毕业设计-基于PIC单片机的直流调速系统设计.docx

lanzhouuniversity of technology毕业设计(论文)题 目 基于pic单片机的直流调速系统设计 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 答辩日期 2兰州理工大学毕业设计摘 要近年来，由于微型机的快速发展，国内外交直流系统数字化已经达到使用阶段。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。本设计介绍的是用一台75kw的直流电动机，pic16f877单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并且具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。关键词直流调速；pic16f877；双闭环。abstractin recent years, domestic diplomacy dc system due to the rapid development of microcomputers, digital has reached the stage to use. as the microprocessor as the core digital control system hardware circuit high degree of standardization, low production costs, and not affected by the device temperature drift. the control software logic and complex operations can be different from the general linear regulator optimized, adaptive, nonlinear, and intelligent control law. the microcomputer control system in all aspects of performance far superior to the analog control system and more widely.this design introduces a 75kw dc motor, constitute a pic16f877 microcontroller digital dc speed control system. feature is replaced with single-chip analog triggers, current regulator, speed regulator and logic switching hardware. finally, the software programming. real-time control results show that the digital dc speed control system to achieve a constant speed adjustment of the current and speed closed-loop, and has a simple structure, high control accuracy, low cost, easy promotion, but the performance is better than analog dc tune speed system, allowing the practical application to the production life, to meet the needs of modern production.keyword dc speed control； pic16f877； double closed loop目 录摘要abstract第一章 绪论11.1 课题背景 11.2 数字化直流调速系统的发展状况 11.3调速系统实现数字化的必要性21.4设计任务2第二章 方案比较与选择32.1直流调速用可控直流电源 32.2方案比较32.3 控制系统结构32.4 数字控制双闭环逻辑无环流可逆调速系统4第三章 双闭环逻辑无环流调速系统的分析63.1直流调速的基本原理63.2单闭环直流调速系统73.2.1闭环调速系统的组成及其静特性73.2.2开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系 83.2.3单闭环调速系统的动态数学模型93.3单环无静差调速系统 113.4转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性123.4.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成123.4.2转速、电流双闭环调速系统的静特133.4.3各变量的稳定工作点和稳态参数计算143.5双闭环直流调速系统的动态性能分析143.5.1双闭环直流控制系统的起动过程分析143.5.2 动态抗扰性能分析163.5.3转速和电流两个调节器的作用 163.6逻辑无环流可逆调速系统 173.6.1逻辑控制无环流可逆调速系统的组成和工作原理173.6.2无环流逻辑控制环节17第四章 pic16f877单片机概述194.1单片机的发展和应用194.1.1单片机的历史发展概况194.1.2单片机发展趋势194.1.3单片机的应用领域 204.2 pic16f877单片机简介214.2.1 pic16f877单片机的内部结构214.2.2 pic16f877单片机的引脚说明25 4.2.3 pic16f877单片机存储器概述31第五章 系统的硬件设计 335.1三相全控桥数字触发器设计335.2光电编码盘码及mt法进行测速设计365.3同步脉冲产生电路与脉冲功放电路设计385.3.1同步脉冲产生电路 385.3.2 脉冲功放电路395.4 扩展电路a405.4.1 pcf8574简介 405.4.2 74ls07简介 405.5单片机的键盘与led显示接口电路设计 415.6单片机的时钟电路与复位电路设计425.6.1单片机的时钟电路425.6.2单片机的复位电路 435.7直流电源设计445.8系统动态参数计算455.8.1采样周期的选择455.8.2数字pi调节器 455.8.3电流环调节器设计及离散化 465.8.4速度环调节器设计及离散化 46第六章 系统的软件设计486.1系统软件流程图486.1.1主程序设计486.1.2 m/t法测速软件设计496.1.3 m/t测速及速度环中断服务程序 506.1.4 高分辨数字触发器程序框图 506.1.5计算同步脉冲信号n及电流环中断程序 526.2系统软件程序清单 53第七章 参考文献57总结58附录59英语原文59中文翻译65致谢68第一章 绪论1.1课题背景 近年来，由于以下三方面的原因，推动了电力拖动控制系统的迅猛发展。第一是控制理论的发展，出现了最优控制、自适应控制、智能控制等，相应的拖动控制系统也在实践中逐步形成。其二是电子器件的发展，带来了拖动控制系统组成结构的重大变化。过去采用交流电动机带动直流发动机来实现电力电子模块的平滑调速，而直流发动机的励磁又采用交磁功率放大机、磁放大器进行控制，由于这样的系统存在一系列的缺点，因此在50年代又出现了水银整流器静止装置，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术上也显示了很大的优越性。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。其三是80年代计算机技术和通信技术的发展，开创了拖动控制系统蓬勃发展的新时代。8位一32位单片机的相继出现并应用于控制系统，使其结构更加简单，功能更强、可靠性更高。从传动系统来讲，交流调速取代直流调速是技术发展的必然趋势，但综观全局，由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流调速系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性，所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂，海上钻井平台等，直流调速仍将处于重要地位。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，随着单片机控制技术的发展，直流传动系统已经广泛使用单片机，实现了全数字化控制，由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，直流传动控制采用单片机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。 直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。与直流pwm调速系统相比较，晶闸管相控直流调速系统更适用于高转速、大容量的场合。据估计，在交流调速冲击直流调速的形势下，全数字直流调速系统的出现，延迟了直流电气传动被取代的进程大约十到二十年。1.2数字化直流调速系统的发展状况从80 年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速装置已发展到一个很高的技术水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是由于采用了16位（或32位）微处理器及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外已得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势，全数字化直流调速装置不断推出，为工程应用提供了优越的条件。目前，国外主要电气公司如瑞典的abb公司，德国的西门子公司，aeg公司，日本的三菱公司、东芝公司，美国的ge公司、西屋公司等，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选用。全数字直流调速装置的普及发展，使直流电机拖动进入了一个新的时期，这些装置给出丰富的控制软件，供用户重新组态和整定参数。应用这类装置，人们完全可以实现一些以前未有过的新的控制方法，使系统性能得到进一步的提高。根据目前的发展，展望未来，全数字直流调速系统必将向高性能指标方面发展，朝调试手段先进，控制，通讯功能智能化的方面迈进，尤其是它的动态性能指标还可以得到进一步的提高与交流传动展开全面竞争。1.3调速系统实现数字化的必要性综上所述，微机控制的电气传动系统有以下的优点：1)数字调速系统的控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，其结构配置和参数调整简单、工作稳定、不受环境的影响，且具有很强的自保护功能，因而使传动装置不仅具有很大的灵活性而且具有很高的可靠性。2)数字控制不仅可以实现诸如数字给定和比较，数字pi运算、数字触发和相位控制、电枢电流和励磁、速度的控制，逻辑切换和各种保护功能，而且在系统硬件结构不变时，很容易引入各种先进的控制规律。如非线性控制、最优控制和自适应控制等，自动适应不同控制对象和控制规律的要求，实现最佳控制。因此，设备的通用性强，易于实现硬件设备的标准化。3)数字传动装置控制器内有多种形式的存储器，其容量可以不断增大，能存储大量的实时数据，实现系统的监控保护、故障自诊断、报警显示、波形分析、故障自动复原等多种功能。4)具有很强的通信功能.不仅可与上一级计算机通信，而且在与直流装置之间、plc之间、交流传动装置之间都可以通过局域网进行快速的数据交换，分布式计算机控制系统，实现生产过程的全局自动化。5)数字控制不仅简化了系统的硬件结构，使维修方便、提高系统运行的可靠性，而且可以方便地对外部或内部信息实现数字滤波，提高系统的抗干扰能力。1.4设计任务 本设计旨在完成一个基于pic16f877单片机的直流调速系统的设计。该系统具有速度的键盘设定、速度显示、故障检测和保护等功能；主要由晶闸管相控整流器、单片机系统、检测电路、驱动电路、按键输入、数码显示、逻辑无环流控制器等电路组成。第二章 方案比较与选择2.1直流调速用可控直流电源对于直流电动机而言，它的主要调压调速方法有两种1）使用脉宽调制晶体管功率放大器，即pwm调压调速控制2）使用晶闸管可控整流装置2.2方案比较1）pwm调压调速控制电源装置采用pwm调压，利用的基本思想是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同。即惯性环节的输出响应相同。spwm波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的pwm波形要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。pwm可逆电路工作原理为正反组分别对电动机供电，实现电动机的正反转运行。首先，它需要先将交流转换为直流，再通过h桥式电路直流斩波，调节输出电压的平均值。这里同样需要逻辑控制正反组ibgt的导通和关断，以免发生直流直通短路。这种方法虽然可以实现，但实现相对复杂，而且制动控制较为复杂，关键是igbt容量相对晶闸管容量小，限制了电动机的容量不能做的很大。2）使用晶闸管可控整流装置调压调速通过晶闸管的导通角的移相，改变触发角，从而改变电压的导通时间，改变电压的平均值。电路特点：电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。其次，整流装置是src，容量相对igbt而言，比较大，电动机的容量就可以做得相对较大，可靠性也较高，技术成熟等优点。设计的对象电机系统的容量是75kw，可以很好地满足容量的要求，再次，触发电路也比较简单，有现成的集成触发电路，设计起来相对简单。不过由于也存在正反组问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。综上所述，综合考虑两者的优缺点，可调电源电路采用后者，使用晶闸管可控整流装置调压调速。2.3 控制系统结构1）开环结构开环控制系统是系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。控制器通常具有功率放大的功能。同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，同时也比较经济。开环控制系统的缺点是控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合，如步进电机的控制，简易电炉炉温调节，水位调节等。2）单闭环结构单闭环控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。3）双闭环结构双闭环直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效地加以抑制。采用转速负反馈和pi调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节时专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）首先的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）位允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使他们作用在不同的阶段。2.4 数字控制双闭环逻辑无环流可逆调速系统系统采用单片机控制，可使实现全数字化，使结构简单，可靠性提高。采用m/t法反馈调节及高分辨率的数字触发器，使系统稳态控制精度达到较高水平。这种调速系统的基本做法是：利用改变可控硅的控制角来调节电动机的供电电压或励磁电流，从而达到平滑调速的目的。如图2.1给出了单片机组成的电动机调速系统的原理图。图2.1 电动机调速系统的原理图图2.1给出了用单片机控制的全数字直流调速系统的原理图，该系统的控制方案是按照“逻辑无环流双闭环晶闸管电枢可逆系统”设计的。由图所示，系统主要由三部分组成：(1)主回路由两组反并联的三相全控桥晶闸管整流电路、电动机d、平波电抗器l和光电码盘测速装置等组成。(2)系统硬件部分由ad转换器、脉冲功放器、同步信号形成单元和测速用光电码盘等组成。(3)用pic16f877单片机实现速度调节、电流调节、反馈滤波、无环流逻辑切换、六相同步定相脉冲的形成和高分辩率数字触发等功能。系统的工作原理：数字给定值与转速反馈值进行数字比较，得偏差信号en，经速度调节器st进行数字pi运算，输出作为电流环给定值与电流反馈比较得偏差信号，经电流调节器lt进行数字pi运算，lt输出作为数字触发器得脉冲移相信号，数字触发器将转换成对应控制角为的晶闸管脉冲，由pic16f877单片机t1进行定时，经i/o口输出的双窄脉冲通过功放，使之有足够的强度，能够可靠的触发晶闸管。数字无环流逻辑切换单元的任务是，根据反映转矩极性的是否改变符号，在电流反馈为零的条件下，经过程序的分析和判断，实现指挥电子开关s2和s3的开或闭，以便决定有数字触发器输出的脉冲是送到i桥还是ii桥的晶闸管。第三章 闭环逻辑无环流调速系统的分析3.1直流调速的基本原理调速即速度控制，是指在直流传动系统中人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。直流电动机转速和其他参数之间的稳态关系可表示为： （3-1）式中 n转速（r/min)；u电枢电压(v）；i电枢电流（a）；r电枢回路总电阻（）；励磁磁通（）；由电机结构决定的电动势常数在上式中，是常数，电流i是由负载决定的，因此调节电动机的转速有三种方法：1）弱磁调速：通过改变励磁线圈中的电压，使磁通量改变（增大，磁通量增大，反之亦然） 特点：保持电源电压为恒定额定值，通过调节电动机的励磁回路的励磁能力，改变电动机的转速。这种调速方法属于基速以上的恒功率调速方法。在电流较小的励磁回路内进行调节，因此控制方便，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易实现，而且更重要的是可以实现无极调速，但由于电动机的换向能力有限以及机械强度的限制，速度不能调节太高，从而电动机的调速范围也就受到限制。假设系统采用弱磁调速。由弱磁调速方法的特点可以看出：功率损耗小，特别是用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易实现，而且更重要的是可以实现无极调速，为生产节约了生产成本。这是它的优点。但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行，只能在基速以下运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调的太高，这就限制了它的调速的范围要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求大约在750r/min，转速实现可逆，很明显这种调速方法难以做到这一点，必须要配合其他的控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有的优点。2）串阻调速：在回路中串入一个电阻（大小根据实际需求），使电机特性变软。 特点：在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢中串入不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即斜率不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法。这种方法简单，容易实现，成本低，但外串电阻只能是分段调节，不能实现无极调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性差，只能适应对调速要求不高的中小功率电动机。假设系统采用串阻调速。这种方法最大的优点就是实现原理简单，控制电路简单可靠，操作简便。这种调速属于基速以下的调速方法，可以达到生产工艺对速度的要求。但他对外串电阻只能是分段调节，不能实现无极调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制。3）调压调速： 特点：为保持他励直流电动机的磁通为额定值的前提下，电枢回路不串入电阻，将电枢两端的电压（电源电压）降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无极调速，而且低速运行时机械特性基本保持不变，所以得到的调速范围可以达到很宽，而且实现可逆运行。但对于可调的直流电源成本投资相对于其他方法较高。又由于电力电子技术的发展，出现了各种的直流调压方法，大概有以下两种：1） 使用晶闸管可控整流装置调压2） 使用脉宽调制晶体管功率放大器 假设系统采用调压调速的调速方法。这种可以获得与电动机固有机械特性相互平行的认为机械特性，调速方向是基速以下，只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无极调速，而且低速运行时机械特性基本保持不变，所以得到的调速范围可以达到很宽，而且实现可逆运行。3.2单闭环直流调速系统aupetgm3.2.1闭环调速系统的组成及其静特性+- 图3.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图 与电动机同轴安装一台测速发电机tg，从而引起与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器a，产生电力电子变换器upe所需的控制电压，用以控制电动机的转速。这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。其原理框图如图3.1所示假定1）忽略各种非线性因素，假定环境中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。2）忽略控制电源与电位器的内阻。这样，转速负反馈直流调节系统中各环节的稳态关系为电压比较环节 （3-2）放大器 （3-3）电力电子变换器 （3-4）调速系统开环机械特性 （3-5）测速反馈环节 （3-6）以上各关系中放大器的电压放大系数电力电子变换器的电压放大系数转速反馈系数（vmin/r）电力电子变换器理想空载输出电压（v）从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程 (3-7)其中，称作闭环系统的开环放大系数。 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。3.2.2开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系1：闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬的多在同样的负载扰动下，开环系统和闭环系统的转速降落分别为 (3-8) (3-9)它们的关系是 (3-10)2：闭环系统的静差率要比开环系统小得多闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 按理想空载转速相同的情况比较，则时， 3：如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围如果电动机的最高转速都是，而对最低速静差率的要求相同，那么，由调速范围、静差率和额定速降关系式可得开环时 (3-11)闭环时 (3-12)得出 (3-13)4：要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器上述三项优点若要有效，都取决于一点，即k要足够大，因此必须设置放大器。在闭环系统中，引入转速反馈电压后，若要使转速偏差小，就必须把压得很低，所以必须设置放大器，才能获得足够的控制电压。在开环系统中，由于和是属于同一数量级的电压，可以把直接当作来控制，放大器便是多余的了。5：所以开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系是：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬的多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，需增设电压放大器以及检测与反馈装置。3.2.3单闭环调速系统的动态数学模型为了分析系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递环数和动态结构图表示。建立系统动态数学模型的基本步骤如下：1） 根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程。2） 求出各环节的传递环数3） 组成系统的动态结构框图，并求出系统的传递环数。下面我们分别给出了闭环调速系统各环节的传递函数和闭环调速系统的传递函数。1：直流电机的传递函数额定励磁下他励直流电机的等效电路如图3.2所示：idudon, tetl+em图3.2 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路规定的正方向如图所示，假定主电路电流连续，则动态电压方程为 (3-14)忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为 (3-15)额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为和式中 tl包括电动机空载转矩在内的负载转矩（nm）； gd2电力拖动系统折算到电动机轴上的飞轮转矩（nm2）；cm额定励磁下电动机的转矩系数（nm/a），再定义下列时间常数tl电枢回路电磁时间常数（s），tm电力拖动系统机电时间常数（s），整理得出 (3-16)式中 负载电流（a），在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递环数 (3-17)电流与电动势间的传递环数 (3-18)将这两个传递函数的动态结构框图合在一起，并考虑到，即得额定励磁下直流电动机的动态结构框图，如图3.3所示1rtls+1rtms1cee ud0图3.3额定励磁下直流电动机的动态结构框图 由图可以看出，直流电动机有两个输入端，一个是施加在电枢上的理想空载电压ud0，另一个是负载电流idl。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。2：晶闸管变流器的传递函数根据我们电力电子所学的知识，知道其传递函数为3：比例放大器和测速发电机的传递函数 比例放大器的传递函数为： (3-19)测速发电机的传递函数为： (3-20)将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作是一个三阶线性系统。3.3单环无静差调速系统前面的转速负反馈单闭环调速系统总有静差是因为电压放大器为比例放大器，如果选用比例积分调节器（即pi调节器），pi调节器的输出由两个分量组成，一个是比例分量，一个是积分分量，它能随时间对输入信号的不断积累，当突加时，相当于放大倍数为的比例调节器，当不为零时，积分作用将不断作用下去，输出积累上升，直到限幅最大值；一旦，输出保持在此时的数值上，稳态时pi调节器的放大倍数是它本身的开环放大倍数，极大的开环放大倍数使系统基本无静差。积分控制可以使系统在偏差电压为零时保持恒转速运行，实现无静差调速，因此，采用比例积分调节器的闭环调速系统是无静差调速系统。带pi调节器的单环无静差调速系统的静态结构图如图3.4所示。udunun*1/cepiksunidrn(s)图3.4无静差调速系统的静态结构图无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想的情况下，稳态时，因而，,可以按下式直接计算转速反馈系数式中 转速反馈系数（vminr）；电动机调压时的最高转速（rmin）；相应的最高给定电压（v）；电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流计算出，pi调节器的参数和t可按动态校正的要求计算。如果采用准pi调节器，其稳态放大系数,由可以计算实际的静差率。上述带pi调节器的单环无静差调速系统，理论上是无差调速系统，但实际上由于调节器本身不是理想的，放大倍数不是无限大，且测速电机本身还存在一定的误差，所以仍然有静差，只不过系统的静差很小。3.4转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性3.4.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接，如图35所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器upe。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。asracrupemtgedfn图35 转速、电流双闭环直流调速系统 为了获得良好的静、动态特性，转速和电流两个调节器一般都采用pi调节器，这样就构成的双闭环直流调速系统。3.4.2转速、电流双闭环调速系统的静特性在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1：转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此(3-21)(3-22)由第一个关系式可得abo 图3.6双闭环直流调速系统的静特性从而得到如图所示静特性的ca段。与此同时，由于asr不饱和，从上述第二个关系式可知。这就是说，ca段特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2：转速调节器饱和这时，asr输出达到限幅值uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时.其中，最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。上式所描述的静特性对应于图中的ab段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果,则，asr将退出饱和状态。 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈其主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出,这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个pi调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好3.4.3各变量的稳定工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 (3-23)(3-24)(3-25)上述关系表明，在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，asr的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于和，或者说，同时取决于和。这些关系反映了pi调节器不同于p调节器的特点。p调节器的输出量总是正比于其输出量，而pi调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输出量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要pi调节器提供多么大的输出值，他就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数 (3-26)电流反馈系数 (3-27)两个给定电压的最大值和由设计者选定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。3.5双闭环直流调速系统的动态性能分析3.5.1双闭环直流控制系统的起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压un*由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如图3.7所示idmidt4t3t2t1noottiiiiii图3.7双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形由于在起动过程中转速调节器asr经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的、三个阶段。第阶段（0t1）是电流上升阶段。突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、都跟着上升，但是在没有达到负载电流以前，电动机还不能转动。当后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器asr的输入偏差的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，asr很快进入并保持饱和状态，而acr一般不饱和。第阶段（t1t2）是恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，asr始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势e也按线性增长，对电流调节系统来说，e是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当acr采用pi调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于第阶段（t2以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定转速时,转速调节器asr的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，asr输入偏差电压变负，使它开始退饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转矩，则,转速n才能达到峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在t3t4时间内，直到稳定。如果调节器参数整定的不够好，也会有一段振荡过程。在最后的转速调节阶段内，asr和acr都不饱和，asr起主导的转速调节作用，而acr则力图使尽快的跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：1）饱和非线性控制。随着asr的饱和与不饱和，整个系统处于完全不种的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。2）转速超调。当转速调节器asr采用pi调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。3）准时间最优控制。在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。3.5.2动态抗扰性能分析1：抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器asr来产生抗负载扰动的作用。2：抗电网电压扰动就单闭环调速系统的静特性而言，系统对他们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别 。负载扰动能够比较快的反映到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调节系统抑制电压扰动的性能要差一些。在双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通