ontroller, the design of the double closed loops timing system of the dc motor has been realized through the design of the systems hardware and software. the result shows that this timing system has strong robust.keywords: microcomputer control, double closed loops, dc timing, dsp- 1 -第一章 緒論1.1 研究背景

7、和意義1計算機技術(shù)的發(fā)展正在影響著人類生活的各個方面。計算機的應(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)的計算機芯片的出現(xiàn)，給計算機技術(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單片機就比以前的8051單片機增加了許多功能，特別是使用了流水線指令執(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與其它單片機相比較，具有明顯的優(yōu)點，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

8、來越多的研究者用 dsp作為控制手段，實現(xiàn)對工業(yè)控制對象的控制。用計算機控制電力拖動控制系統(tǒng)是計算機應(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。隨著計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機結(jié)合使電力拖動控制產(chǎn)生了新的變化。計算機技術(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)歷了機械式的、雙機組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機式的發(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。將計算機技術(shù)的最新發(fā)展成果運用在直流調(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

9、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。用計算機技術(shù)實現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，計算機的選型很多。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。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，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，不斷地進行技術(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。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

10、獻檢索，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。本研究的理論基礎(chǔ)有電機控制、電力電子技術(shù)、自動控制原理、計算機控制技術(shù)等- 2 -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。由于不具備實現(xiàn)條件，在系統(tǒng)參數(shù)選擇和調(diào)試方法上，運用matlab軟件進行了仿真。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景2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

11、前一階段的經(jīng)驗教訓(xùn)，學(xué)習(xí)和借鑒國外廠家先進設(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.整機制造技術(shù)工藝上的改進。第三階段， 9203年，世界各國的外商向開放的中國市場推銷技術(shù)先進、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6r2427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。目前，國內(nèi)外一些公司的 6rm系列、avtron公司的add-32系列、abb

12、公司的dcs系列、ge公司的dc系列、ct公司的mentor、西門子公司6r2427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、橡塑機械、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。1.3 本研究課題的主要研究內(nèi)容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)進行matlab仿真，進行參數(shù)整定。在仿真的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的軟、硬件進行了設(shè)計。1.4 本章小結(jié)本章對計算機控制的對象進行了綜述，全面對直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制要求做了總結(jié)，為將要進行的計算機控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供基本的準備，打下了基 礎(chǔ)。在下面的

13、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。- 3 -第二章 控制原理與方案確定2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念34在工程實踐中，有許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。由于直流電動機具有極好的運行性能和控制特性。盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當然，近年來，隨著計算機技術(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)發(fā)展很快，大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢，由于微機控制的直流調(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、

14、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)用研究具有實際意義。2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩的大小常用下式表示： （2-ateict1）式中，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，單位為 nm；et 勵磁磁通，單位為wb；電樞電流，單位為a；ai由電機結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。tc以上分析表明，直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個可控參量和是互相獨立的，可以ai非常方便地分別調(diào)節(jié)，這種機理使直流電動機具有良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，從而有優(yōu)良的

15、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。由直流電動機的轉(zhuǎn)速特性知道，直流電動機的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可用下式表示： （2-eacriun2）式中，n電動機轉(zhuǎn)速，單位為r/min； u電樞供電電壓，單位為v；- 4 - 由電機結(jié)構(gòu)決定的電勢常數(shù)，=9.55ectcec在式(2-2)中，為常數(shù)，的大小取決于負載轉(zhuǎn)矩，因此可知，直流電動機的調(diào)速方ecai法有三種：1. 調(diào)節(jié)電樞供電電壓u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。ai2. 改變電動機主磁通改變

16、磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動機額定轉(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fiai度較慢，但所需電源容量小。3. 改變電樞回路電阻r 在電動機電樞回路外串電阻進行調(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。改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(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

17、時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用。2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源改變電樞電壓調(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：1. 旋轉(zhuǎn)變流機組。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。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。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。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。1. 旋轉(zhuǎn)變流機組以旋轉(zhuǎn)

18、變流機組作為可調(diào)電源的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖 2.1所示。- 5 -圖2.1 旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)由交流電動機(稱原動機，通常采用三相交流異步電動機 )拖動直流發(fā)電機g實現(xiàn)變流，由g給需要調(diào)速的直流電動機m供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流的大小，就能夠方i便地改變其輸出電壓u，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 n。這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電機 電動機系統(tǒng)，簡稱g-m系統(tǒng)，國際上通稱ward-leonard系統(tǒng)。為了供給直流發(fā)電機 g和電動機m的勵磁，還需專門設(shè)置一臺并勵的直流勵磁發(fā)電機 ge，可裝在變流機組同軸上由原動機拖動，也可另外單用一臺交流電動機拖動。對系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時，可直接由勵磁電

19、源供電，要求較高的閉環(huán)直流調(diào)i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或磁放大器 )進行控制。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)的可逆運行i是很容易的，圖2.2給出了采用旋轉(zhuǎn)變流機組供電時電動機可逆運行的機械特性，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)實現(xiàn)四象限運行。圖2.2 g-m系統(tǒng)的機械特性g-m系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，在 20世紀50年代曾廣泛地使用，至今在尚未進行設(shè)備更新的地方仍然使用這種系統(tǒng)。但是這種由機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速直流電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機（原

20、動機和直流發(fā)電機）和一臺容量小一些的勵磁發(fā)電機，因而設(shè)備多、體積大、效率低、安裝需打地基、運行有噪第i象限第iv象限otetl-tln0n1n2第ii象限第iii象限n- 6 -音、維護不方便。為了克服這些缺點，在 20世紀50年代開始采用靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機組，直流調(diào)速系統(tǒng)進入了由靜止變流裝置供電的時代。2. 靜止可控整流器在20世紀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來代替旋轉(zhuǎn)變流機組，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)變流機組的許多缺點，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，維護麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴重危害

21、身體健康。因此，應(yīng)用時間不長，到了 20世紀60年代又讓位給更經(jīng)濟可靠的晶閘管整流器。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60年代起就已生產(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調(diào)速系統(tǒng) (即晶閘管電動機調(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。圖2.3 v-m系統(tǒng)的原理框圖圖2.3中vt是晶閘管可控整流器，它可以是任意一種整流電路，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓來移動觸

22、發(fā)脈沖的相位，從而改變整流輸出電壓平均值，實現(xiàn)電動機du的平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機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，主要表現(xiàn)在以下方面：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，這給電動機實現(xiàn)可逆運行造成困難。必須實現(xiàn)四象限可逆運行時，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。2) 晶閘管

23、元件對于過電壓、過電流以及過高的和十分敏感，其中任一dtdudtdi- 7 -指標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裝置和符合要求的散熱條件，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行。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于一個感性負載，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)中所占容量比重較大，將造成所謂的 “電力

24、公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無功補償、濾波和高次諧波的抑制措施。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。3. 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷時間的變化來改變負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，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機車

25、、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。圖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。當開關(guān)vt接通時，電源電壓加到電動機上；當vt斷開時，直流電源與電動機斷開，電動機su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。a）原理圖 b）電壓波形圖圖2.4 直流斬波器電路和輸出電壓波形m+_vdvtustouusudtton控制電路m- 8 -這樣，電動機電樞端電壓的平均值為 ： (2-3)ssonduuttu式中，t開關(guān)器件的通斷周期；開關(guān)器件的導(dǎo)通時間;ont占空比； 開關(guān)頻率。ftttononf由式(2-3)可知，直流斬波器的輸出電

26、壓平均值可以通過改變占空比即通過改變du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：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ont定頻調(diào)寬，稱為脈沖調(diào)寬。2) 脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency modulation，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)ontf頻，稱為調(diào)頻。3) 兩點式控制。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

27、可ont稱為混合調(diào)制。當負載電流或電壓低于某一最小值時，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當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。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管 (ig

28、bt)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：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。2) 由于開關(guān)頻率高，僅靠電動機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- 9 -的損耗和發(fā)熱都較小。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

29、整流器對電網(wǎng)的 “污染”，功率因數(shù)高，效率高。4) 主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便。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)。2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹34直流電動機調(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，在直流調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。許多生產(chǎn)機械，由于加工和運行的要求，使電動機經(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)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其

30、性能還不很令人滿意。采用轉(zhuǎn)速負反饋和 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，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)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。 我們希望能實現(xiàn)控制：1) 起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；2) 穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。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)。本節(jié)將著重闡明其

31、原理及設(shè)計線路。2.2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成雙閉環(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。圖 2.5 中，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- 10 -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)。這就形成了速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖2.5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

32、器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg測速發(fā)電機ta電流互感器 upe電力電子變換器2.2.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，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。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，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出的，cu并考慮到運算放大器的倒相作用。圖2.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖 2.6 中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。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；*imu2. 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

33、壓cmu。dmutgnasracru*n+-unuiu*i+-uctavm+-udidupel-mtg+內(nèi)環(huán)外 環(huán)g- 11 -2.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)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輸出特性表示pi 調(diào)節(jié)器就可以了。圖2.7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); 電流反饋系數(shù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負dmi反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)dmi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

34、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反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。2.2.4 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)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。圖2.8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖 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)(swasr)(swacr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

35、以后才能u*n uc-idlnud0un+- +-uiwasr(s)wacr(s)ks tss+11/rtl s+1rtmsu*iid1/ce+e ks 1/ceu*nucidenud0un+-asr+u*i- r acr-uiupe- 12 -反饋回來，抗擾性能大有改善。2.2.5 起動過程分析設(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。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程*nu示于圖 2.9。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

36、圖中標明的 i、ii、iii 三個階段。圖2.9 轉(zhuǎn)速和電流的啟動動態(tài)過程曲線第階段：突加給定電壓后，上升，當小于負載電流時，電機還不能轉(zhuǎn)動。當*nudididli后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器didliasr 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電流迅速上*imudi升。直到，=，=電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這一階段的結(jié)didmiiu*imudi束。第階段：在這個階段中，asr 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(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*imudi線性增長。與此同

37、時，電機的反電動勢 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，為了克服它的擾動，和也必須基本上按線性增長，才0ducu能保持恒定。di當 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- 13 -定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。didmi第階段：當轉(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值，所以電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， asr*imu輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于*iudidi負載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時，轉(zhuǎn)矩，則=0，轉(zhuǎn)速 n

38、 才dlididlilett dtdn到達峰值(t=t3 時)。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時間內(nèi)(t3t4)，直到穩(wěn)定。didli2.2.6 動態(tài)抗擾性能分析一般來說，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。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。1.抗負載擾動由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負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。 2.抗電網(wǎng)電壓擾動雙閉環(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

39、才能反饋回來，抗擾性能大有改善。2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理342.3.1 以電流調(diào)節(jié)器 acr 為核心的電流環(huán)工作原理電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器acr和電流負反饋環(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作用穩(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=。其中為電流反饋系數(shù)。0*diiiiiuuuudi*iu當一定時，由于電流負反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在*iu數(shù)值上。當時，自動調(diào)節(jié)過程為：*iudi*iu=diiudiiu*aududi最終保持電流穩(wěn)定。當電流下降時，也有類似的調(diào)節(jié)過程。2.3.2 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)工作原理轉(zhuǎn)速環(huán)

40、是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差。- 14 -由于asr采用pi調(diào)節(jié)器，所以在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時應(yīng)滿足，即n=0*nuunn。*nu當一定時,轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在數(shù)值上。當n時，其自動調(diào)節(jié)過程為：*nu*nu*nufzn= ()0nnunun*iuiuaudu最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當轉(zhuǎn)速上升時，也有類似的調(diào)節(jié)過程。2.4 控制方案的確定隨著微處理器的出現(xiàn)及運算速度的提高，運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)。特別是當前網(wǎng)絡(luò)技術(shù) (主

41、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。2.4.1 連續(xù)控制與數(shù)字控制的特點連續(xù)控制系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎(chǔ)，由模擬電子電路構(gòu)成控制器，因而存在如下主要弱點：1由運算放大器構(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；2模擬控制器很難實現(xiàn)高級的控制策略和控制方法，難以實現(xiàn)對交流電機這樣復(fù)雜對象的控制；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；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。因而，連續(xù)控制已經(jīng)不能適應(yīng)運動控制系統(tǒng)的發(fā)展需要。以微處理器為核心的數(shù)字控制系

42、統(tǒng)，不僅克服了上述連續(xù)控制的弱點，而且可以實現(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)字控制的主要特點如下 :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，可以實現(xiàn)同一控制器既可控制直流電機又可控制交流電機。2數(shù)字控制器的輸入輸出通道可以實現(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，為實現(xiàn)高性能的運動控制系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。- 15 -3采用高速數(shù)字信號處理器為控制器，可以實現(xiàn)復(fù)雜的高性能的各種控制策略和方法，如

43、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現(xiàn)人工智能，更好地適應(yīng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜多變。4借助一些人機界面設(shè)備 (如與處理器相連的液晶顯示屏、控制面板、觸摸屏等 )實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(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現(xiàn)與上位機的通訊；借助現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)底層控制設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)：因而更方便地實現(xiàn)高復(fù)雜度的多機協(xié)同工作。2.4.2 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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)在采用微機實現(xiàn)對該系統(tǒng)的數(shù)字控制，其原理框圖如圖 2.10所示：圖2.10 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功能 ，即

44、為計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點：1雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制；2全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；3采用數(shù)字pi算法，由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。2.5 本章小結(jié)本章對計算機控制的對象進行了綜述，全面對直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制要求做了總結(jié)，為將要進行的計算機控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供基本的準備，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。- 16 -第三章 基于 simulink 的系統(tǒng)仿真為了在研究和設(shè)計中去獲得合適的參數(shù)，不斷的改進設(shè)計，在軟件設(shè)計之前， 首先用目前流行的matlab軟件對控制系統(tǒng)進行了仿真。仿真是在理想的情況下進行的，獲得結(jié)果對研究分析系統(tǒng)

45、可以得到相當好的幫助。在仿真模型的建立過程中，控制部分中的 simulink模塊參數(shù)的設(shè)置比較困難，也很關(guān)鍵，為了獲得比較好的仿真效果，為現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)提供設(shè)計依據(jù)，需要在仿真過程中不斷調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的效果。系統(tǒng)的仿真分為三個步驟，分別是：建模、設(shè)置參數(shù)、仿真及仿真結(jié)果分析。在建模的時候，首先要分析系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)的每個細節(jié)，從 simulink模塊箱中找到合適的模塊；然后進行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置是一個難點，可以將實際系統(tǒng)中的主電路參數(shù)作為初始值，根據(jù)需要，不斷調(diào)整控制部分的參數(shù)。3.1 系統(tǒng)設(shè)計直流電機：220v，136a，1460r/min，=0.132v min/r，允許過載倍數(shù)=1.

46、5。晶ec閘管裝置放大系數(shù)=40；電樞回路總電阻：r=0.5；時間常數(shù)：=0.03s, sklt=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)mt=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ni轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.007 v min/r(10v/)。nn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)。將電流環(huán)校正為典型型系統(tǒng)，取 =0.5，考慮電流反饋中的電流紋波，取電iitk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。將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型型系統(tǒng)，取h=5，考慮到轉(zhuǎn)速反饋中的電壓紋波，取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)為3m

47、s，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用pi調(diào)節(jié)器。 根據(jù)橋式整流電路、電動機的參數(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：電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。ssswacr03. 0013. 103039. 0)(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。ssswasr087. 07 .110179. 1)(- 17 -變換器模型為； 10017. 0401sstkss電機模型參數(shù)為。132. 0118. 05 . 0103. 0211/1sscstrstreml給定轉(zhuǎn)速為714r/min；階躍給定值5v；acr、asr的參數(shù)分別設(shè)計為：acr：=1.013,=1.013/0.03； asr：=11

48、.7,=11.7/0.087。cpkcikspksik限幅器的上下限設(shè)置為10,0。3.2 系統(tǒng)仿真5利用sinmulink的元件庫功能，在matlab中進行雙閉環(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。圖3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模仿真的結(jié)果可以通過示波器模塊輸出，當給定信號的參數(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，電動機啟動時的電樞電流波形和轉(zhuǎn)速 n 波形gudi的示波器仿真輸出。從圖3.2中可以看

49、到速度與電流之間的關(guān)系基本上符合理想的波形。圖中橫坐標表示- 18 -時間，縱坐標表示幅值。圖3.2 電機啟動時的轉(zhuǎn)速曲線和電流曲線3.3 仿真結(jié)果分析從仿真結(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)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長。第三階段，當轉(zhuǎn)速達到給定值后，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)負偏差電壓，使它推出了飽和狀態(tài)，進入線性調(diào)節(jié)階段，使速度保持恒定，

50、仿真結(jié)果基本上反映了這一點。3.4 本章小結(jié)在進行系統(tǒng)仿真時，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)硬件要求進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。比如，電流環(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軟件進行系統(tǒng)仿真，給系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定提供支持。轉(zhuǎn)速電流- 19 -第四章 硬件設(shè)計說明4.1 控制系統(tǒng)的組成67微機數(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、檢測電路、故障綜合、數(shù)字控制器。硬件電路圖見附錄圖 b。圖4.1 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流 pwm調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖4.1.1 主回路三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒

51、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，給直流電動機供電。4.1.2 檢測回路檢測回路包括電壓、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；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。a.轉(zhuǎn)速檢測對于要求精度高、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。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)編碼器與電機相連，當電動機轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤轉(zhuǎn)動，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。- 20 -圖4.2 光電碼盤轉(zhuǎn)換電路采用旋轉(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

52、得到旋轉(zhuǎn)編1m1mct碼器輸出脈沖的頻率，所以又稱頻率法。電動機每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生 z個脈沖ctmf11(z=倍頻系數(shù)編碼器光柵數(shù))，把除以z就得到電動機的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時間以1fct秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)為單位的，則電動機的轉(zhuǎn)速為 (4-1)cztmn160在上式中，z和均為常值，因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個數(shù)。高速時大，量化誤差ct1m1m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。1m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)器對已知頻率為的高頻0f時鐘脈沖進行計數(shù)，并由此來計算轉(zhuǎn)速，稱作 t法測速。在這里，

53、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，準確的測速時間是用所得的高頻tt時鐘脈沖個數(shù)計算出來的，即，則電動機轉(zhuǎn)速為2m02fmtt (4-2)206060zmfztnt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，2m與m法恰好相反。(3) m/t法測速m法測速在高速段分辨率強； t法測速在低速段分辨率強；因此，可以將兩種測速方法相結(jié)合，取長補短。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ct1m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2m- 21 -的頻率為，則準確的測速時間，而電動機轉(zhuǎn)速為0f02

54、fmtt (4-3)20116060zmfmztmnt采用m/t法測速時，應(yīng)保證高頻時鐘脈沖計數(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，以減小誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達時，兩個計數(shù)器才同時允許開始或停止計數(shù)。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，相當于 m法測速，1m2m最低速時，=1，自動進入t法測速。因此m/t法測速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩1m種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測速方法。所以，測速采用m/t法。b.電流和電壓檢測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)

55、a/d轉(zhuǎn)換送入微機，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。電流檢測原理如圖4-3所示?；魻栯娏鱾鞲衅骶哂袦y量精度高、線性度好、響應(yīng)快、隔離徹底的特點，近來在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。圖4.3 霍爾效應(yīng)電流變換器 電壓檢測原理圖如圖4.4所示：圖4.4 信號隔離與轉(zhuǎn)換a1a2r1rouir2r3r4r5r6uia+15v+ 5vuauba/dr1ror2r3r4ubr5r6uiaui- 22 -4.1.3 故障綜合利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所在。4.1.4 數(shù)字控制器數(shù)字控制器是系統(tǒng)的

56、核心，可選用單片微機或數(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，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速和 pwm生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。4.2 控制器芯片的選擇和應(yīng)用89101112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)歷了機械式調(diào)速、電子式調(diào)速、集成電路應(yīng)用調(diào)速、計算機控制等階段和過程。隨著新技術(shù)的發(fā)展，特別是芯片技術(shù)的發(fā)展，再一次提供了機遇。本研究就是試圖將 dsp技術(shù)與電力拖動控制技術(shù)相結(jié)合，進行

57、一些創(chuàng)新性的工作。4.2.1 dsp 芯片的選擇在這次設(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166khz，提供9路獨立的pwm輸出，內(nèi)置sci和spi接口，內(nèi)置can總線接口。這些大大增強了 tms320x240的處理能力，在電機控制領(lǐng)域顯示了強大的生命力。它是一個典型的 tms320f240的用戶系統(tǒng)，它實現(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sra

58、matms320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)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。一般的dsp芯片可分為定點和浮點兩類，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)專為實時信號處理而設(shè)計，該系列的 dsp控制器將實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系列成為很多信號處理及控制應(yīng)用的理想選擇：靈活的指令集；內(nèi)部操-

59、23 -作靈活性；高速的運算能力；改進的并行結(jié)構(gòu)。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、電機控制、家用電器和消費電子領(lǐng)域。而 tms320c5000，tms320c6000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，基于實際的需要本研究選

60、用tms320cf240系列。4.2.2 tms320cf240 芯片概述tms320cf240總的說來有132個管腳，工作電壓為5v，20mhz主頻時，指令周期為50ns，運算速度為20mips。4個外部中斷引腳；片內(nèi)存儲器ram544字節(jié)，flash/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)空間之間可進行數(shù)據(jù)搬移； 8級內(nèi)部硬件堆棧，存放調(diào)用 /中斷返回地址；2個串口