bvzi%wyi数字式直流调速系统的研究及设计

1、数字式直流调速系统的研究及设计从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论 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。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属 一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器 :（1）常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引；

2、（5）可采用数字反馈来提高系统的精度；（6）容易与上一级计算机交换信息；（7）具有信息存储、数据通信的功能；（8）成测，转速检测，电源逻辑状态检测等部分。1.2课题的实际意义随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使调速控等功能，同时，数字系统通常具有较强的通信能力，通过选配适当的通信接口模板，可方便地实现主站（如上一级PLC或计算机系统 态参I以及实现如直流电动机磁化特性曲线的自动测试等，有利于缩短调试时间和提高控制性能。国外一些电气公司都有成系列统还是有模拟调速系统无法比拟的优点，技术更先进，操作方便。数字调速系统与模拟调速系统相对比，技术性能有如下优点：数量少，不易失效；（7）设定

3、值量化程度高，且状态重复率好；（8）放大器和级间耦合噪声很小，电磁干扰小；（9）调试即投现与单片机或PLC系统通信。由此，数字化将在未来的调速设备中得到大量应用。数字化是调速系统自动化的基础，特别是计本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由软件实现系统的功能，取代传统的双闭环调速系统。系 的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。2.1.1系统控压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流

4、器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电A/D转换直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的 电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三 积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管 调速系统。电机转速通过光电脉冲转换器的计数，再直接连到单片机。交流侧电流通过电流互感器的作用，经采样，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，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

5、矩,从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流(转矩)受到限制的条件下调速系统所能得到的 馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良 到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随 、电压记忆环节、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。其硬件结构如图2-1所示。图2-1单定的控制算法计算产生双脉冲，经并行

6、口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级，以控制晶闸管输出整流电压的 源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。3.1整流变压器的设变压器二次侧电压 U 2的计算U 2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角a路接线方式系数；U sh -变压器的短路比，对 10100KVA , U sk =0.050.1; I 2 /I 2N -变压器二次实际工作电流与额定 压J d与U d0之比，即B=U d /U d0 ；& 网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数； 根据设计要求，采用816,K I2 =0.

7、816考虑变压器励磁电流得： 3.1.3变压器容量的计算 S 1 =m 1 U 1 11; S 2 =m 2 U 2 I 2 ；S=1/2(S332 =1.9299 KVA 3.2晶闸管元件的选择 整流电路采用晶闸管全控桥电路。由于它具有单向导电性，不允许电流反向，对过Tm ,乘以(23)倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压U TN，即U TN = ( 23) U Tm =K考虑(1.52)倍的裕量=(1.52) K式中K= / ( 1.57 )-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：8,考虑1.52倍的裕量取。故选晶闸管的型号为。3.3直流调速系统的保护晶闸管有换相方便，

8、3.1过电压保护 不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基思想。 在同一部位同时用两种不同保护方法。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压变压器连接及阻容选值变压器接法 单相 三相、二次Y联结 三相二次D联结 阻容装置接法 与变压器二次侧并联 Y联结变压器励磁电流百分数I em取值：当S=110KVA时，对应的I em =41，所以I em取3。C x 6I em S/i选取电阻为ZB1-10的电阻。(2)直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护(.8-2.2) U D

9、C =(1.8-2.2) X230=414-460V 选 MY31-440/5 型压敏电阻。允许偏差 +10%(484V)。(3)晶闸管及整流二极抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11器,RJ-0.5。 3.3.2电流保护 快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装=3.11A选取RLS-10快速熔断器，熔体额定电流 4A。 3)电压和电流上升率的限制电压上升率：正相电压上升率 较大时线电压有升高，每一次换相都可能造成过大。限制 过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电

10、感，利用电通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电；交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电；直流侧负载突然短 心电抗器，L值可偏大些。在容量较小系统中，也可把接晶闸管的导线绕上一定圈数，或在导线上套上一个或几个磁环来代替 平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。1）算出电流连续的流脉动的电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流 电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量 式中一系数，与整流电路形式有关，根据本电路形式查得=1.045 电流最大允许机的磁极对数；计算系数。一般无

11、补偿电动机取812,快速无补偿电动机取 68,有补偿电动机取56。本设计中取=3.9、 =6所以=0.248mH 4）实际串入电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量：N在三相桥式电路中取2平波电抗器的电感值，所以本电路选取 =6 mH作为平波电抗器的电感值。一般说来，均衡电抗器 和平波电抗器 分设的方案护电路原理图第4章控制电路设计 控制电路基本由单片机，触发电路，A/D转换，数据采集电路以及显示电路构成。8控制算法延时分别触发，达到整流的作用。触发脉冲存于80C51程序存储器中，当出发时间到，指针取出一个脉冲，光电隔离后 阳极两组。在触发时，采用双脉冲触发方式，每次两组各有一个晶闸管导

12、通。六个晶闸管的导通顺序为SCR1、SCR2、SCR；闸管为SCR1、SCR6,根据波形图可分析出各晶闸管的触发时刻（对应于控制角a =0 0 ）及触发顺序如图4-2所示。图4-2序，准确地向各个晶闸管发出触发脉冲。在控制触发时，有两种触发方法：绝对触发方法和相对触发方法。所谓绝对触发方法脉冲时刻，它用加长或缩短相邻两次触发脉冲之间的间距来改变控制角，在稳态时，这个间距等于60 0，控制角a改变时，该对于单相电路，均使用绝对触发方式。在三相全控桥式整流电路中，一般则常使用相对触发方式。综上本次设计使用相对触发定时器来完成触发脉冲输出。这样，须把角度转换成时间值。交流电的一个周期（对频率为50H

13、z为20ms）对应于360 0，故自线电压u ac的过零点），以此为基准点，校正触发第一对晶闸管VT1 , VT6的控制角。这可采用在每个周期用定时器计数全控桥式整流电路输出电压u d与控制角a有以下关系：u d =2.34Ecos a（4-3）其中E为电源相电压有效值。对的。如要求触发整流环节为一个放大系数为 K s的线性环节，则有： u d =2.34Ecos a =K s u k即有cos a =K s U k /2.34E= 角a min和最大控制输出u kmax有关系的常数。6式（4-4）即是a与u k的关系式。由它可算出对应于某一u k值的a值采用查表法或插值查表法来按u k值计算

14、T a值。4.1.4脉冲分配表 在触发六个晶闸管时，要按照图4-3的顺序，依次1脉冲分配表（0有效）单元地址数据（由I/O 口输出）被触发晶闸管 M M+1 M+2 M+3 M+4 M+5 X X 0 1 1 1 1 0 系统得采样周期比较快，计算和控制任务也比较繁忙，因此需要使用高性能的单片机。对于用于轧机传动等要求响应快、精度系统，可完成调速系统所需的数据采集、数据计算、控制输出等功能。对于快速性和控制精度要求较低的调速系统，可选用高能，非常适合于调速控制系统。7综上，本系统采用Inter系列中的80C51单片机。4.2.1电流测量和速度给定值输入本系图4-3电流测量框图 如图4-4所示，

15、交流电流通过电流互感器变成05V电压信号，经整流和滤波后加到 ADC0808的定值。8对于需要较高精度的调速控制系统，可采用10位或者更高分辨率的 A/D转换芯片。但这时，一方面成本将较高，了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中，转速的方向也是不可缺少的。不过模拟测速方法的精度不够高，在低速 动码盘旋转，便发出转速或转角信号。旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二 4-斫示，当电动机旋转时，码盘随之一起转动。通过光栅的作用，持续不断地开发或封闭光通路，因此，在接收装置的输出端 发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，则两组脉冲序列

16、 A和B的相位相差90 0，如图4-5所示。正 TOC o 1-5 h z 器光栅数有1024、2048、4096等。采用倍率电路可以有效地提高转速分辨率，而不增加旋转编码器的光栅数，一般多采用四倍 法测速。把M 1除以T c就得到了旋转编码器输出脉冲的频率f 1 =M 1 /T c，所以又称频率法。电动机每转一圈共产生Z常值因此转速n正比于脉冲个数 M 1。高速时M 1大，量化误差较小，随着转速的降低误差增大，转速过低时M 1将小于算转速，称为T法测速。在这里，测速时间缘于编码器输出脉冲的周期，所以又称周期法。在T法测速中，准确的测速时间T速把M法和T法结合起来，既检测 Tc时间内旋转编码器

17、输出的脉冲个数M 1 ,又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数冲计数器同时开启与关闭，以减少误差，只有等到编码器输出脉冲前沿到达时，两个计数器才同时允许开始或者停止计数。广泛应用的一种测速方法。综上所述，本系统的速度测量采用数字M/T法测速。其中利用T 1作为定时器，计时T c时间;发采用80C51的定时器T0实现。每次把T 的补码写入T0中，在T0溢出时，转到T0中断处理程序，按脉冲分配表从P，TIL117光隔离，从LM386低频功率放大器得到最后的输出脉冲，这样可以提高输出脉冲上升沿陡度，最后此脉冲去触发对应 电路是由LM339构成的过零比较器电路和一个光电耦合器及一个反相器组成的。交流电源

18、线电压Vac经变压器变压，稳压管削第5章 调节器的设计本章主要设计电流调节器和转速调节器，并通过软件来实单片机控制直流调速系统结构如图5-1所示。图5-1单片机控制直流调速系统结构 其中U Gn为速度给定，U Gi为电流给 型，额定功率.1KW，额定电压220V，额定电流6.58A,额定转速1000r/min,励磁电压220V,运转方式连续。 参数实测数据为：R T =0.18 整流变压器电感：L T =0.017H单片机控制直流调速系统被控对象是直流电动机，由图5-1可知：1(5-2)其中，R &=RD+2R T +R P +Rr,RR为晶闸管重叠角等效电阻。R &、L &、T D的数值依次

19、为矩方程为 M - MFZ= C 口 ID - C 口 IFZ = (GD 2 / 375) (dn /dt)(5-3) I D - I FZ = (GD 2 / 375 C 口 )-(5-6)其中，M为电动机电磁力矩； M FZ为电动机轴上的负载力矩； I FZ为电动机负载电流； n为电动机转 动机数学模型：(5-7) 5.2电流调节器的设计及采样周期的选择 确定了被控对象电动机的数学模型，很变化很缓慢。因此，可以认为反电势对电流产生的影响很小，令E=0，则图5-3通过结构图变换，简化为图 5-4。图5-4简最大起动电流为11.3A,而速度调节器输出限幅为 2.4V,则K LF = 2.4V

20、/11.33A = 0.212V/A,其传递函数为(5-9) 注0.470.0033s + 1将已求结果代入图5-4,即可得到电流环最简单结构图，如图5-5所示。 图5-5电流环最简结构图流调节器。令电流调节器传递函数为(5-11)根据二阶最佳工程设计方法，则有Ti = 2KT = 2X 2.34 X 0.0033=散化方程(5-13)差分方程： C k =C k-1 +(K 1 +K 2 )e k -K 1 e k-1(5-14) 其中,5-15)C k =C k-1 +0.84e k - 0.78e k-1(5-16) 5.2.2 电流环在阶跃下的稳态误其传递函数为则应选择的采样周期为T

21、LT = 1/4min(T D , T )= 1/4min(0.013s,0.0033s) 0.003.S转速Ufn，则ST仍然处于饱和限幅，故速度环工作在开环状态，速度继续上升，只有当U gn v U fn时，ST才退出饱和限幅，最佳来设计速度调节器就成问题。为此，我们提出按二次型性能指标最优控制来设计速度调节器。按二次型性能指标最优设计给定突然变为零时寻找制动过程最优控制律。(1)速度环的状态方程由图5-5,再考虑加入给定滤波器(为了减少超调量)结构图如图5-8所示。图5-8速度环被控对象结构图设状态量：y=x 1 =nx 2 =I d即慈1 = n提出快速要求，对其他两个状态变量无要求，

22、故Q作如下选择。q 11不能选择过大，否则使系统稳定性下降，,1.87 (2)速度调节器的求取 引入状态反馈后图5-8可以画成如图5-9所示的框图。12 图5-9速度环状态反馈框图 K SF =2.4V / (1000r/min ) = 0.0024V min/r。若考虑速度调节器采用 PI调节器，并加入比例微分负反馈,其结构图如图5-11 数为 (5-27)比例微分反馈的传递函数为 G fn (s) = 1 + T f s = 1 + 0.0070s(5-28)由式(5-27)可得到速度调(3)速度环稳定性分析考虑反电势的影响，数字直流调速系统框图如图5-12所示。其G s (s)由图5-1

23、3求之，它实际上z + 0.0026 = 0(5-32) 利用计算机求解式(2.32)得到的根为 z 1,2 = 0.165 453j z 3 = 0.998 z 4 = 0.121 由此输入时有(5)速度环采样周期的选择速度环的控制对象传递函数为则有：我们选择速度环采样周期为0.00330.0096s。如圏-1所示的主程序流程图，它完成主程序完成系统的各种功能初始化操作，包括8031的片内I/O寄存器、各种状态和标志可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。当输可写成(6-2)其中，K P =K pi为比例系数，K I =1/t

24、为积分系数。将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了。为了安全起见，常须对调节器的输出实行限幅。幅的位置式数字PI调节程序框图如图6-2所示。6.3数字滤波器程序设计在检测得到的转速信号中，不可避免地要混入一些改方便等优点，它可以用于测速滤波，也可以用于电压、电流检测信号的滤波。常有的数字滤波主要有三种，它们分别是算数 平均值即为滤波后的Y值中值平均滤波是中值滤波和算术平均滤波的结合，即能滤除偶然型干扰脉冲，又能平滑滤波，但程序 和速度环的中断程序设计。6.4.1电流环中断服务程序的设计图6-2电流环中断服务程序简化框图它主要完

25、成电机锁零运算管都设有锁零单元。这里用计算机软件来实现。首先检查下速度给定U Gn和速度反馈U Fn是否为零或者小于某临界值n 0(b)当电流断程序设计在转速和电流双闭环调速系统中，电流环PI调节器的动态参数一般是按电枢回路电流连续的情况来选取，然而当系统 a由于电流断续时整流装置外特性变陡，其等效内阻大大增加，因此，使电流环调节对象总放大倍数下降延缓作用已在一个波头结束，平均电压突变后，下一个波头的平均电流便也立即随电压变化。因此，从整流电压和电流平均值数由连续的 变成断续时的，其中R，是断续时电枢回路的等效电阻，如果电流调节器已按连续情况设计好了，其传递函数 流断续时电流调节器的传递函数应

26、满足下列关系：考虑到电流连续时通常选择T D =t1 ,则有由此可见，电流断续时要求电制，只要判断主回路电流是否连续即可，若电流连续就按PI算法，若电流断续就按I算法。按积分算法其差分方程为C n =速时间中断服务子程序（如图6-6所示）构成，转速调节中断服务子程序中进行到测速允许”时，开放捕捉中断，但只有到旋子程序框图图6-5捕捉中断服务子程序框图断，使之不再干扰计数器计数。待测速时间计数器到达计数值，发出停止测速断服务子程序后，首先应保护现场，再计算实际转速，完成PI调节，最后启动转速检测，为下一步调节作准备。在中断返回前它完成X/D数据读入操作。为了简化程序，也可以使用程序询问方式来读入

27、ADC0808的数据。外部中断INTO，完成同步校正计算功能。第7章系统MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MA统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。14 7.1系统的闭环系统仿真模型如图7-1所示。图7-1转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time设为0, Stop time设为2.5。7.2系统仿它非常接近于理论分析的波形。下面分析一下仿真的结果。启动过程的第一阶段是电流上升阶段

28、，突加给定电压，ASR的输入系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于 系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于 调速系统实现全数字化。用软件编程完成电流、转速等各项参数的计算，实现最优化调节。本设计采用采用了 In ter系列中的数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级，以控制晶闸管输出整流电压的大小，平稳的调节电动机的速度。在以往的数 器测速，即数字测速。数字测速不仅精度高，而且安全稳定、维护方便，同时采用M/T数字测速方法，兼备了 M法和T法测了解

29、了目前工业生产中数字化系统的重要性，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。总之，通过本次设计不仅进一步强化32顾绳谷.电机及拖动基础上册M.北京:机械工业出版社2000陈治明.电力电子器件M.北京：机械工业出版社，1992卩 7胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社，1996 8何利民.单片机中级教程M.北京:北京航空航天大学 2刘豹.现代控制理论M.北京:机械工业出版社,2000 13周明德.微机计算机系统原理及应用M.北京:清华大学出版社2002 1 致 谢四年的大学生活即将结束，为期一个学期的毕业设计也接近了尾声。此次毕业设计的完成，凝聚着许多人的关怀予的及时帮助。这些使我的本科学业得以顺利完成，并激励着我在今后的人生道路上不断开拓进取，勇往直前。在此，我再一 些，我们将终生受益。在此，我对 杨 老师的培养和帮助深表感谢！非 常感谢 老师们，他们不但在大学四年中指导我们学习 傅，他们在我的毕业设计中提出了很多宝贵的意见，并让我在厂房里专门查看关于单片机控制直流调速的设备和书籍，在此,福。附录A 程序清单 KP EQU 40H;定义内存单元 TI EQU 41H TD EQU 42HMIDEL4 EQU 53H MIDEL5EQU54H MIDEL6EQU 55H RR EQU57H KPGEQU58H K