...wd......wd......wd...直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的任務(wù)研究書摘要近年來由于微型機的快速開展，國外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)到達實用階段。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標準化程度高，制作本錢低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進展邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機數(shù)字控制系統(tǒng)在各個方面的性能都遠遠優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹的是用一臺26KW的直流電動機，8051單片機構(gòu)成的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。特點是用單片機取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設(shè)備。最后進展軟件編程、調(diào)試以及計算機仿真。實時控制結(jié)果說明，本數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的恒速調(diào)節(jié)，并具有構(gòu)造簡單，控制精度高，本錢低，易推廣等特點，而且各項性能指標優(yōu)于模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，從而能夠?qū)嶋H的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。關(guān)鍵詞：單片機雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字方式目錄TOC\o"1-3"\h\z第1章緒論………………1第二章方案論證………..3第三章直流調(diào)速控制系統(tǒng)…………….53.1單片機局部的組成………...53.1.1時鐘電路………….73.1.2復(fù)位電路………….83.1.3存儲器……………….83.1.4外部中斷源………….93.1.5定時器/計數(shù)器…………………….113.2單片機的擴展………………….123.2.1程序存儲器的擴展………………..133.2.2數(shù)據(jù)存儲器的擴展………………..143.2.38279可編程鍵盤/顯示器…………163.2.4模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換………….243.2.5采樣和保持………..28第四章PID的控制算法………………….324.1PID控制規(guī)律及其根本作用…………………...324.2控制算法的實現(xiàn)………………..33第五章直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計…...365.1直流電動機的調(diào)速方法……….365.2整流電路………………………..375.3觸發(fā)電路………………………..38第六章軟件設(shè)計………427.2系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析49第七章系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)………………46第八章直流調(diào)速系統(tǒng)的保護……………49總結(jié)……….51第2章系統(tǒng)方案選擇和總體構(gòu)造設(shè)計2.1調(diào)速方案的選擇2.1.1系統(tǒng)控制對象確實定本次設(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1000r/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壓器調(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)，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。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，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)。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。考慮使電路簡單、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總體構(gòu)造設(shè)計2.2.1系統(tǒng)構(gòu)造選擇假設(shè)采用轉(zhuǎn)速負反響和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(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，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，只有電流截止負反響環(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，靠強烈的負反響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。假設(shè)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)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(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反響，而它和轉(zhuǎn)速負反響不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負反響，不靠電流負反響發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。與帶電流截止負反響的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反響起主調(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。其硬件構(gòu)造如圖2-1所示。圖2-1單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)造圖2.2.2系統(tǒng)的工作原理在此單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反響和電流反響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；為防止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，增加了裝置的本錢。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)；Usk--變壓器的短路比，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。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)；由表查得m1=3，m2=3S1=m1U1I1=3×380×1.69=1.9266KVAS2=m2U2I2=3×120×5.37=1.9332KVAS=1/2(S1+S2)=1/2〔1.9266+1.9332〕=1.9299KVA3.2晶閘管元件的選擇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，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓UTN，即UTN=〔2～3〕UTm整流電路形式為三相全控橋，查表得，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：①當周圍環(huán)境溫度超過+40℃時，應(yīng)降低元件的額定電流值。②當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。③關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適中選大些。由表查得K=0.368，考慮1.5~2倍的裕量取。應(yīng)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。1〕交流側(cè)過電壓保護=1\*GB3錯誤！未找到引用源。1/t錯誤！未指定書簽。阻容保護即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進展保護。對于三相電路，Ｒ和Ｃ的值可按下表換算。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ＣＣ1/3C3CC電阻ＲＲ3R1/3RR本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=1.9299KVA，U2=120VIem取值：當S=1~10KVA時，對應(yīng)的Iem=4~1，所以Iem取3。C≥×6IemS/U22=×6×3×34×103/1202=14.17μF耐壓≥1.5Um=1.5×120×=254.6V選取20μF的鋁電解電容器。選取： S=1~10KVA，=1~5，所以=3R≥×2.3U22/S=×2.3×1202/1.9299×103=9.37ΩIC=2πfCUC×10-6=2π×50×40×10-6×120×10-6=1.5×10-6APR≥(3-4)IC2R=(3-4)×〔1.5×10-6〕2×9.37=〔6.33-8.43〕×10-13W選取電阻為ZB1-10的電阻。=2\*GB3錯誤！未找到引用源。壓敏電阻的計算U1MA=1.3U=1.3××120=220.6V流通量取5KVA。選MY31-220/5型壓敏電阻。允許偏差+10％〔242V〕。2〕直流側(cè)過電壓保護直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護一樣保護一樣的方法，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。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〕閘管及整流二極管兩端的過電壓保護查下表：阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)歷選定晶閘管額定電流/μA1020501002005001000電容/μF0.10.150.20.250.512電阻/Ω1008040201052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。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=fCUm2×10-6=50×0.2×10-6×(×120)2×10-6=0.45×10-6W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時間短，保護性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護措施。快速熔斷器可以安裝在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。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。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。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于線電壓短路，換相完畢后線電壓有升高，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)負載突然短路等等。限制，除在阻容保護中選擇適宜的電阻外，也可采用與限制一樣的措施，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的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。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；－最小負載電流，常取電動機額定電流的5％～10％計算。根據(jù)本電路形式查得=0.695所以==7.38mH2〕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。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，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脈動量。平波電抗器的臨界電感量〔單位為mＨ〕可用下式計算式中－系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，－電流最大允許脈動系數(shù)，通常單相電路≤20％，三相電路≤〔5～10〕％。根據(jù)本電路形式查得=1.045所以==11.09mH3〕電動機電感量和變壓器漏電感量電動機電感量〔單位為mH〕可按下式計算式中、、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)；－計算系數(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/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==0.248mH4〕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：Ｎ在三相橋式電路中取２，其余電路可取１。=7.38－〔5.6+2×0.248〕=1.324mH考慮限制電流脈動時的實際電感量：本電路=11.09－〔5.6+2×0.248〕=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。可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流電抗器〔又稱均衡電抗器〕，電感量〔單位為mH〕的計算公式為：式中－計算系數(shù)，一般取＝；=0.695－要求的環(huán)流值，通常取＝〔3％～10％〕〔為直流電動機電樞電流〕。==14.76mH實際所需的均衡電感量為：如果均衡電流經(jīng)過變壓器兩相繞組，計算時，應(yīng)代入2。=14.76－0.248×2=14.03mH一般說來，均衡電抗器和平波電抗器分設(shè)的方案對比經(jīng)濟，故采用較為普遍。3.4勵磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管一樣，故取700V。額定電流可查得K=0.367，ID(AV)=(1.5~2)KIi=(1.5~2)*0.367*1.2A=0.66--0.88A可選用ZP型3A、700V的二極管。RPL為與電動機配套的磁場變阻器，用來調(diào)節(jié)勵磁電流。為實現(xiàn)弱磁保護，在磁場回路中串入了欠電流繼電器KA，動作電流通過RPI調(diào)整。根據(jù)額定勵磁電流Iex=1.2A，可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼電器。3.5主電路及保護電路原理圖圖3-1主電路及保護電路原理圖第4章控制電路與單片機系統(tǒng)設(shè)計4.1晶閘管觸發(fā)控制電路設(shè)計4.1.1晶閘管觸發(fā)方法晶閘管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圖4-2三相電壓曲線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、SCR3、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從負半波的過零點G〔t1〕作為同步基準點，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4-3所示。圖4-3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，準確地向各個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。在控制觸發(fā)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〕基準點。相對觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準來確定后一觸發(fā)脈沖時刻，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)用同步脈沖信號進展一次校正，以防止誤差的積累。對于單相電路，均使用絕對觸發(fā)方式。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)相鄰控硅之間觸發(fā)脈沖間距角為Δ。在穩(wěn)定情況下，Δ=600。當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〕為了防止觸發(fā)錯誤，必須參加同步校正。每隔3600來一個同步脈沖〔取自線電壓uac的過零點〕，以此為基準點，校正觸發(fā)第一對晶閘管SCR1.6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，按以下公式進展計算：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。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=λukα=arcos(λuk)(4-4)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)。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。為了方便起見，可建設(shè)一個脈沖分配表，如表4-1，它放于程序存儲器中。每當觸發(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MM+1M+2M+3M+4M+5XX011110XX111100XX111001XX110011XX100111XX001111SCR6,1SCR1,2SCR2,3SCR3,4SCR4,5SCR5,64.2單片機系統(tǒng)設(shè)計雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)得采樣周期對比快，計算和控制任務(wù)也對比繁忙，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)。綜上，本系統(tǒng)采用Inter的MCS-51中的80C31單片機。4.2.180C31單片機簡介80C31單片機屬于根本型的51系列單片機，它采用HMOS工藝，片內(nèi)集成有8位CPU；片內(nèi)駐留128字節(jié)的RAM以及21個特殊功能存放器；片內(nèi)還包括兩個16位定時器/計數(shù)器、一個全雙工串行I/O口〔UART〕、32條I/O線、5個中斷源和兩級中斷，尋址能力達128K字節(jié)〔其中程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM各64K字節(jié)〕。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時鐘頻率為12MHz，大局部指令周期只需1μs，乘除指令也僅需4μs。4.2.2單片機系統(tǒng)根本構(gòu)造80C31外接27128EPROM作為16K程序存儲器，存放全部控制軟件。用兩片74LS374和四個PNP中功率三極管以動態(tài)掃描方式驅(qū)動四位LED數(shù)字，以顯示轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度、電流等數(shù)據(jù)，兩片74LS374采用線選法與80C31接口，地址分別為0DFFFH和0BFFFH。在80C31的P3口上外接三個按鍵，一個為啟動/停頓鍵，用于啟動或停頓電機運轉(zhuǎn)；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設(shè)定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉(zhuǎn)速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個LED發(fā)光管，一個用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態(tài)。使用80C31的雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路圖見附頁1所示。4.2.3電流測量和速度給定值輸入本系統(tǒng)使用ADC08088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4-4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。對于需要較高精度的調(diào)速控制系統(tǒng)，可采用10位或者更高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。但這時，一方面本錢將較高，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。4.2.4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，通過承受器將該數(shù)碼送入計算機。絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角，假設(shè)需得到轉(zhuǎn)速信號，必須對轉(zhuǎn)角進展微分處理。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4-5所示，當電動機旋轉(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4-5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)速的上下，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4-6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4-6區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列假設(shè)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)器對頻率為f0的高頻時鐘脈沖進展計數(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，有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時，兩個計數(shù)器才同時允許開場或者停頓計數(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)速的測量等等。4.2.5晶閘管控制晶閘管觸發(fā)采用80C31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。這里由于80C31的P1口在復(fù)位后初態(tài)為1，故采用0為有效輸出位，以保證初態(tài)時晶閘管處于截止狀態(tài)。同步校正由80C31的定時器T0和外部中斷實現(xiàn)。此同步電路是由LM339構(gòu)成的過零對比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)壓管削波后輸入對比器LM339，對比器輸出再經(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。第5章調(diào)節(jié)器的設(shè)計5.1對象的數(shù)學(xué)模型單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)造如圖5-1所示。圖5-1單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)造其中UGn為速度給定，UGi為電流給定，UFn為速度反響，UGi為電流反響，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220V,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)對式〔5-1〕取拉式變換得ID(s)1/RεUDO(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+2×0.18Ω+1.88Ω+1.6Ω=8.76ΩLε=LD+2LT+LP=0.048H+0.0313H+2×0.017H=0.11HTD=Lε/Rε=0.11H/8.76Ω=0.013s直流電動機軸上的力矩方程為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〔ID-IF〕(s)Tms(5-5)n=E/Ce(5-6)其中，M為電動機電磁力矩；MFZ為電動機軸上的負載力矩；IFZ為電動機負載電流；n為電動機轉(zhuǎn)速；Cμ為電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ce為電動機電勢常數(shù)；GD2為拖動系統(tǒng)整個運動局部折算到電動機軸上的飛輪慣量；Tm=〔GD2Rε〕/〔375CμCe〕為拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)。由式(5-2)、(5-5)和(5-6)可以作出電動機構(gòu)造框圖，如圖5-2所示。IFZUDO1/RεIDRεE1+TDs+1TmsCen-圖5-2電動機構(gòu)造圖由圖5-2可以立即得到電動機數(shù)學(xué)模型：〔5-7〕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)構(gòu)造框圖,如圖5-3所示。圖5-3電流環(huán)構(gòu)造圖由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上到達飽和限幅值，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。因此，可以認為反電勢對電流產(chǎn)生的影響很小，令△E=0，則圖5-3通過構(gòu)造圖變換，簡化為圖5-4。圖5-4簡化的電流環(huán)構(gòu)造圖5.2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計〔1〕閘管傳遞函數(shù)一般三相橋式電路晶閘管最大失控時間在0∽0.0033s之間隨機分布,取其平均值,即TSCR=0.0017s。本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器最大輸出電壓UKm=2.54V,晶閘管最大輸出整流電壓為UDO=245.34V則KSCR==96.59所以晶閘管傳遞函數(shù)為〔5-8〕〔2〕電流反響傳遞函數(shù)電流反響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〔5-9〕注意到TSCR和TLF都很小，可以把他看成是小慣性群，即Tε=TSCR+TLF=0.0017s+0.0016s=0.0033(s)。這樣晶閘管傳遞函數(shù)和電流反響傳遞函數(shù)可并為一慣性環(huán)節(jié):20.470.0033s+1將已求結(jié)果代入圖5-4,即可得到電流環(huán)最簡單構(gòu)造圖,如圖5-5所示。圖5-5電流環(huán)最簡構(gòu)造圖其中,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)(3)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)性能,我們采用二階最正確來設(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)二階最正確工程設(shè)計方法，則有τi=2KTε=2×2.34×0.0033s=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=Ck-1+(K1+K2)ek-K1ek-1〔5-14〕其中,K1=K0-K,TLT=0.84-64.89×0.001=0.78K2=K,TLT=64.89×0.001=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〕由式〔5-15〕和式〔5-16〕可立即作出程序框圖,由計算機求解。5.2.2電流環(huán)的穩(wěn)定性分析由圖5-4可以作出電流環(huán)采樣系統(tǒng)框圖,如圖5-6所示。圖5-6電流環(huán)采樣系統(tǒng)框圖則電流環(huán)閉環(huán)的脈沖傳遞函數(shù)為〔5-17〕上式中DLT(z)為電流調(diào)節(jié)器的Z變換,為電流環(huán)控制對象的Z變換,為調(diào)節(jié)對象和電流反響傳遞函數(shù)積的Z變換,即則有由上式可得特征方程為z4–3.00z3+3.32z2–1.59z+0.27=0〔5-18〕由計算機求解式〔2.18〕的根為z1,2=0.83±0.13jz3=0.92z4=0.41從而可知z1、z2、z3、、、z4S四個根的絕對值均小于1,它們都在單位圓內(nèi),因此電流環(huán)是穩(wěn)定的。5.2.3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。5.2.4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)≈0.001s5.3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,當突加速度給定后,ST輸出立即到達限幅值,ST輸出就是LT的給定,因而系統(tǒng)以最大加速度升速。但是此時速度反響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)，速度繼續(xù)上升，只有當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、三階最正確工程設(shè)計是以頻率法為根基，傳遞函數(shù)為工具，零初始條件為前提的，因而按二、三階最正確來設(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最優(yōu)控制來設(shè)計速度調(diào)節(jié)器。按二次型性能指標最優(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)，即當速度給定突然變?yōu)榱銜r尋找制動過程最優(yōu)控制律。5.3.1一般設(shè)計方法假設(shè)給定為一般定常線性系統(tǒng),其狀態(tài)方程為:〔5-19〕其中A為n×n常陣，B為n×m常陣，試確定使性能指標最優(yōu)泛函為〔5-20〕的控制規(guī)律U*(t)。其中Q為n×n正定或半正定對稱陣,R為m×m正定或半正定對稱陣。可以證明，當系統(tǒng)完全能控是，即能控矩陣式(5-21)的秩為n時，問題一定有解，[B┊AB┊A2B┊┈┈An-1B]〔5-21〕且為U*(t)=-KX(t)〔5-22〕其中K=R-1BTP〔5-23〕上式為狀態(tài)反響陣，P是n×n對稱陣,它是Riccati代數(shù)方程-PA-ATP+PBR-1BTP-Q=0〔5-24〕的解。由于式(5-24)是矩陣方程，計算量大，為此設(shè)計一個專用程序，由A，B，Q，R陣求K陣。將式(5-24)改寫為P〔A-BR-1BTP〕+〔A-BR-1BTP〕TP=-〔PBR-1BTP〕-Q〔5-25〕先給定一個初值P0，代入公式(5-25)，求出新值P1，不斷迭代，直到P0和P1幾乎相等為止，即其中E為迭代偏差，其程序框圖如圖5-7所示。圖5-7求狀態(tài)反響陣K程序框圖5.3.2速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計〔1〕速度環(huán)的狀態(tài)方程由圖5-5,再考慮參加給定濾波器〔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)被控對象構(gòu)造圖如圖5-8所示。圖5-8速度環(huán)被控對象構(gòu)造圖設(shè)狀態(tài)量:y=x1=nx2=Idx3=Ugi則有:相應(yīng)狀態(tài)方程為:其中:把A,B代入式(5-21)得[B┊AB┊A2B]=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q11?1，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)反響陣為K=R-1BTP=[0.035,0.018,1.87]〔2〕速度調(diào)節(jié)器的求取引入狀態(tài)反響后圖5-8可以畫成如圖5-9所示的框圖。圖5-9速度環(huán)狀態(tài)反響框圖由于本設(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。圖中KSF是對1000r/min時，假設(shè)令USF=2.4V,則KSF=2.4V/〔1000r/min〕=0.0024V·min/r。假設(shè)考慮速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器,并參加比例微分負反響,其構(gòu)造圖如圖5-11所示。圖5-10速度環(huán)狀態(tài)反響簡化圖圖5-11PI調(diào)節(jié)器加比例微分負反響框圖對比圖5-10和圖5-11可得〔5-26〕對比式(5-26)兩邊系數(shù)有：KP=0.97,τ=0.063,Tf=0.0070,相應(yīng)速度調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為(5-27)比例微分反響的傳遞函數(shù)為Gfn〔s〕=1+Tfs=1+0.0070s(5-28)由式(5-27)可得到速度調(diào)節(jié)器的離散化方程和差分方程為〔5-29〕〔5-30〕由式(5-28)可得比例微分反響差分方程為Ufn〔k〕=USF〔k〕+0.73[USF〔k〕-USF〔k-1〕]〔5-31〕〔3〕速度環(huán)穩(wěn)定性分析考慮反電勢的影響,數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖5-12所示。其Gs〔s〕由圖5-13求之，它實際上是速度環(huán)的控制對象。圖5-12數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖圖5-13速度環(huán)被控對象構(gòu)造圖由圖5-12可得到系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為因而得到系統(tǒng)特征方程為z4–1.34z3+0.58z2–0.24z+0.0026=0〔5-32〕利用計算機求解式(2.32)得到的根為z1,2=0.165±453jz3=0.998z4=0.121由此可見,全部根都在單位圓內(nèi),所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。〔4〕速度環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差分析由圖5-32可得到系統(tǒng)誤差脈沖傳遞函數(shù)為當給定為單位階躍輸入時有當給定為速度輸入時有當給定為加速度輸入時有〔5〕速度環(huán)采樣周期的選擇速度環(huán)的控制對象傳遞函數(shù)為則有:我們選擇速度環(huán)采樣周期為0.0033～0.0096s。第6章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計本調(diào)速系統(tǒng)的全部軟件包括主程序、子程序以及中斷處理程序，系統(tǒng)軟件設(shè)計主要采用模塊式構(gòu)造設(shè)計。6.1系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖圖6-1主程序流程圖如圖6-1所示的主程序流程圖，它完成主程序完成系統(tǒng)的各種功能初始化操作，包括8031的片內(nèi)I/O存放器、各種狀態(tài)和標志位、各個控制數(shù)據(jù)等的初始化，然后循環(huán)定時執(zhí)行速度環(huán)和電流環(huán)的計算，并完成鍵盤輸入、顯示掃描等各種功能。6.2數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序設(shè)計在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。當輸入時誤差函數(shù)e(t)、輸出函數(shù)是u(t)時，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下〔6-1〕式中Kpi為PI調(diào)節(jié)器比例局部的放大系數(shù)；t為PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。式子〔6-1〕的時域表達式可寫成〔6-2〕其中，KP=Kpi為比例系數(shù)，KI=1/t為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為〔6-3〕其中，Tsam為采樣周期。式〔6-3〕表述的差分方程為位置式算法，u(k)為第k拍的輸出值。由式子看出，比例局部只與當前的偏差有關(guān)，而積分局部則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式PI調(diào)節(jié)器的構(gòu)造清晰，P和I兩局部作用清楚，參數(shù)調(diào)整簡單明了。為了安全起見，常須對調(diào)節(jié)器的輸出實行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對u限幅，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值um,當u(k)>um時，便以限幅值um作為輸出。而位置式算法必須要同時設(shè)積分限幅和輸出限幅。帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)程序框圖如圖6-2所示。6.3數(shù)字濾波器程序設(shè)計在檢測得到的轉(zhuǎn)速信號中，不可防止地要混入一些干擾信號。在數(shù)字測速中，硬件電路只能對編碼器輸出脈沖起到整形、倍頻的作用，往往用軟件來實現(xiàn)數(shù)字濾波。數(shù)字濾波具有使用靈活、修改方便等優(yōu)點，它可以用于測速濾波，也可以用于電壓、電流檢測信號的濾波。常有的數(shù)字濾波主要有三種，它們分別是算數(shù)平均值濾波、中值濾波和中值平均濾波。本次設(shè)計采用中值平均濾波。中值平均濾波首先要設(shè)有N次采樣值，排序后得X1<X2…<XN，去掉最大值XN和最小值X1，剩下的取算術(shù)平均值即為濾波后的Y值中值平均濾波是中值濾波和算術(shù)平均濾波的結(jié)合，即能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復(fù)雜。程序框圖可由上式得出，在此略。圖6-2位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序框圖6.4中斷處理程序設(shè)計6.4.1電流環(huán)中斷服務(wù)程序的設(shè)計它主要完成電機索零運算、電流調(diào)節(jié)器PI運算、輕載時電流自適應(yīng)的運算。設(shè)系統(tǒng)電流斷續(xù)臨界值為I0，反響電流采樣值為I，則程序框圖如圖6-2所示。圖6-2電流環(huán)中斷服務(wù)程序簡化框圖〔1〕鎖零單元程序設(shè)計為防止電機慢速爬行，一般模擬晶閘管都設(shè)有鎖零單元。這里用計算機軟件來實現(xiàn)。首先檢查下速度給定UGn和速度反響UFn是否為零或者小于某臨界值n0，假設(shè)不為零系統(tǒng)正常運行。假設(shè)為零，使電流調(diào)節(jié)器輸出為負電壓，把晶閘管調(diào)速系統(tǒng)推向逆變，迫使電動機停頓〔爬行〕，其程序框圖如圖6-3所示。圖6-3鎖零程序框圖〔2〕電流自適應(yīng)程序設(shè)計在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)一般是按電樞回路電流連續(xù)的情況來選取，然而當系統(tǒng)輕載工作時，如果平波電抗器的電感量不太大，就會出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。當電樞電流斷續(xù)時，晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的機械特性和電流連續(xù)相比有明顯的差異，其動態(tài)性能也發(fā)生兩項重要變化。〔a〕由于電流斷續(xù)時整流裝置外特性變陡，其等效內(nèi)阻大大增加，因此，使電流環(huán)調(diào)節(jié)對象總放大倍數(shù)下降。〔b〕當電流斷續(xù)時，由于電樞回路電磁時間常數(shù)TD存在，從整流電壓UDO的突變到平均電樞電流ID響應(yīng)不可能瞬間完成，而是按指數(shù)規(guī)律逐漸變到穩(wěn)態(tài)值。當電流斷續(xù)時情況不同，由于電感對電流的延緩作用已在一個波頭完畢，平均電壓突變后，下一個波頭的平均電流便也立即隨電壓變化。因此，從整流電壓和電流平均值的關(guān)系上看，相當于TD=0，也就是說，在平均整流電壓和電流之間，電流連續(xù)時是慣性環(huán)節(jié)，電流斷續(xù)時就成了比例環(huán)節(jié)。考慮到上述兩項變化，平均整流電壓與平均整流電流間的傳遞函數(shù)由連續(xù)的變成斷續(xù)時的，其中R，是斷續(xù)時電樞回路的等效電阻，如果電流調(diào)節(jié)器已按連續(xù)情況設(shè)計好了，其傳遞函數(shù)為為了使系統(tǒng)在電流斷續(xù)時具有同樣的動態(tài)性能，只有讓調(diào)節(jié)器構(gòu)造和參數(shù)也隨著調(diào)節(jié)對象傳遞函數(shù)變更而改變才行，假設(shè)電流環(huán)其他局部傳遞函數(shù)沒有變化則電流斷續(xù)時電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)應(yīng)滿足以下關(guān)系：考慮到電流連續(xù)時通常選擇TD=τ1,則有由此可見,電流斷續(xù)時要求電流調(diào)節(jié)器是一個積分環(huán)節(jié),因而電流斷續(xù)時要改變電流調(diào)節(jié)器的構(gòu)造,使它和電流連續(xù)時相適應(yīng),使其動態(tài)性能根本和電流連續(xù)時一樣,這就稱為電流自適應(yīng)控制。假設(shè)用計算機軟件來實現(xiàn)電流自適應(yīng)控制，只要判斷主回路電流是否連續(xù)即可，假設(shè)電流連續(xù)就按PI算法，假設(shè)電流斷續(xù)就按I算法。按積分算法其差分方程為Cn=Cn-1+K3en-1設(shè)II單元放電流反響值；IO單元放電流斷續(xù)臨界值，則其程序框圖如圖6-4所示。圖6-4電流自適應(yīng)