基于單片機的直流調(diào)速系統(tǒng)設計

    在DKSZ-1電機控制實驗裝置基礎上增加以單片機為控制核心的數(shù)字控制器，實現(xiàn)了直流數(shù)字雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制。

2. 系統(tǒng)的組成

    調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流。結構原理圖如圖1所示，圖中符號的意義分別為：ASR-轉速調(diào)節(jié)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U*n；-轉速給定電壓；Un-轉速反饋電壓；U*i-電流給定電壓；Ui-電流反饋電壓。

3. 電流環(huán)與轉速環(huán)的設計

    經(jīng)過測量計算，確定系統(tǒng)的基本參數(shù)如下：直流電動機：Un=220V，1.16A，1500r／min，Ce=0.15，λ=1.3

晶閘管裝置放大倍數(shù)：Ks=63.3

電樞回路總電阻：R=41.14Ω

時間常數(shù)：Tm=0.04s．TL=0.028s

電流反饋系數(shù)：β=3.3／λInom=3.3／1.5=2.188

轉速反饋系數(shù)：α=2.5／1500=0.0017

穩(wěn)態(tài)指標：靜差率小于5％，D>10

3.1 電流環(huán)的設計

3.1.1 確定時間常數(shù)

①整流裝置滯后時間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。

②電流濾波時間常數(shù)：

    由于主回路的電流是脈動直流，為了能取得電流的平均值，可采用多次采樣取平均值等數(shù)字濾波方法，但考慮到系統(tǒng)的CPU時序安排緊張，決定采用加硬件濾波環(huán)節(jié)的辦法，但其時間常數(shù)應該取得小一些，取



③電流環(huán)小時間常數(shù)

按小時間常數(shù)近似處理，取

3.1.2 選擇調(diào)節(jié)器結構

電流環(huán)按I型系統(tǒng)設計，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：

3.1.3 計算各調(diào)節(jié)器參數(shù)：
ACR超前時間常數(shù)： 。電流開環(huán)增益：按δI％≤5％，應取　　，因此：

則ACR的比例系數(shù)為：

3.1.4 校驗近似條件
電流環(huán)截止頻率Wci=KI=178.57／S

晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件Wci≤1／3Ts

現(xiàn)在，，滿足近似條件。

忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 現(xiàn)在，，滿足近似條件。

小時間常數(shù)近似處理條件： 現(xiàn)在， ，滿足近似條件。

3.2 轉速環(huán)的設計
3.2.1 確定時間常數(shù)

①電流環(huán)等效時間常數(shù)為

②轉速濾波時間常數(shù)Ton

外加轉速濾波環(huán)節(jié)，取

③轉速環(huán)小時間常數(shù)

按小時間常數(shù)處理，?。?IMG src="/upload/2007_06/0706051038543618.jpg">

3.2.2 選擇調(diào)節(jié)器結構

按典型II型系統(tǒng)設計轉速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為

3.2.3 計算轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)

按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取=5，則ASR的超前時間常數(shù)為： 轉速環(huán)開環(huán)增益：

于是，ASR的比例系數(shù)為：

3.2.4 驗近似條件

轉速環(huán)截止頻率為 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：

現(xiàn)在 滿足簡化條件。

小時間常數(shù)近似處理條件：

現(xiàn)在： ，滿足近似條件。

4. 采樣周期選擇及PI控制算法

4.1 采樣周期選擇

    根據(jù)采樣定理，必須使采樣頻率Ws≥2Wmax，以便采樣后的離散信號不會失真，ws=2π(1／Ts)，為采樣角頻率； wmax=2πfma為信號最高角頻率。按采樣定理可以確定采樣周期的上限值：Ts≤π／Wmax；

    實際應用中，常按一定的原則，結合使用經(jīng)驗來選擇采樣周期Ts:Tmin≤Ts≤Tmax。

    在一般情況下，可以令采樣周期， 或用采樣角頻率Ws≥(4～10)Wc，Wc為控制系統(tǒng)的截止頻率。由雙閉環(huán)的設計參數(shù)知：

4.2 PI控制算法

    當輸入誤差函數(shù)e (t)，輸出函數(shù)是u (t)時，PI調(diào)節(jié)器的傳函： ；則，u (t)和e (t)關系的時域表達式可寫成：

其中，KP=KPI，為比例系數(shù)； 為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為：

5. MATLAB仿真建模與波形分析

    電流調(diào)節(jié)器和轉速調(diào)節(jié)器仿真模型分別采用I型和Ⅱ型系統(tǒng)，所用數(shù)據(jù)為按工程方法計算的參數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗略作調(diào)整，MATLAB仿真波形如圖4所示。

    從圖4中可以看出，由于負載增大，使電樞電流出現(xiàn)一個小的數(shù)值增大的波動后，達到新的負載電流狀態(tài)的穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定值與負載增加前相比，數(shù)值變大。

    由圖5和圖6得：突然給定電壓U*n時，Un很小，所以△Un很大，ASR很快飽和，輸出為最大值，電樞電流線形增加，當r>n*時，Un>U*n那么△Un變極性，ASR退飽和，轉速負反饋投入運行，直到n=n*。

    綜上所述，起動電流根據(jù)電機起動波形，可以看到速度與電流之間的關系與理論情況基本相同。

6. 實驗波形及分析

(1) 電機突加最大給定時，轉速波形如圖7。由于測速發(fā)電機性能的影響，使得超調(diào)現(xiàn)象不明顯。

由圖7可知，轉速起動波形與SIMULINK仿真所得波形一致，達到了預期的效果。

(2) 電樞電流波形

    電樞電流波形在突加給定時，在雙閉環(huán)的作用下迅速上升，迫使電動機快速起動，然后迅速回落直到等于負載電流。

    在圖8，因為測速發(fā)電機性能和晶閘管驅動環(huán)節(jié)死區(qū)電壓的影響，使得電樞電流沒有恒流階段。但波形與SIMULINK仿真所得波形趨勢一致，達到了預期的效果。