[工学]4kw以下直流电动机的不可逆调速系统.doc

毕业设计用纸中文摘要如今直流电机已成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。本文主要研究了4kw以下直流电动机的不可逆调速系统的原理，提出了调速系统的方案即主电路通过采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路来实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节器等。在确定调速系统的方案后还他做了以下几个步骤：1主电路设计与参数计算2触发电路选择.3、双闭环的动态设计和校验，然后设计了系统的硬件与软件部分.最后通过仿真试验来确定了不可逆调速系统的稳定性与可靠性。论文最后给出了实验结果和波形分析。结果表明了该不可逆调速控制系统具有良好的动静态调速性能，验证了系统设计的有效性和可行性。 关键词：晶闸管、调节器、触发器、单片机、CodeWarrior IDE。ABSTRACTNow DC has become extremely important for human survival and development part, which is necessary to explain the study of the DC motor is necessary. DC motor has a good start, braking performance, it is appropriate in a wide range smooth speed control, speed or faster in many positive and negative need to drag the field of electricity has been widely used.From the control point of view, DC drive or AC drive system basis. This paper studies the 4kw the following non-reversible DC motor speed control system theory, put forward the proposal that the speed control system the main circuit through the use of three-phase fully controlled thyristor bridge rectifier circuit power supply program, the control circuit consists of integrated circuits to achieve,system has the speed regulator, current regulator, triggers, and current adaptive regulator and so on. Program in determining the speed control system even after he made the following steps: a calculation of the main circuit design and parameter selection .3 2 trigger circuit, double-loop dynamic design and verification, in the middle draw a DC speed control system electricalschematic general drawing and finally through the simulation to determine the non-reversible speed control system stability and reliability. Finally, the paper experimental results and waveform analysis.The results show that the non-reversible speed control system has good static and dynamic speed performance, verify the effectiveness of the system design and feasibility. Keywords: Thyristor, regulator, trigger, single-chip, CodeWarrior IDE.目录中文摘要1ABSTRACT2目录3第一章 绪论511本课题研究的背景和意义51.2直流电动机的优点及发展历程51.3本文章的主要内容5第二章 系统方案选择62.1调速方案的选择62.1.1电动机供电方案的选择62.1.2调速系统方案的选择72.1.3直流电动机不可逆调速系统电气原理总图72.2主电路设计与参数计算82.2.1整流变压器的设计82.2.1.1变压器二次侧电压U2的计算82.2.1.2一次、二次相电流I1、I2的计算92.2.2晶闸管元件的选择102.2.2.1晶闸管的额定电压102.2.2. 2晶闸管的额定电流102.2.3晶闸管保护环节的计算112.2.3.1过电压保护112.2.3.2过电流保护122.2.4平波电抗器的计算132.2.5励磁电路元件的选择142.3触发电路选择16第三章总体结构设计173.1双闭环的动态设计和校验173.1.1电流调节器的设计和校验173.1.2转速调节器的设计和校验183.2控制电路的设计与计算203.2.1给定环节的选择203.2.2控制电路的直流电源203.2.3反馈电路参数的选择与计算213.2.3.1测速发电机的选择213.2.3.2电流截止反馈环节的选择22第四章 直流电动机不可逆调速系统硬件与软件的设计234.1硬件设计部分234.1.1控制模块设计234.1.1.1芯片MC9SXS128B介绍234.1.1.2 单片机的选择254.1.2驱动模块的设计254.1.2.1 驱动芯片MC33886的简介254.1.2.2 驱动电路的设计254.1.3反馈调速模块264.1.3.1 测速方案的选择264.1.3.2 调速方法的选择274.2 软件设计部分274.2.1 编程平台简介274.2.2 程序流程图设计284.2.3 控制程序设计29第五章控制系统仿真调试325.1 进入仿真环境并加载程序3252运行程序且对状态进行监控32参考文献35致谢36第一章 绪论11本课题研究的背景和意义电机调速广泛应用于我们的生活、生产的各个领域中，例如：机床、电动工具、电动机车、机器人、家用电器、计算机驱动器、汽车、轮船、轧钢、造纸和纺织行业等等。据报道，世界上大约有100亿以上各种电机在工作。近年来，我国空调一年的产量就1000多万台，每台都需要电机调速控制，可见电机调速应用市场非常庞大。 电机分为直流电机和交流电机两大类。直流电机由于其便于控制和控制精度比较高的特点，在很长一段时间内被广泛应用，被人们认为难以被其他电机所取代。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。1.2直流电动机的优点及发展历程直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。1.3本文章的主要内容本文主要研究了4kw以下直流电动机的不可逆调速系统的原理，提出了调速系统的方案即主电路通过采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路来实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节器等。在确定调速系统的方案后还他做了以下几个步骤：1主电路设计与参数计算2触发电路选择.3、双闭环的动态设计和校验，中间还画出了直流调速系统电气原理总图.最后通过仿真试验来确定了不可逆调速系统的稳定性与可靠性。第二章 系统方案选择2.1调速方案的选择本次设计选用的电动机型号Z2-91型，其具体参数如下表2-1所示电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-914823020914500.358.021表2-1 Z2-91型电动机具体参数触发电路整流电路电机转速转速反馈电源Uds图2-1单闭环转速负反馈系统框图2.1.1电动机供电方案的选择变压器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，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压。由于要求直流电压脉动较小，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。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、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。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。2.1.2调速系统方案的选择 计算电动机电动势系数：由 v min/r,当电流连续时， 系统额定速降为: r/min, .开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:，大大超过了S5%.若D=10，S5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是1090.4，而工艺要求的是7.6，故开环调速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。因调速要求较高，故选用转速负反馈调速系统，采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器。该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。采用三相全控桥式整流电路供电。2.1.3直流电动机不可逆调速系统电气原理总图2.2主电路设计与参数计算电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；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。2.2.1整流变压器的设计2.2.1.1变压器二次侧电压U2的计算U2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加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （3-1） 式中 -整流电路输出电压最大值；nUT -主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C - 线路接线方式系数；Ush -变压器的短路比，对10100KVA，Ush =0.050.1；I2/I2N-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： （3-2）式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比, 即A=/；B-延迟角为时输出电压与之比，即B= /；电网波动系数；(11.2)考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (3-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取U2=120V。电压比K=U1/U2=380/120=3.17。2.2.1.2一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得： ； ； 式中-一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得=338056.49=64.398 KVA=3120170.54=61.394 KVA =1/2（64.398+61.394）=62.896 KVA 取S=62.9 KVA2.2.2晶闸管元件的选择2.2.2.1晶闸管的额定电压 晶闸管实际承受的最大峰值电压，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，即=（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得，则 （3-7）取V.2.2.2. 2晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值 ，即 =1.57 或 =K （3-8）考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （3-9）式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.367，考虑(1.52)倍的裕量 取。故选晶闸管的型号为KP20-7。2.2.3晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。2.2.3.1过电压保护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保护三种。（1）交流侧过电压保护1）阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=62.9KVA, =120V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。C6S/U22=6362.9103/1202=78.6F耐压1.5Um =1.5120=254.6V选取10F,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S=62.9KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.31202/62.9103=34.48取 R=35IC=2fCUC10-6=2501012010-6=0.376 APR(3-4)IC2R=(34) 0.376235=（14.8419.79）W选取电阻为2.2，20W的金属膜电阻。=1.3120=220.6V流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10）作交流侧浪涌过电压保护。（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，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。(1.82)=(1.82.2) 230=414460V 选MY31-660/5型压敏电阻(允许偏差+10)作直流侧过压保护。（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052表3-1 阻容保护的数值一般根据经验选定 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1.11.15倍。由于 由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5=1.5120=441V选C为0.15F的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=500.15=0.324W 选R为80，1W的普通金属膜电阻器。2.2.3.2过电流保护 (1)晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=120.7 A选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流150A。（2）过电流继电器的选择因为负载电流为209A，所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25209=261.25A260A2.2.4平波电抗器的计算（1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 （3-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=7.98mH （2）限制输出电流脉动的临界电感量在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为m）可用下式计算 （3-12）式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=6mH （3）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）式中,n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；P电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=209A、n=1450r/min、p=1=3.036mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14） 式中计算系数，查表可得变压器的短路比，取3。本设计中取=3.9、=3所以 =3.93120/（100209）=0.067mH （4）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量如上述条件均需满足时，应取作为串入平波电抗器的电感值，所以本电路选取=60 mH作为平波电抗器的电感值。2.2.5励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。额定电流可查得K=0.367，取=1.2 A=(1.52)K=(1.52)0.3671.2A=0.60.88A 可选用ZP型3A、700V的二极管。为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器 ，动作电流通过 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。额定电流可查得K=0.367，取=1.2 A=(1.52)K=(1.52)0.3671.2A=0.60.88A 可选用ZP型3A、700V的二极管。为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。从产品目录中查得晶闸管KP20-7的触发电流为(5100)mA触发电压3.5V。由已知条件可以计算出 ，图2-2-5主电路图电路2.3触发电路选择触发器选用15V电源，则：Ks=15因为，3.5V，所以触发变压器的匝数比为取14:1。设触发电路的触发电流为100mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于100/14=7.14mA即可。这里选用3DG12B NPN管作为脉冲功率放大管，其极限参数. 触发电路需要三个互差120，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。触发器的电路图如下图 图2-3集成六脉冲触发电第三章总体结构设计3.1双闭环的动态设计和校验3.1.1电流调节器的设计和校验（1）确定时间常数在三相桥式全控电路有：已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。（2）选择电流调节器的结构 因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器 。 电流调机器的比例系数 电流调节器的超前时间系数 （3）电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数=0.03s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，电枢回路总电阻R=2=2.4，所以ACR的比例系数 =（4）校验近似条件 电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。（5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=11.9740=511.68，取520，取0.1，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图3-1-1电流调节器3.1.2转速调节器的设计和校验（1） 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。（2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数（3）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。（4）检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取1000。，取0.1，取1。故。其结构图如下： 图3-1-2 转速调节器 校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算。设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以 =0.00792 =0.79% 10%满足设计要求. 3.2控制电路的设计与计算3.2.1给定环节的选择 已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。3.2.2控制电路的直流电源这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示图3-2-2直流稳压电源原理图3.2.3反馈电路参数的选择与计算 本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主电路。3.2.3.1测速发电机的选择因为，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。 型号最大功率W最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000表62ZYS-14A型永磁直流测速发电机取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。3.2.3.2电流截止反馈环节的选择选用LEM模块LA25-NP电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A，匝数比1：1000，额定输出电流为25mA。选测量电阻=120,P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2时。让电流截止环节起作用，此时LA25-NP输出电流为1.2/250=1.218.25/1000=0.099A，输出电压为1200.099=11.88V，再考虑一定的余量，可选用1N4240A型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V。第四章 直流电动机不可逆调速系统硬件与软件的设计4.1硬件设计部分4.1.1控制模块设计4.1.1.1芯片MC9SXS128B介绍该单片机内部资源相当丰富，在此仅仅介绍这次设计中将用到的主要模块，这次运用到了包括ECT模块(增强型捕捉定时器模块)，PWM模块(脉冲调制模块) CRG(时钟复位和产生模块)ECT模块的结构： 一个16位向上带可编程预分频的主计数器；一个16位的带可编程预分频的模数向下计数器8个独立的定时器通道，每个通道具备输入捕捉和输出比较功能；4个8位脉冲累加器，也可设置成2个16位脉冲累加器；通过对寄存器编程可以实现不同的功能。PWM模块：管脚7通道7计数器周期和占空比通道7计数器周期和占空比通道0计数器周期和占空比通道6管脚6使能选择极性选择管脚0对齐方式选择 8个带周期占空比可程控的PWM独立通道； 4个可程控选择的时钟源；每个PWM通道有专用的计数器；PWM每个通道脉冲极性可以选择 每个PWM通道可使能/禁止；周期和占空比双缓冲；每个通道有中心对齐和边缘对齐方式；分辨率: 8位 (8通道), 16位 (4通道)；带中断功能的紧急切断 CRG模块 大致分为3部分，有时钟的产生，复位以及3种中断：实时中断，锁相环中断以及自时钟模式； 实时中断这次主要用于采集一定时间内的脉冲数方便与测速，本次设计还不需要用到锁相环倍频，最小系统设计时采用的就是16M的晶振；自时钟中断会在本身不起振的情况下工作。4.1.1.2 单片机的选择本次设计选用的是80脚的封装选用了其PWM模块来产生PWM波；选用了其CRG模块来采集数据；选用了其ECT模块来对按键进行中断；4.1.2驱动模块的设计4.1.2.1 驱动芯片MC33886的简介 33886是一个单一的H桥控制电机驱动芯片。该IC集成了内部控制逻辑，电荷泵，门驱动器，输出电路低RDS（on）MOSFET的,33886能够控制直流负载连续电感电流高达5.0A：可以输出负载脉宽调制- ED）的工作频率（高达10千赫的PWM）报告的故障状态输出欠压，短路，过热和条件。两个独立的输入控制两个半桥图腾柱输出。两个禁用投入力量的H桥输出三态（呈现高阻态） 参数化的33886是在一个指定的温度范围内-40C TA 125C, 5.0 V V+ 28 V. 该集成电路还可以操作高达40 V的规格降额的。该IC提供一个表面贴装功率封装的散热垫与接触。 图4-1-2 33886简化内部框图4.1.2.2 驱动电路的设计在MC3386的资料中有其33886简化应用图如下：我在对驱动电路进行设计的时候做了如下改进 改进后：有两块MC33886分别连接直流电机的两端，由其内部简化结构图，我们可以很明显看出只要MC33886有一半是正常工作，则电机驱动不会受影响，保证其正常工作；如果只由一块驱动，假设坏了一部分，则无法工作，无法起到了稳定工作的效果。4.1.3反馈调速模块4.1.3.1 测速方案的选择方案一：采用自制光点码盘，制作简单而且便宜，但其精度不高，将导致测速不精确，使得PI调速自身都产生较大误差。尝试了，考虑到精度，故放弃。方案二：才用光点编码器，采集脉冲很精确但价格较高，考虑到精度所以还是选择了方案二。4.1.3.2 调速方法的选择在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。本次设计，只用到了PI调节，通过比例环节以及积分环节可以对调速的动态响应时间以及将系统从有差调节到无差，由于微分环节的作用是减小超调量以及改变动态响应等，我们可以尽量人为的减少。所以可以只选择PI调节。4.2 软件设计部分4.2.1 编程平台简介CodeWarrior Development Studio（开发工作室）是完整的用于编程应用中硬件bring-up的集成开发环境。 采用CodeWarrior IDE，开发人员可以得益于采用各种处理器和平台（从Motorola到TI到Intel）间的通用功能性。根据Gartner Dataquest的报告，CodeWarrior编译器和调试器在商用嵌入式软件开发工具的使用率方面排名第一。而这只是流行的CodeWarrior软件开发工具中的两个。CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具 - IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。另外，CodeWarrior IDE支持开发人员插入他们所喜爱的工具，使他们可以自由地以希望的方式工作。 CodeWarrior开发工作室将尖端的调试技术与健全开发环境的简易性结合在一起，将C/C+源级别调试和嵌入式应用开发带入新的水平。开发工作室提供高度可视且自动化的框架，可以加速甚至是最复杂应用的开发，因此对于各种水平的开发人员来说，创建应用都是简单而便捷的。 它是一个单一的开发环境，在所有所支持的工作站和个人电脑之间保持一致。在每个所支持的平台上，性能及使用均是相同的。无需担心主机至主机的不兼容。 CodeWarrior开发工作室包括完成大多数嵌入式开发项目所需的所有工具：项目管理器：为软件开发人员处理最高级别的文件管理；按照主要组别组织项目条目；追踪状态信息（例如文件修改日期）；确定每个构建中特定文件的构建顺序及内容；协调插件程序以提供箱版本控制和RTOS支持这样的业务。 文本编辑器：支持源代码和其他文本文件的创建和处理。与其他的IDE功能完全集成。 搜索引擎：查找特定的文字串；以替代文字替换找到的文字；支持常规表达的使用；提供文件比较及差别功能。 源浏览器：保存用于程序的符号数据库；包括变量及功能的名称和值的符号的举例；使用符号数据库协助代码浏览；将每个符号与此符号相关代码的其他位置链接；处理目标导向和程序语言。 构建系统：使用编译器从源代码生成可重新定位的目标代码，并使用链接器从目标码生成最后的可执行图像。CodeWarrior C/C+*编译器工具包括业内领先的C/C+*语言CodeWarrior编译器，包括标准模板库（STL）及各种其他工具。 源级别调试器：提供高性能窗口的源级别调试器，配备最新的高效率增强型图形性能，缩短板的bring-up和应用开发时间；使用符号数据库，提供源级别调试；支持符号格式，例如CodeView、Debug With Arbitrary Records Format（DWARF）和STABS。 指令组模拟器：用于jump-starting应用开发的集成指令组模拟器（仅适用于特定的结构）。 版本控制工具：市场中众多的版本控制工具与CodeWarrior产品兼容。4.2.2 程序流程图设计整个起升系统工作流程是，在系统总电源开关和PLC电源开关合上以后，PLC开始进行工作，对外部输入信号进行扫描处理，并写入内部映像寄存器，然后按照编写好的程序执行，首先根据外部输入信号的指令对变频器上电，在变频器上电以后检测变频器是否有故障、是否掉电、是否过载，如果出现这些情况，抱闸制动装置马上工作，电机制动，变频器掉电，并且显示故障，等待处理。如果变频器和起升系统一切正常，则根据起升速度的档位开关来进行变频器输出电压频率的选择，PLC根据输入映像寄存器的输入状态控制相应的电机工作方式，控制变频器输出相应频率的电压给电动机，电动机工作，系统工作指示灯工作。整个程序处于PLC的循环扫描之中，输出能够迅速响应输入，能够很好的完成系统的工作任务。其程序设计流程图如下图4.1所示。图4.1 程序流程图4.2.3 控制程序设计 根据程序流程图的设计，以及整个塔式起重机起升系统的输入输出信息分析，设计的PLC梯形图程序如下：第五章控制系统仿真调试系统控制程序梯形图编写好以后，要进行PLC的仿真调试，以验证程序的正误，确保系统的安全稳定运行。用GX developer的simulator进行仿真，具体步骤如下：5.1 进入仿真环境并加载程序图5