单片机直流调速系统设计（含中英文资料）.doc

单片机直流调速系统设计摘要近年来，由于微电子技术、电力电子和计算机技术的飞速发展，直流调速系统数字化方面的研究也取得了很大的成就。特别是由于采用了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。本文对单片机控制的直流调速系统进行了比较深入的研究。第1章介绍了目前国内外直流调速系统的发展概况及实现数字化直流调速的必要性。第2章介绍了单闭环直流调速系统的原理及数学模型，并在此基础上介绍了双闭环调速系统和可逆调速系统。第3章介绍了典型低阶系统及电流调节器与转速调节器的参数工程设定方法；第4章介绍了单片机的发展和8051单片机的的特点及其常用的接口电路。最后1章在单片机控制方面讨论了数字测速，转速与电流控制器的原理并给出了软，硬件实现方案。该系统以8051单片机为核心，分别采用了8279，8155，8253等芯片与一些外围电路。采用光电码盘检测速度n的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的水平。关键词直流调速系统；单片机；数字触发。The design of DC timing system based on singlechip controlAbstractOwing to the fast speed in microelectronics，electric power electron system and computer technology，we have made great achievement in digital Direct Current Timing System these years. Especially due to employ microprocessor an some else advanced technology, digital direct current setting have very high precision ,excellent control performance and strong anti-jamming ability .it already widely used at home and abroad.In this paper, deep research on digital current timing system based on singlechip Control is carried out.In first chapter, the paper briefly introduce the general situation in direct current timing system and the necessity to develop digital timing system, Then in second chapter,Introduce the theory of single closed loop DC timing system and its mathematics model. And on this basis describe double closed loop DC timing system and the Reversible timing system .In the third chapter，Introduce the low steps typical system and the methods of how to establish the parameter of electric current regulator and rotational speed regulator. In fourth chapter，Introduce the development of the singlechip and the characteristics of 8051 singlechip and the interface circuit commonly used.Fiannally in the aspect of singlechip control ,it has discussed the principle of number velocity, current/velocity Controller and presents the hardware/ software scheme to achieve it . This scheme regards 8051 singlechip as the core , has separately adopted 8279, 8155, 8253 chips and some peripheral circuit. Adopt photoelectricity yard tray which measures speed n of M/T law feedbacked regulating and digital trigger which have high-resolution ,make the stable state control precision of the systematic reach higher level.Keywords Direct Current Timing System ；singlechip ；digital trigger- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 数字化直流调速系统的发展状况11.1.2 调速系统实现数字化的必要性2第2章 直流调速系统32.1 直流调速的基本原理32.1.1 调速的基本概念32.1.2 调速的分类32.1.3 调速系统的静态指标42.2 单闭环控制调速系统52.2.1 单闭环调速系统的组成52.2.2 静特性62.2.3 闭环系统与开环系统的关系72.2.4 单闭环调速系统的动态数学模型72.3 单环无静差调速系统102.4 转速、电流双闭环直流调速系统112.4.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成122.4.2 稳态结构图和静特性132.4.3 双闭环调速系统的动态数学模型142.4.4 双闭环系统的起动过程分析152.4.5 转速和电流两个调节器的作用162.5 可逆调速系统172.5.1 可逆调速系统的形式172.5.2 逻辑无环流可逆调速系统182.6本章小结21第3章 调速系统的工程设计223.1 典型系统223.1.1 典型I型系统223.1.2 典型型系统253.2 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器293.2.1 电流调节器的设计293.2.2 转速调节器的设计323.3本章小结35第4章 单片机概述364.1 单片机的发展和应用364.1.1 单片机的历史发展概况364.1.2 单片机发展趋势364.1.3 单片机的应用领域374.2 8051单片机简介384.2.1 8051单片机组成结构384.2.2 8051单片机的引脚说明394.2.3 内存空间414.3 8051单片机扩展及接口电路434.3.1 8155芯片与8051的接口434.3.2 利用8279的键盘及显示接口444.3.3 8051与8253的接口电路454.4本章小结46第5章 单片机控制的数字直流调速系统475.1 数字控制的主要特点475.2 单片机控制的数字直流调速系统的硬件和软件485.2.1 系统组成原理485.2.2 系统各单元设计495.2.3 系统动态参数计算585.2.4 软件设计605.3本章小结63结论64致谢65参考文献66附录67千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -绪论课题背景近年来，由于以下三个方面的原因，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。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。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竟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。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。直流调速系统直流调速的基本原理调速的基本概念 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： 式中 转速（rmin） 电枢电压（V） I电枢电流（A） R电枢回路总电阻（） 励磁磁通（Wb） Ke有电机结构决定的电动势常数。从机械特性来看，就是通过改变电枢电压U，减弱励磁磁通，或改变电枢回路电阻R等方法来改变电动机的转速。对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。 速度调节，可以通过手动给定信号并通过中间放大、保护等环节来实现。电动机转速人为给定，不能自动纠正转速偏差的方式称为开环控制。在很多情况下我们希望转速稳定，即转速不随负载及电网电压等外界扰动而改变。此时，电动机能自动调节，即采用闭环控制。在实际的应用中，我们主要还是采用闭环控制来实现电动机的转速控制。调速的分类 一、无级调速和有级调速 无级调速，又称连续调速，是指电动机的转速可以平滑的调节。其特点：转速变化均匀，适应性强而且实现调节自动化，因此，在工业装置中被广泛采用。 有级调速，又称间断调速或分级调速。他的转速只有有限的几级，调速范围有限而且不容易实现调速自动化。 二、向上调速和向下调速 电动机未作调速时的固有转速，即为电动机额定负载时的额定转速，也称为基本转速或其速，一般地，在其速方向提高转速的调速称为向上调速。如直流电动机改变磁通进行调速，其调速极限受电动机机械强度和换向条件限制。反之，在其速方向降低转速的调速称为向下调速。例如改变直流电动机电枢电压进行调速，调速的极限即最低转速，主要受转速稳定性的限制。 三、恒转矩调速和恒功率调速恒转矩调速，即在调速过程中不同的稳定速度下，电动机的转矩是常数。如果选择的调速方法能使电磁转矩TeI常数，则在恒转矩负载下，电机无论在高速或低速下运行，其发热情况始终是一样的。这就是电动机容量能得到合理而充分的利用。这种调速方法称为恒转矩调速。如当磁通一定，调节电动机的电枢电压或电枢回路电阻的方法，就属于恒转矩调速方法。 恒功率调速，具有恒功率特性的负载，是指在调速过程中负载功率PL 为常数的负载，其负载转矩TL=(为励磁调节系数)，这时，如果采用上述恒转矩调速方法，使调速过程保持TeI，则在不同转速时，电动机的电流将不同，并在低速时电动机将会过载，因此，要保持调速过程电流恒定，应使功率I，这种调速方法称为恒功率调速。对于直流电动机，当电枢电压一定时，减弱磁通的调速方法属于恒功率调速。用恒功率调速方法去带动恒转矩负载也是不合理的，在高速时电机会过载。调速系统的静态指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求，归纳起来，对于调速系统转矩控制的要求主要有一下三个方面：1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分有级和无级调速。2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。3）加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减尽量快，以提高生产率，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定量分析，针对前两项要求定义了两个调速指标。一. 调速范围生产机械要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围。通常用字母D表示，即 D其中nmax和nmin一般指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，也可以用实际负载时的最高和最低转速。二静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落nN 与理想空载时转速no之比，称作静差率S。 S=100%显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定性的，他和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高，此外，静差率也与工作速度有关，速度越高，静差率越小，速度越低时。静差率越大，由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提出才有意义。对于调压调速系统，调速范围、静差率和额定速降之间的关系如下： 在直流电机调压调速系统中，设额定负载时的转速降落为nN，设系统静差率是最低转速时的静差率。即 S于是 调速范围 D将上面的nmin式代入，得 D上式即为调速范围、静差率和额定速降之间所满足的关系，对于同一个调速系统，nN值一定时，如果对静差率要求越严，即要求S值越小时，系统能够允许的调速范围越小。于是，一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。单闭环控制调速系统单闭环调速系统的组成 转速负反馈的闭环直流调速系统原理图，如图21所示.IdUPEAR1UcUnUdMUn*nUnTGUtgR2图21 转速负反馈的闭环直流调速系统原理图测速电机TG作为速度反馈元件，其输出电压UtgN Ce，从电位器R2得到电压Un，便是转速负反馈电压Un，它与从电位器R1上取得的给定电压作比较后，得到偏差电压UnUn*Un，经过放大器A后，便成为晶闸管触发装置的控制电压Uc，该系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环控制调速系统。静特性设负载电流ILIa1时，电位器R1给出一定电压，在放大器的输入电压Un,晶闸管触发装置的控制电压Uc，它的控制角为，平均整流电压为Ud1，则电动机运行在由Ud1决定的工作点a处，转速为，如图22所示，当负载转矩加大时，负载电流就增大，如增大到Ia2，相应的电枢回路电阻压降增大，转速随之下降。若是开环系统，则稳定运行于Ud1决定的特性的工作点b处。但在闭环系统中，速度反馈元件TG的输出电压随着转速的下降而减小，即反馈电压Un减小，使偏差电压Un1增加至Un2，通过放大器放大，控制电压增加至Uc2，控制角减小到，晶闸管装置的输出电压提高到Ud2，增加的整流电压用以补偿电阻压降增量的很大部分，而系统工作在Ud2决定的特性的工作点b处。所以稳态速度降落比开环系统小很多。nn1IaIa4Ia3Ia2Ia1bdcbaUd4Ud3Ud2Ud1图22 闭环系统的静特性以上分析了转速负反馈单闭环控制调速系统的工作原理和静特性，下面推导出系统的静特性方程，先作如下假设：(1) 忽略各种非线性因素，假定系统中得各环节的输入输出关系都是的，或者只取其线性工作段。(2) 忽略控制电源和电位器的内阻。这样，由图得出各环节的稳态关系如下： 电压比较环节 放大器 晶闸管触发和整流装置 调速系统开环机械特性 测速反馈环节 以上各关系中 放大器的电压放大系数； 晶闸管的电压放大系数； 转速反馈系数； 电力电子变换器理想空载输出电压。将上述关系式整理后，得出转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式 其中 K 称做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机的转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。闭环系统与开环系统的关系如果断开反馈回路，则上述系统就成了开环系统，其机械特性为： n则闭环系统的静特性可写成 n 式中，分别表示开环和闭环系统的理想空载，表示开环和闭环系统的稳态速降。比较开环和闭环系统，我们可以得出以下结论： (1)闭环的理想空载转速为开环系统的的1（1k）。(2).若和相等，对于相同的负载，闭环系统的速降是开环系统的1(1K)倍。说明闭环系统静特性比开环系统的机械特性硬。 (3). 如果要求的静差率一定，则闭环系统的调速范围为开环系统的(1K)倍。 综合上述三点，提高闭环系统的开环放大系数K是增大系统的调速范围，减小静态转速降落的有效措施。而KKpKsKe，K要足够大，必须设置放大器，并增大其放大系数Kp；也可增大速度负反馈系数(1)。单闭环调速系统的动态数学模型为了对调速系统进行稳定性和动态品质分析，须建立系统的数学模型。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，可用传递函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)根据系统中个环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程。 2)求出各环节的传递函数。 3)组成系统的动态结构框图，并求出系统的传递函数。下面我们将分别给出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23所示：RIdLUdon, TeTL+EM图23直流电动机等效电路规定正方向如图所示。假如主电路电流连续，则动态电压方程为： 忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为 电磁转矩 式中 包括电动机空载转矩在内的负载转矩（N.m）。 电力拖动系统折算到电动机轴上的飞轮惯量（N.）。 额定励磁下电动机的转矩系数（N.mA）， ，将上述微分方程式加以整理可得 其中 LR电磁时间常数； Tm电力拖动系统机电时间常数；过载电流（A）。在零初始条件下，将上面的等式两边进行拉式变换，得 电压与电流之间的传递函数： 电流与电动势间的传递函数： 根据上面两式并考虑nECe 即可得到额定励磁下直流电动机得动态结构图如图24所示：Ud0（s）IdL（s）n(s)E(s)Id（s）图24 额定励磁下直流电动机得动态结构图由图24可知，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压Udo，一个是负载电流IdL。前者是输入量，后者是扰动输入量。如果要在结构图中显示电流Id，可将IdL的综合点前移，进行等效变换，其结构图如图25 a）所示，如果是理想空载，则Tdl0，结构框图即简化成图25 b)所示。R（TlS1）n（s）Udo（s）IdL（s）A）a）Udo（s）n（s）b） 图25 直流电动机动态结构框图的变换和简化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 Ws（s）3比例放大器和测速发电机的传递函数。 比例放大器传递函数： 测速发电机的传递函数： 其中 比例放大系数 速度反馈系数由此，我们知道各环节的传递函数，则闭环调速系统的结构图如图26所示：-图26 反馈闭环直流调速系统的动态结构图知道了各环节的传递函数，于是可以写出闭环调速系统的传递函数Wcl（s） 式中：K则上式还可以写成： Wcl（s）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由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Uin时，相当于放大倍数为Kp的比例调节器，当Uin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Uin0，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27所示。UdUnUn*1/CePIKsUnIdRn(s)图27 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（V.minr）； 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Idcr计算出，PI调节器的参数Kp和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Kp=R1/Ro,由Kp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。转速、电流双闭环直流调速系统采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统，可以消除静态误差，又能保证动态的稳定性，较好的解决了动静态的矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形。在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流负反馈，又使他们只能分别在不同的阶段里起作用呢？显然只用一个调节器是不可能的，考虑采用转速和电流两个调节器。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，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制静闸管触发装置，二者之间实行串级连接，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，如图2-8所示。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG内环外 环ni图28 转速、电流双闭环直流调速系统ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器Un*转速给定电压 Un转速反馈电压 Ui*电流给定电压Ui电流反馈电压稳态结构图和静特性为使转速、电流双闭环调速系统具有良好的动静态特性，转速和电流两个调节器都采用PI调节器，转速和电流都采用负反馈闭环。为了分析双闭环调速系统的静态特性，必须先知道它的稳态结构图，其稳态结构图，如图29所示。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-Ui图29 双闭环直流调速系统的稳态结构图a转速反馈系数 b 电流反馈系数 分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。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。双闭环调速系统的静特性如图210所示。CBA图2-10 双闭环直流调速系统的静特性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。 ，得出 由图210所示的CA段，由于ASR不饱和，Ui*Uim*。可知，也就是说CA段静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，它是水平的特性。2转速调节器饱和ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时， 为最大电流。静特性是图3-4中的AB段，它是垂直的特性。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，转速负反馈起主要调节作用。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。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。双闭环调速系统的动态数学模型在单闭环直流调速系统的数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-11所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。U*na Uc-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图211 双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环系统的起动过程分析通过启动的动态过程分析，可更清楚地了解转速调节器ASR和电流调节器ACR是如何起调节作用的。转速和电流的动态过程示于图212所示。IIIIIIn OOttn* Id Idm Id t1t2 t4 t3 图212 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，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I、II、III三个阶段。第I阶段（）是电流上升阶段。突加给定电压后，、都上升，在没有达到负载电流以前，电机还不能转动。当后，电机开始起动，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的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流迅速上升。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不饱和。第II阶段（）是恒流升速阶段，ASR饱和，转速环相当于开环，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，为了克服它的扰动，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（以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值，电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直=时，转矩，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间内，直到稳定。系统达到稳定时，IaIL，nn1，ASR和ACR的输入偏差均为零，但是由于积分作用，他们都有恒定的输出电压，其值分别为 式中 Ki电流反馈系数 终上所述，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 根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：(1)当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统。(2)当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。2转速超调 由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。3准时间最优控制。 起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。转速和电流两个调节器的作用 综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： 1. 转速调节器的作用(1)转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。(2) 对负载变化起抗扰作用。 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。可逆调速系统可逆调速系统的形式生产实践中许多生产机械要求电机能够可逆运转，如可逆轧机的来回轧制，龙门刨工作台的往返工作，矿井卷扬机和电梯的提升和下降，电气机车的前进和后退等等。有些生产机械虽不要求可逆运行，但却要求能进行快速电气制动。因此，这些生产机械都要求电机的电磁转矩能够自由改变方向，我们称此系统为可逆调速系统。直流电机的电磁转矩方向可由磁场和电枢电流的方向来决定。磁场方向不变，通过改变电枢电压极性实现可逆运行的系统称为电枢可逆系统，如图213所示。两组晶闸管之间，有两种基本联结方式；第一种是由一个交流电源同时向两组晶闸管供电，称为反并联线路。如图213 a)所示。第二种是两组晶闸管分别由两个独立的交流电源供电，称为交叉联结线路。如图213 b)所示。Ma)L2L1VRUUVFUIaUVRL1L2VFMUdozUdofih b)图213 电枢可逆系统若电枢电压极性不变，通过改变励磁电流方向而实现可逆运行的系统称为磁场可逆系统，如图214所示。Ten能量M 图214 磁场可逆系统当系统容量很大时，如果采用磁场可逆系统，在电枢回路中只需要一套大容量的晶闸管装置；而励磁回路需要增设两套晶闸管装置，但其容量，相对来说时很小的， 故可大量节省系统的投资费用，缺点是电机励磁回路的时间常数很大，往往达到几秒甚至十几秒，所以系统的快速性差，另外，磁场可逆系统的控制回路也十分复杂，所以，只有当系统的容量很大，而且对快速性要求不高时，才考虑采用磁场可逆系统。逻辑无环流可逆调速系统当工艺过程对系统过渡特性的平滑要求不是很高时，采用无环流系统，在此系统中，一律采用反并联线路。如图215所示是工业上应用最多的逻辑无环流系统。它消除环流的方法是：当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，切断了环流的通路。Ui*UnUn*Uc2LGUiYBUc1FHGTFVFVRGTRUUASRACR1MIUGWLZ图215 逻辑无环流系统逻辑无环流系统的主回路采用反并联线路；因为无环流，所以没有设置环流电抗器，另外，增加无环流逻辑装置（简称WLZ）。此控制系统采用典型的双环系统。与自然环流不同之处在于采用了WLZ对正反两组触发器GTF和GTR进行脉冲的释放和控制。下面主要讨论无环流逻辑装置的工作原理。WLZ的任务，是正确的对正反两组晶闸管装置进行切换，当系统的工作状态要求电机产生正向转矩，即要求电机电枢电流为正时，WLZ将正组触发器GTF的脉冲释放出来，去触发正组晶闸管装置工作，同时，封锁反组脉冲，使反组晶闸管的控制极上失去触发脉冲，以保证不产生环流。相反，当系统工作状态发生变化，要求电机产生反向转矩，即要求电枢电流为负时，则WLZ应对系统进行切换，将正组脉冲封锁，反组脉冲释放。所以，为了保证WLZ正确工作，必须首先检测出系统对电枢电流Ia极性的要求。显然，转速调节器ASR输出的电流给定信号Ui*恰好反映了工作状态对电枢电流Ia 的大小和极性的要求。所以WLZ应首先对电流给定信号Ui*的极性进行鉴别，以决定应该释放哪一组脉冲，封锁哪一组脉冲，即WLZ应具有给定电流鉴别器，将鉴别的结果作为逻辑装置的第一个驱动信号。电流给定信号方向变化，是系统逻辑切换的必要条件，但不是充分条件。例如当系统进行制动时，电流给定信号Ui*极性改变，仅表示制动过程的开始，但当实际电枢电流反向之前瞬间，仍然必须保证本组工作，以便本组逆变阶段的完成，只有在实际电流降到零时，再给WLZ发出切换的命令。另一方面，如果本组电流没有断续，强行封锁处在逆变状态下的本组触发脉冲，是绝对不允许的。所以，WLZ还必须具备有零电流检测器，对实际负载电流进行检测，等到电流真正到零时，送出零电流信号，作为WLZ的第二个驱动信号。WLZ的第二个组成部分时逻辑运算电路。因为给定电流极性信号和零电流信号都是模拟量，在进行逻辑运算以前应转变成数字量。逻辑运算电流包括逻辑判断环节和方向记忆环节。前者是根据给定电流极性信号的零电流信号的数字量进行逻辑判断，然后发出切换指令，后者用于记忆切换后的状态，直到下一次切换条件成熟，才允许进行下一次切换。 WLZ的第三个组成部分是延时电路，由封锁延时和释放延时环节组成。封锁延时是指从发出切换指令到真正封锁掉原工作组脉冲，二者之间应该留出来的等待时间。这是因为电流是脉动的，时高时低，而零电流检测器有很小动作电流Io的要求。如果脉动电流瞬时低于Io而实际仍在连续变化时，就发出了零电流信号而降本组脉冲封锁，则会使处于本组逆变阶段的过程颠复。设置封锁延时后可避免此点，因经过一段时间，电流仍不再超过Io，说明电流确实断开了。释放延时是指从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间。设置该环节是因为晶闸管一旦被触发，只有待电流过零时才能真正关断，并经过一般时间以后方可恢复阻断能力。若在此之前，让另一组导通，则会使两组晶闸管同时导通，造成电源短路。WLZ的最后组成部分使逻辑联锁环节，主要用于防止逻辑装置误动作而同时开放正反两组脉冲，即UI、UII不可能同时为“1”态。WLZ的功能如图216所示。零电流检测UIIUi图216 WLZ的功能及其输入输出信号UIUi*给定电流极性鉴别逻辑判断封锁延时方向记忆释放延时逻辑联锁2.6本章小结改变电枢电压实现调速控制是直流调速系统的主要方案。调速范围D与静差率S是直流调速系统的两项重要调速指标。系统的静差率是指最低转速时的静差率。系统的调速范围是指满足一定静差率条件下的调速比。两项调速指标互相关联，只有同时提出才有意义。开环调速系统可实现较大范围的转速平滑调节，但静态速降大，机械特性不硬，当对调速精度有较高要求时不能满足具有一定静差率的调速范围的要求，需引入转速负反馈控制，这样将负载扰动引起的静态速降减小为原来开环系统的1/(1+k),因而