《数字控制双闭环直流调速系统的设计（论文）》

数字控制双闭环直流调速系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u31571第1章引言 第1章引言1.1电气传动技术发展现状电驱动技术以电机控制为控制对象，以微电子器件为核心，在自动控制理论的指导下，采用电力电子电力转换装置作为执行器，形成电驱动控制系统。分为直流电机驱动（简称直流驱动），交流电机驱动（简称交流驱动），步进电机驱动（简称步进驱动），伺服电机驱动（简称伺服驱动）等。众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的高速调节精度，调速范围广，转换装置控制简单，长期以来主导速度控制传动。在需要高速调节性能的情况下，通常使用DC电驱动。目前，新的电力驱动自动化技术将电能转换为机械能，然后控制工作机按照给定的运动规律运行，并通过电动机的控制满足特定要求，已广泛应用于各个领域。国民经济。在超过三个十年，直流电机驱动器已发生了重大变化。首先，整流器被替换，和晶闸管整流器取代长时间直流发电机马达组和汞整流器装置使一个大的飞跃直流电驱动。与此同时，控制电路已经实现高集成化，小型化，高可靠性和低成本。上述技术的应用极大地提高了DC速度控制系统的性能指标和应用范围已经不断扩大。直流调速技术得到了不断的发展和成熟，完善，系列化和标准化。仍然难以在可逆脉冲宽度调节和高精度电驱动器的字段来替换。随着直流电驱动技术的研究和应用已达到较为成熟的水平，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，提高了直流调速系统的精度和可靠性。因此，在速度调节要求高的下一阶段，如轧机，海上钻井平台等，直流调速仍处于主要位置。早期的直流驱动控制系统由模拟分离装置组成。由于模拟设备具有固有的缺点，例如温度漂移和零漂移电压，因此组成系统的设备很多，这使得模拟直流驱动系统的控制精度和可靠性很低。。随着计算机控制技术的发展，直流驱动系统已被微型计算机广泛应用，实现全数字化控制。单片机基于数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。因此，与模拟DC速度控制系统相比，全数字DC速度控制的准确性和可靠性大大提高。此外，通过系统总线全数字控制系统，可与管理计算机，过程计算机和远程电子控制装置进行交换，实现生产过程的自动分级控制。因此，直流驱动控制由微机完全数字化，使直流调速系统进入一个新的阶段。1.2微机控制电机的发展和现状单片机，它出现在20世纪70年代，随着大规模和大规模超大规模集成电路制造工艺的飞速发展，微型计算机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子技术的发展，导致在高功率电子器件的性能迅速改善。因此，可以使用微型计算机来更一般地控制电动机，并完成各种新颖的和高性能的控制策略，从而使马达的各种潜在的能力得以充分利用，从而使电动机的性能能更好的满足使用的要求，也可以制造。各种新型电机，易于控制给电机焕然一新。较简单的马达微电脑控制可以打开或关闭通过使用微型计算机控制继电器或电子开关元件被接通。在各种机床和生产线，具有微型计算机可编程控制器现在广泛用于按照一定的规则来控制各种马达的运动。对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统。为了提高性能，在先进的数控交流伺服系统中，己采用高速数字化处理芯片(DIGITALSIGNALPROCESSOR，简称DSP)，其指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令。1.3电机微机控制系统的特点目前，许多马达微机控制系统是数字部件和模拟元件构成的混合动力系统，以及全数字控制系统是目前的发展方向。在微计算机的控制系统中，通常有两个模拟信号和数字信号；有两个连续信号和离散的信号。由于计算机的CPU只能识别和处理数字信号，也只能对其进行处理离散，并再次，必须始终有一个采样过程，当计算机处理外部信息。电动机微机控制系统必须是一个采样的控制系统。电机采用微机控制，还具有以下特点：（1）硬件是相对简单的，并且许多功能可与芯片少量完成，它是易于推广。（2）它可以在分时操作；微型计算机可以作为多个控制器来服务多个控制回路；它也可以控制多台电机来完成更多的功能。（3）电脑的存储器和判断功能。该系统的控制模式是由软件来确定。如果控制律被改变，所以一般没有必要改变系统的硬件。它是只需要按照新的控制律编一个新程序；在任何时候，根据电动机的不同的状态，选择最有利的系统参数，系统的结构和控制策略，等；使系统具有很强的灵活性和适应性。（4）计算机的运算速度快，精度高。它有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此有可能实现复杂的控制规律，如采样参数辨识优化控制等现代控制理论所提供的控制算法，以达到较高的控制质量。（5）数字量的运算不会出现模拟电路中所遇到的零点漂移问题，被控量可以很大，也可以很小，都较易保证足够的控制精度。（6）所述的信息处理能力强，并且可以完成各种数据处理，和有用的信息和指令被提供给操作员的时间。正因为有上述优点，电机微机控制的理论及应用发展得非常迅速，新产品不断涌现和普及。1.4本课题在实际应用方面的意义和价值电动机速度控制系统采用微电脑来实现数字控制，这是电驱动器发展的主要方向之一。由于中期至80年代末，世界各大电力公司都在争相开发数字调速传动装置。目前直流调速已发展成为一个。技术水平高；功率器件采用晶闸管；控制板采用表面安装技术；控制方式采用功率相换向和相位控制。尤其是，使用微型计算机等先进技术，数码DC转换器具有精度高，出色的操控性能和较强的抗干扰能力，并已在国内外得到广泛应用。全数字直流调速装置已经显示出强大的优势为最新的控制水平传输方法。全数字直流调速系统连续地引入，这提供了工程应用的优越条件。现阶段，国内目前还没有自主研发的全数字控制直流调速系统，对此系统的需求一直依赖于进口，所以学习和研究先进的数字控制调速系统的技术，对国内的研究有着重要的经济价值。第2章相关技术介绍2.1直流电动机的调速方法（1）调整电枢电源电压U.改变电枢电压主要降低了从额定电压的电枢电压，并从电动机额定速度到恒定转矩速度控制方法的变化。此方法最好是用于需要在一定范围内的速度无级平滑的系统。在IA变化遇到一个小的时间常数，能快速响应，但需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机的主磁通Φ。改变磁通量可实现无级平稳调速，但仅减弱用于调速的磁通量（称为弱磁调速），并从电机额定速度调节速度，这是一种恒定的功率调速方法。If变化时间遇到的时间常数远大于Ia变化所遇到的时间常数，响应速度慢，但所需的电源容量很小。（3）改变电枢回路电阻R.电动机电枢电路的外部串电阻器的速度调节的方法是简单，操作方便。然而，可以仅执行步骤级调速，速度调节平滑性差，并且机械特性是柔软；存在当无负载，和大量的电能是在速度调节电阻器消耗几乎没有调速效果。有在改变电阻调速，其很少目前使用的许多缺点，并且仅在传输系统中使用，其中一些起重机，吊机和电动火车的速度调节性能不高或低速运行时间不长。弱磁调速范围并不大，并且它往往是与电压调节调速结合使用，并且速度在一个小范围中的额定转速以上增加。对于需要在一定范围内无级平滑的调速系统中，最好是调节电枢电源电压。因此，DC速度控制系统的自动控制往往是电压调节的主速度。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转转换器单元。该单元是由一个交流电机和一个直流发电机，以获得可调节的DC电压的。（2）静态可控整流器。一种可调谐直流电压由一个静态的，可控整流器产生，如汞弧整流器和晶闸管整流器。（3）DC斩波器或脉冲宽度调制的转换器。动力由恒定直流电源或不受控的整流电源，使用DC斩波或脉冲宽度调制产生的可调DC平均电压。2.2PWM的相关介绍脉冲宽度调制的全名：脉宽调制器被称为PWM，由于其特殊的性能，往往在直流负载循环，灯调光或直流电动机调速用，HW-1020调速器，是用脉冲宽度调制的马达由（PWM）的原理制成调速器和调速器PWM已广泛应用于工业直流电动机的速度调节，工业输送速度调节，照明和照明调整，计算机电源冷却，直流风扇等自全控制电力电子器件问世以来，出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方法，形成了脉宽调制变换器-直流电机速度控制系统，称为直流脉冲宽度调速系统，或直流PWM调制。速度系统。与VM系统相比，PWM系统在很多方面具有很大的优势：主电路简单，需要较少的电力电子设备；开关频率高，电流连续容易，谐波少，电机损耗小，发热少；低速性能，高速精度，宽速度范围，高达1：10000；如果结合快速响应电机，系统频率带宽，动态响应，动态抗干扰能力；电力电子开关装置工作在开关??状态下，传导损耗小。当开关频率合适时，开关损耗不大，因此器件效率高；当直流电源采用非控制整流时，电网的功率因数高于相控整流器的功率因数。因此，PWM速度控制系统的应用日益广泛，特别是在中小容量高动态性能系统中，它已经完全取代了V-M系统。第3章双闭环可逆直流PWM调速系统的硬件设计3.1双闭环可逆直流PWM调速系统简介系统采用8位单片机89C52作为主控制器，设计了全数字脉宽调制（PWM）装置和速度测量装置，实现了全数字双闭环直流PWM调速系统。该系统使用高分辨率数字触发器和高精度数字速度测量设备。系统框图如图3.1所示。内环是电流反馈和控制环路。外圈是电机速度反馈和控制回路。内圈和外圈由89C52微机软件调整，完成数字PI控制规律。图3.1微机控制双闭环直流调速系统原理框图如可从图3.1中可以看出，系统中两个稳压器的速度和电流设置不会将它们的输出加在一起作为PWM调制器控制电压的单回路系统，但两个稳压器是级联的也就是说，速度调节器的输出用作电流调节器的输入，并且电流调节器的输出用作PWM信号发生器的控制电压。从闭环反馈结构来看，电流调节器是内部的，内圈：速度调节器在外部并成为外圈：这形成了一个用于速度和电流的双闭环速度控制系统。为了获得良好的静态和动态性能，两个调节器通常都使用PI调节器。在这种双闭环调节器配置中，可以将电流适当地应用于负反馈，并且将速度降低到负反馈。由于静态特性，单电流负反馈倾向于软化静态特性，但也存在包裹的速度反馈回路。如果速度调节器未饱和，则静态特性是由电流负反馈引起的。速度调节器完全消除它，速度调节器使用PI调节器，使整个系统成为静态控制系统，无静电。从动态响应过程中，速度调节器在设定速度或启动过程中迅速达到饱和状态。此时，电流回路不起作用，系统成为恒流系统，如果速度偏差很大，则实现最短时间控制。在速度过度调节之后，速度PI起作用并且速度逐渐稳定。以这种方式配置的双闭环系统在“突然”瞬态过程期间呈现恒定电流调节系统，并且在稳态和接近稳态下表现出良好的动态质量。除了高分辨率数字触发器和高精度数字速度测量设备外，微电脑控制系统可以更好地满足高性能工业传动的要求。3.2双闭环可逆直流PWM调速系统总体设计在该设计中，系统的主电路是晶闸管的三相不可控整流桥，其中整流的AC被转换成DC并通过滤波器提供给DC电动机。直流电机额定功率185W，额定电压220V，额定电流1.1A，额定励磁电压220V，额定励磁电流小于0.16A，额定转速1600R/min。检测到的转速的采样数字转速，即由微型计算机输出并输出到电动机的光电编码器的脉冲数的值，以及通过微机计算得到的转速。为了提高微机的运算速度，89C52微电脑采用12MHz的晶振频率。整个系统的硬件原理（见附录）。系统中每个硬件的功能和功能，会在下文做简单介绍。3.3主要芯片的选择3.3.1单片机的选择在详细的系统分析、实用性、经济性分析的基础上，选用了MCS-51系列的89C52单片机，其结构框图如图3.2所示。图3.2MCS-51单片机结构框图其主要特点是：.一个8位CPU；.128字节RAM数据存储器；.21个特殊功能寄存器；.4个8位并行I/0口，其中p0、p1为地址/数据线，可寻址64KBROM和64KBRAM；.一个可编程全双工串行口；.具有5个中断源，两个优先级；.两个16位定时器；.一个片内振荡器/计数器；.一个片内振荡器及时钟电路。3.3.28253可编程定时器/计数器芯片51单片机内部只有两个16位定时器/计数器。数字速度测量电路需要一个计数器，并选择一个可扩展的8253芯片。其逻辑结构如图3.3所示。图3.38253逻辑结构3.3.38279可编程键盘、显示接口芯片8279芯片有40条引脚，由单一+5V供电。主要由以下几个部分组成：(1)I/0控制和数据缓冲器；(2)控制和定时寄存器及定时控制部分；(3)扫描计数器；(4)回送缓冲器与键盘去抖动控制电路；(5)FIFO(先进先出)寄存器和状态电路；(6)显示器地址寄存器和显示RAM。DB0~DB7：双向数据总线。A0：命令状态或数据选择线。A0=1，表示从DB0~DB7线上传送的是命令或状态字：A0=0表示位数据。，为读、写信号线。IRQ：中断请求线。SL0~SL7：扫描线。它可以执行解码扫描或代码扫描，它需要使用4/16解码器。RL0~RL7：回送线。有一个上拉电阻器的内部，并从该品系获得的键盘的回扫信号。OUTA0~OUTA3、OUTB0~OUTB3：显示器刷新寄存器输出，与扫描线同步。3.3.4A/D转换芯片ADC0809ADC0809是一个8位的逐次逼近A/d转换器。带有8个模拟输入通道，有一个信道地址译码锁存，并输出具有三态数据锁存器。启动信号是在一个脉冲开始的形式。ADC0809的具有时钟电路内，所以CLK时钟需要外部输入。在FCLK允许从500kHz至1MHz的范围内，并且典型值为选择640kHz。每个信道的转换需要66-73个脉冲，大约100?110us。其内部结构示于图3.4。图3.4ADC0809的内部结构3.4高精度数字测速电路速度检测的准确性和快速性对电机调速控制系统的静态和动态性能有很大影响。为了获得在一个宽的速度范围内具有高精确度和快速的数字速度测量，这样的设计使用具有每转1024线作为速度传感器的光电编码器。所生成的速度脉冲频率具有与电动机速度的固定的比例关系。的频率信号是由M/T方法进行处理。3.4.1M/T法测速原理M/T法测速原理是在对光电编码器输出的测速脉冲数m1进行计数的同时，对时钟脉冲的个数m2也进行计数。图3.5M/T法测速原理图速度测量时间Td由速度测量脉冲同步，即，图3.7的硬件电路的Td等于整个m1脉冲周期。让我们从图3.5中的点a开始，计数器分别计数ml和m2，到达点b，估计速度测量时间Tc为up，微机发送停止计数命令，但因为Tc不一定等于整数来自输出脉冲周期的代码，计数器仍然计数时钟脉冲。从时间点c开始，下一个速度脉冲上升沿（即，点c）以触发数字速度测量硬件电路以停止时间计数器。因此，m2表示m1速度脉冲周期的时间。设时钟频率为f0，每次光电编码器转发P脉冲时，计算电机转速的公式为：r/min（3.1）在本系统中，由于选用f0=2MHz，P=1024=，所以转速计算公式有：r/min（3.2）为了在低速测量时能使测速器在相当短的Td时间内任能包含较多个测速脉冲的高精度测速值，除了尽可能选择较大P值的光电编码器外，还可以利用光电编码器输出的相位上互差90的两路矩形脉冲信号经过4信频电路后再送入计数器。这样，转速n的计算式应改为：r/min（3.3）3.4.2数字测速硬件电路数字速度测量硬件电路如图3.6所示。8253的0和1计数器分别计数ml和m2，D触发器F1用于使m2的计数与速度脉冲计数同步。由于8253是下降沿计数，变频器G用于启动速度测量和停止速度测量信号，89C52MCU的软件输出到P1.2端口，P1.3端口用于速度测量电路软件输出复位脉冲信号。图3.6M/T法数字测速硬件电路为了实现ml和m2的同步计数，8253的计数器0和1在模式2下工作。在上电初始化进入该模式后，可以使用GATE级别监视计数过程。当89C52MCU向P1输出高电平时。在图3.5的时间点s2端口，发出启动速度测量信号，即GATE0设置为高电平，0速脉冲计数器立即从初始值开始计数，直到显示为图3.5。此时，低电平输出到P1.2端口，即发出停止速度测量信号，迫使计数过程停止。因此，从速度起始点s到停止点b时间间隔，GATE0为高电平，则输入到8253CLK端口的速度测量脉冲计数值为m1。在图3.6中，时钟计数器的GATE1连接到D触发器输出的Q端子。当P1.2端口输出高电平以开始速度测量时，必须等待第一输入速度检测脉冲的上升沿进入D触发器的触发脉冲CP端，并且Q变为a高电平，之后2MHz时钟脉冲开始计数。这相当于图3.5中的a点。类似地，当P1.2端口输出低电平以停止速度测量时，时钟脉冲将等到图中的点c停止计数。此时，时钟的计数值m2只是整个m1速度测量脉冲的时间间隔。3.5键盘/显示接口图4-7示出了8279在该图的界面的方法，所述89C52被连接到一个88键盘和一个16位数字显示。的8279的数据总线连接到的89C52的PO端口。8279键盘部分提供了与钥匙锁或N-键游模式64键的键盘矩阵。SL0~SL2选择线由外部3-8译码器（74LS138）。列值从RL0~RL7进入8279，和这8条回线的信号由8279缓冲器中缓冲。如果一个键被按下时，所述阵列中的密钥的地址，以及移位键（SHIFT）和控制键（CNTL）的状态下，被馈送到FIFO8279的RAM中。该FIFO内存可以存储多达8个字符。当检测到键被按压，8279中断请求变为高电平。同时，该IFO状态字的变化，以反映存入FIFO中的字符数。A0~A3和B0~B3分别为段控制输出（高电平有效），并且外部驱动器连接到所述LED的每个段。对于一个7段LED，A3为最高位和B0是最低位。SL0?SL3是位置控制输出。由解码器被驱动后，LED可控制16位的显示。扫描速度是由内部计时器测定。为了方便操作，满足人们的使用习惯，8279采用传感器阵列的操作为键盘输入接口和拨号。更改系统使用的2x8阵列，各自是键的功能设置如下：0键：空密钥；1键：确认键；第二项：显示切换键；3~7项：加速度设定键；第八项：停车键；11~15项：减速设定键另一个是备用键。图3.789C52与8279接口连接框图3.6全数字PWM调制器在晶体管功率放大和电源电路中，脉冲宽度调制由于其低功耗和高效率而被广泛使用。由模拟电路组成的PWM调制器通常由三角波（或锯齿波）发生器和比较器组成，当控制信号是模拟信号时，它适用。目前，计算机控制正在逐步取代传统的模拟控制，而用于后期控制的单片机如80C552通常在芯片上集成了一个PWM调制器。功能使用上述模拟PWM调制器时，可以与调制器连接，因为需要通过D/A转换器将数字量转换为模拟量，这不仅不方便，通常需要零调整。根据控制系统的特点，我设计了一个数字PWM调制器，可以直接连接到计算机的输出端口。该电路简单，易于制造，成本低，无需调整，非常适合微电脑控制。这很合适。PWM调制器工作在高达100KHz，零输出和满载输出。图3.8全数字PWM调制器原理图图3.9PWM调制器波形图现在的仿真实验上的所有数字PWM调制器进行。这是图3.10所示的PWM调制器输出的模拟PWM信号，其正波形是一个周期中的恰好一个季度，在与实际相符。图3.10全数字式PWM调制器仿真PWM信号3.7泵升电压限制电路当脉冲宽度调节系统的电动机减速或停止时，存储在电动机和负载传递部分中的动能将变为电能并通过PWM变换器反馈到DC电源。通常，DC电源由不可控制的整流器供电。不可能反馈电源，并且滤波电容器被充电以升高电源电压，这被称为"泵升电压"。如果电容器要吸收所有反馈能量，则需要大量电容，或迫使泵升高电压并损坏元件。不希望使用大量电容器（在容量为几千瓦的速度控制系统中，电容必须至少为几千微法），以大大增加调速器的尺寸和重量，以及分流电阻器Rpar，可以使用开关VTpar。泵浦电压限制电路的组成如图3.11所示。图3.11泵升电压限制电路当滤波电容器C的端电压超过泵上升电压的允许值时，VTpar导通，并且分流电路连接以消耗分流电阻器中的一部分反馈能量。对于较大的电力系统，为了提高效率，逆变器可以连接到分流电路以将一些能量返回到电网。电路如图3.12所示。图3.12泵升电压限制能量回馈电路3.8本章小结本章详细介绍了89C52单片机作为主控制器，脉宽调制触发和速度测量与控制，实现全数字双闭环可逆直流PWM调速系统，采用高分辨率数字触发，高-精密数字速度测量装置和高性能数字脉冲宽度调制器，电流和速度反馈控制回路的控制器由微机实现，数字控制操作按照PI控制规律完成。该系统结构新颖，独具匠心，与组件集成度高。它是一种新的全数字速度控制系统，其静态和动态性能指标高于传统的速度控制系统。为了防止系统受到电网电压波动和频率波动的影响并隔离来自电力线的传导干扰，在电路中实现光隔离。为了使脉冲宽度速度控制系统的电动机减速或停止，由电动机和负载传递部分中存储的能量产生的“泵电压”使系统无法工作或损坏元件，以及泵浦电压限制电路的设计使系统可靠性大大提高。第4章调速系统的软件设计为了使微机控制系统的各种硬件设备正常运行，有效地实现各控制链路的实时控制和管理，除了设计合理的硬件电路外，还需要高质量的软件支持。因此，在整个系统的设计中，电机微机的实时控制系统在装配或其他高级语言中的应用是非常重要的。该系统用89C52单片机代替直流电机双回路速度控制装置中的电流和速度控制器。整个控制程序包括主程序，外部中断服务程序，PI操作程序和各种辅助程序。程序总长度小于4K字节，运行时间小于3.33ms。4.1主程序设计图4.1电机控制系统总体逻辑功能流程图主程序，中断程序和子程序是分开的。软件根据实时要求分为两类：一类是执行软件，具有较强的实时性，强调算法的效率，与硬件协作有关（如外部中断应用），定时/计数器外部启动，A/D或D/A转换开始等）。例如，系统设计的定时系统，采样测量，控制计算，控制输出和其他执行程序通常与硬件中的中断触发电路配合。这些执行软件通常构成响应中断服务和子程序调用。另一种类型是监视（管理）软件，它起组织和调度的作用，用于协调每个执行模块和操作员之间的关系。这些程序对实时性能要求较低，主要考虑整体协调，需要严格的逻辑，并尽量使操作员易于使用。监控程序通常称为后台程序，一般是指软件中的主程序及其调用的子程序，如系统上电初始化程序，键盘扫描程序，显示程序，打印程序，也没有配合硬件定时。执行程序短，在执行软件（前台）和监视（后台）软件之间切换，通常是通过中断和中断返回。对于电机的微机控制系统，由于软件的容量往往不是很大，主程序的主要功能是：上电初始化，设置堆栈指针，89C52和主芯片初始化，查询传感器状态并根据找到的命令键设置相应的控制命令标志。检测警报并等待外部中断。系统软件设计使用流程图设计方法。根据上述结构设计原理，系统的主程序流程图如图4.2及以下所示。图4.2系统程序流程图4.2数字电流调节器和数字转速调节器的算法及软件实现因为，系统采用计算机控制实现直流调速控制。最初由硬件完成的许多工作现在通过程序实现。例如，在该系统中使用双闭环速度控制系统中的电流和速度链路的比例积分调整过程。实现这两个环节的控制非常重要，对于大多数控制对象，基本都可以获得令人满意的控制效果。因此，人们经常采用数字PID调节算法，并根据经验和实验在线调整参数，这种方法非常的灵活。随着微机控制技术的发展，数字PID算法可以很容易地校正，并且比模拟PID调节器的性能更完整。我们可以将离散（数值）型控制的近似计算公式得出：（4.1）式中ui第i个采样时刻的输出值；ei第i个采样时刻的系统输出偏差，也即PID调节器的输入值；ei-1第i-1个采样时刻的系统输出偏差；u0开始进行PID控制时原始的控制值。在实际的电动机控制系统，所述控制量的输出值u由组件或致动器的性能约束（如电源限制，放大器饱和度等）的限制，被限定在有限的范围内[UMAX，UMIN]即：（4.2）如果微型计算机通过由PID算法中得到的控制变量。在上述范围内，PID控制可以实现期望的效果。一旦超过上述范围时，实际执行的控制的量已不再是一个计算值，从而引起不期望的效果，其通常被称为饱和效应。这种类型的现象特别容易发生当电机启动，停止发生，并且当负载或设定点是突然的。在这里分析一下这类积分饱和作用对PID控制带来的影响及其抑制。如果给定值ω突然从0变为ω1，则引起偏差的步骤，并且通过等式（5-1）中所示的PID算法计算控制量。如果超出范围，则实际控制量只能取上限umax而不是计算值。此时，虽然系统输出仍在上升，但由于控制量有限，其增长速度比没有限制时慢，偏差e在正常时间内保持较长时间，和公式（5-1）积分项具有较大的累积值。当输出y超过给定值ω1时，开始出现负偏差，但由于积分项的累加值已经很大，控制量u离开饱和区域需要相当长的一段时间，这将是使系统显得明显。过冲。这种饱和是由积分项引起的，因此称为积分饱和。在实际的速度控制系统中，电枢电流具有执行速度控制时的上限，所以有一个恒定的电流（电流上限）加速度下一个大的输入信号，这需要的速度控制操作的非线性问题。特征。为了实现快速，无超调，无静态调速性能，许多算法或控制策略，提出了在速度控制。公共控制思想是大信号输入的恒定电流加速过程从稳定运行分离。积分分离PID算法被采用，即，PID算法时使用的速度之间给出Ug的n和差EI转速反馈ÚFN小于一定值ε，并且当ei为大于或等于到ε，不再执行积分操作，和在旋转速度的饱和度的过冲被减小。为了克服积分饱和效应，该设计使用校正算法进行积分分离。该方法的本质是：当设定值与控制量之间产生的偏差较大时，我们可以取消积分作用以避免积分饱和同时保证系统稳定。当受控量与设定值比较接近时，添加积分作用以消除静态差异。该方法在开始时不整合并累积积分直到偏差的绝对值|e|小于预定阈值。以这种方式，一方面，它在开始时防止过度控制，另一方面，即使发生饱和，也可以快速地退出积分的积分值，并且可以减少系统超量。图5-3积分分离法的速度PI调节器算法流程图速度PI调节器子程序：charvPID(unsignedcharr，unsignedchary)/*速度PID，r为给定量，y为反馈量*/{staticsignedcharek_1，k，ui_1，Ii；//定义静态变量ek_1暂存上次//e(k-1)值，k用计算}Σekautosignedcharek，u_i；ek=r-y；//计算eku_i=Kp*ek+Kd*(ek-ek_1)；if(abs(ek)<=VPRE){Ii=Ki*k；//计算积分项u_i=Kp*ek+Ki*k+Kd*(ek-ek_1)；}else{u_i=Kp*ek+Ki*k+Kd*(ek-ek_1)；}if(u_i>uMAX){u_i=uMAX；}elseif(u_i<=uMIN){u_i=uMIN；}returnu_i；}电流PI调节器子程序：chariPI(unsignedcharr，unsignedchary)/*速度PID，r为给定量，y为反馈量*/{staticsignedcharek_1，k，Ii；//定义静态变量ek_1暂存上次//e(k-1)值，k用计算}Σekautosignedcharek，i_i；ek=r-y；//计算eki_i=IKp*ek+IKd*(ek-ek_1)；if(abs(ek)<=VPRE){Ii=IKi*k；//计算积分项i_i=IKp*ek+IKi*k+IKd*(ek-ek_1)；}else{i_i=IKp*ek+IKi*k+IKd*(ek-ek_1)；}if(i_i>iMAX){i_i=iMAX；}elseif(i_i<=iMIN){i_i=iMIN；}returni_i：}第5章双闭环直流调速系统建模与仿真5.1系统的数学建模上述设计的速度控制系统被手动选择的参数。基本参数如下：直流电动机，220V，120A，1000R/分钟，过载容许多个λ=1.4；晶闸管放大率ks=30；总电枢回路电阻R=0.4Ω；时间常数T=0.023s，TM=0.2S，速度滤波器链路的时间常数Ton表示0.01S。整体框架结构和速度以及电流的双闭环速度控制系统的功能模块的组合物示于图5.1。其中：所述内环表示当前回路；外圈表示速度循环。整体框架结构和速度以及电流的双闭环速度控制系统的功能模块的组合物示于图5.1。其中：所述内环表示当前回路；外圈表示速度循环。图5.1双闭环直流调速系统总体结构对于双闭环直流调速系统，设计是从内环到电流环。在实际系统中，电流过冲受到严格限制，因此当前周期应由后续性能决定。基于每个链路传递函数的电流环仿真的数学模型如图5.2所示。图5.2电流环的仿真建模基于速度和电流双闭直流调速系统各链路双闭环速度控制系统总体模型如图5.3所示。图5.3双闭环直流调速系统整体建模5.2基于Simulink的电流环仿真研究本次的仿真主要是为了研究，在不同的条件下，电流超调量和上升时间会出现什么变化，所以设置的阻尼系数ζ分别为0.25，0.39，0.50，0.69和1.0，在不同的阻尼系数下运行电流环，得到仿真模型，如图5.4~5.8所示。横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示当前，单位为A。图5.4，当ζ=0.25时，波形电流无超调，上升时间长，σ=0，上升时间为0.042s。图5.4当ζ=0.25时的仿真波形图5.5，当ζ=0.39时，有微小的电流超调量，上升时间较长，σ=0.15%，上升时间为0.022s。图5.5当ζ=0.39时的仿真波形图5.6，当ζ=0.50时，有部分超调量，上升时间较短。σ=4.3%，上升时间约为0.012s。图5.6当ζ=0.50时的电流仿真波形图5.7，当ζ=0.69时，超调量比较大，上升时间短，σ=9.5%，上升时间大约为0.008s。图5.7当ζ=0.69时电流的仿真波形图5.8，当ζ=1.0时，超调量大，上升时间短，σ=16.3%，上升时间约为0.006s。图5.8当ζ=1.0时电流的仿真波形结果表明：在电流环的运行中，ζ取值小时，超调量小，上升时间大；ζ取值越大，超调量越大，上升时间减小。综上所述，当取ζ=0.50时，系统的性能最为优良，超调量和上升时间都比较合适。5.3基于Simulink的双闭环直流调速系统仿真综上可知，当ζ=0.50时电流环的性能最优，因此在接下来的建模中不再变动电流环的参数。5.3.1系统在空载运行时的仿真分析系统停转，重新给出电压10V，开始在空载运行系统，从而并获得仿真波形（图5.9）。横轴表示时间（s），纵轴表示转速（r/分钟）。可以看出的是，当系统给出10V的电压时，系统达到稳定状态，转速为1000R/分钟，这与所选择的马达参数完全一致的稳定。改变给定电压，并观察波形的变化。速度超量是小于10％，满足设计要求。在5V和3V的电压模拟的波形示于图5.10和图5.11。图5.9当给定电压为10V时的仿真波形图5.10当给定5V时的仿真波形图5.11当给定为3V时的仿真波形可以看出的是，速度和电流的双闭环直流速度控制系统的电动机的速度将根据给定的电压稳定地变化：给定的电压越小，较小的稳定速度。当给出10V，电机在额定速度运行。5.3.2系统在额定负载运行时的仿真分析重新对系统施加负载，确定系统工作电流等于额定电流，即120A，开始运行，观察模拟结果。观察图5.12。当系统处于额定负载时，虽然上升时间较长，但仍将达到1000r/min的额定速度。图5.12处于额定负载运行时的仿真波形5.3.3系统抗扰性能测试该系统是在10V的给定的电压，当负载电流是在3秒突然增加时，额定负载被添加，并且观察到模拟波形。在3秒，突然加120A的负载电流。从图5.13中可以看出，双闭环直流调速系统具有良好的抗干扰性能。尽管该系统具有速度在3秒小的波动突然的负载，使其迅速恢复的1000R/分钟的稳定额定转速。没有为设计速度无静差的要求。图5.13在3s时突加额定负载总结在本文中，笔者深入的研究了PWM相关的理论和直流电动机的调速方法。从直流速度控制系统的原理出发，设计了双闭环直流可逆PWM速度控制系统。现代电机控制的发展要求，一方面要提高性能，降低损耗，降低成本。在另一方面，也有不断的技术指标和要求苛刻的特殊应用系统的要求。为了保证设计的符合要求，最后使用了MATLAB进行了电动机模型的仿真，确定了电动机的性能符合设计要求，此次研究，笔者有以下几个方面的收获：1.学习与掌握了直流电机的调速方法，了解了PWM的相关知识2.掌握了用C语言及其编程。3.掌握了MATLAB的应用。参考文献[1]田亚娟.基于Powersystems的双闭环直流调速控制系统的设计与仿真[J].制造业自动化，2018，40(11)：50-53.[2]杨旭，姜银光，彭开香，etal.双闭环直流调速系统动态补偿控制器的在线优化设计[J].中国电机工程学报，2017(08)：261-270.[3]吕成龙，李军红，郭凤梅，etal.智能小车双闭环模糊PID直流调速系统的设计[J].科技创新与应用，2017(16).[4]朱贤勇，万晓慧.双闭环直流调速系统优化设计与Matlab验证[J].内燃机与配件，2018，272(20)：51-54.[5]王学福，董玉林.基于dsPIC30F6010的直流电动机控制系统[J].科技创新与应用，2017(20).[6]陈智，王贵锋.模糊PID算法的双闭环直流电机调速系统[J].电子科技，2017(7).[7]邢永陈，蒋光峰.基于V-M系统的直流双闭环调速装置设计[J].工业设计，2017(8)：146-147.[8]唐海洋.中小功率直流传动系统的研究[D].[9]孟宪腾.基于DSP的异步电机调速系统的设计与实验[D].[10]唐小珠，刘涛.基于ＤＳＰ的全数字化无刷直流电机控制系统设计[J].工业控制计算机，2018.[11]李民，李之乾，狄爱景，etal.基于工程设计方法的双闭环直流调速系统设计和仿真分析[J].电子测试，2017(17)：48-49.[12]郭昊坤.基于MATLAB的双闭环直流调速系统调节器的设计与仿真[J].自动化应用，2017(9)：55-56.[13]张镭，谢玮，姜珊.基于模糊控制的双闭环直流可逆调速系统的设计[J].计算机测量与控制，2018，v.26；No.236(05)：92-95+107.[14]林森.基于DSP控制直流电机双闭环调速的研究[J].山东工业技术，2017(19)：185-185.[15]上官兵.基于微机数字控制的矿用提升机调速系统设计[J].煤炭技术，2017(5)：235-237.[16]蔡海亮，万钢勇，武和雷，etal.高精度数控直流电压源的双闭环控制系统设计[J].测控技术，2017(12)：76-80.[17]张赟.基于Buck变换器的小容量直流调速系统的研究[D].[18]宋连庆，袁世博，韩兴会.基于DSP无刷直流电动机控制系统设计[J].计算机与数字工程，2018，46(3).[19]韦晓航，李勇.基于ARM的矿用蓄电池机车调速系统设计[J].煤炭技术，2017，36(8).[20]欧阳海宾，万钢勇，武和雷，etal.大功率高精度程控直流电流源的设计与实现[J].电测与仪表，2017(21)：102-110.[21]郑丽君，江法洋，宋渊，etal.一种LCL型并网逆变器重复双闭环控制方法[J].中国电机工程学报.[22]赵文龙，欧阳明长，程若发，etal.基于DSP的无刷直流电动机控制装置设计[J].实验室研究与探索，2017.[23]袁建飞.单绕组无轴承永磁同步电机绕组结构设计优化与控制系统研究[D].[24]陈长春.基于单片机的直流电机控制系统[J].电力系统装备，2018(6)：74-75.[25]张竟飞，何颐，周亚军，etal.基于DSP和模糊PID控制应用在电动舵机系统中的研究[J].工业控制计算机，20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