全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统的研究(论文+DWG图纸+开题报告+外文翻译+文献综述)
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全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统的研究(论文+DWG图纸+开题报告+外文翻译+文献综述),数字化,闭环,可逆,直流,pwm,调速,系统,研究,钻研,论文,dwg,图纸,开题,报告,讲演,呈文,外文,翻译,文献,综述
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I 摘 要 当今，自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、 方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。 微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流 速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流 速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究上作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外 设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。 论文分析了系统上作原理和提高调速性能的方法，研究了 块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字 制器、双极式 H 型 换电路、转速与电流控制器的原理，并给出了软、硬件实现方案。该方案以 89机为核心，分别采用了 8255,8253, 8279, 741914 等芯片与一些外围电路。通过实时测试与调节电动机的转速 /电流，此调速系统可获得 快速、精确的调速效果。 关键词： 直流可逆调速，数字触发， 字控制器 in of C as in of in DC is up of C a DC in of of in is of it is in a of C up a a n of is on of of In it of so as to of of of on of so of it of WM to is on 9255/8253/8279/4191 By s C 录 第 1章 引言 . .气传动技术发展现状 . . .机控制电机的发展和现状 . .机微机控制系统的特点 . .课题在实际应用方面的意义和价值 . . 2章 单闭环控制直流脉宽调速系统 . . 4 闭环直流调速系统简介 . . 4 流电动机的调速方案 . . 4 速系统的静态指标 . . .环系统机械特性和闭环系统静特性 . .用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统 . .例积分单闭环脉宽控制系统 (无静差系统 ). .章小结 . . . 3章 微机控制双闭环可逆直流 . 速、电流双闭环调速系统及其静特性 . . 题的提出 . . 速、电流双闭环调速系统的组成 . . 态结构图和静特性 . . 变量的稳态工作点和稳态参数计算 . . 闭环脉宽调速系统的动态性能 . . 态数学模型 . . 动过程分析 . . . 态性能和两个调节器的作用 . . 流调节器和转速调节器的设计 . . 流调节器的设计 . . 速调节器的设计 . . . . . . 冲电路 . . 2 3 宽调速系统的开环机械特性 . . 宽调速系统的电流脉动量和转速脉动量 . . 流脉动量 . . 速脉动量 . . . . . 力晶体管的开关过程、开关损耗和最佳开关频率 . . . 3 1 关过程 . . 通时间 . . 断时间 . . 开关损耗 . . 佳开关频率 . . 章小结 . 第 4章 双闭环可逆直流 系统的硬件设计 . . . . . . . 要芯片的选择 . . 片机的选择 . . 8253 可编程定时器 /计数器芯片 . . 8279 可编程键盘、显示接口芯片 . . A/D 转换芯片 . 3 8 精度数字测速电路 . . M/T 法测速原理 . . 字测速硬件电路 . . 盘 /显示接口 . . 数字 制器 . 4 2 升电压限制电路 . . 4 4 章小结 . . 第 5章 调速系统的软件设计 . . 件设计的基本要求 . . 件的结构设计 . . 件的编制 . . 机头文件的设置 . 程序设计 . 字电流调节器和数字转速调节器的算法及软件实现 . 统的软件抗干扰措施 . . 拟输入信号的噪声滤波 . 止程序运行失常的软件措施 . 件冗余技术 . . 第 6章 硬件电路的改进 . 第 7章 总结 . 参考文献 . . 致 谢 . 6 1 附录 A 系统硬件原理图 . 6 2 附录 B 系统程序清单 . . 1 第 1 章 引言 电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电机种类的不同分为直流电动机传动 (简称直流传动 )、交流电动机传动 (简称交流传动 )、步进电机传动 (简称步进传动 )、伺服电动机传动 (简称伺服传动 )等等。众所周知，与交流调速系统相 比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制上作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术己广泛应用于国民经济的各个领域。 三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用己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，控制电路己经实现高集成化、小型化、高 可靠性及低成本。以上技术的应用，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。 由于直流电气传动技术的研究和应用己达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，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，直流调速仍然处于主要地位。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压 ，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，直流传动系统己经广泛使用微机，实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，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化控制系统，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，直流传动控制采用微机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。 微机，出现于 20 世纪 70 年代，随着大规模及超大规模集成电路制造上艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使 2 电机出现新的面貌。 比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在己普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各 类电机的动作。 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 (称 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 。 目前，很多电机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的发展方向。在微机控制系统中，通常是既有模拟信号，也有数字信号；既有连续信号，也有离散信号。由于计算机的 能识别和处理数字信号，而且只能一次次离散地处理，所以计算机处理外界信息时总要有一个采样过程，电机微机控制系统必然是一种采样控制系统 。 电机采用微机控制，还具有以下特点 : (1)硬件比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化。 (2)可以分时操作；一台微机可以起多个控制器的作用，为多个控制回 路服务；也可控制多个电机，完成较多功能。 (3)计算机具有记忆和判断功能，系统的控制方式由软件决定，若要改 变控制规律，一般不必改变系统的硬件，只需按新的控制规律编出 新的程序即可；且可在运行中随时根据不同的电机上作状态，选择 最有利的系统参 数、系统结构及控制策略等；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)信息处理能力强，可 以完成各种数据的处理，及时给操作人员提供 有用的信息和指示。 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。 3 电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一从80 年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速己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。特别是采用了微机及其他先进技术，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。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。 采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动，制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格 比，所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。近年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机良好的启动、制动性能，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用 . 现阶段，我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用，国外先进的控制器价格昂贵，研究及更好的使用国外先进的控制器，具有重要的实际意义和重大的经济价值。 4 第 2 章 单闭环控制直流脉宽调速系统 在现代 化 工 业生产中，生产机械都不停地运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。 闭环直流调速系统简介 流电动机的调速方案 由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式为 e （ 2 由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种： 1. 改变电枢回路总电阻 R 如图 2电阻 R 越大，特性线斜率越大，机械特性越软。若负载转矩为 应所需的电枢电流为 负载大小不变时总电阻越大，转速越低。由于电阻耗能大，机械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。 R aR a + R 1R a + R 2n 1n 2n 3n 2n 1 U 1 U 2 U 3变电枢电压调速特性 变电压调速要有可调的直流电源。根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控硅变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，将交流电通过整流提供直流电源，实现脉冲调压调速。随着电力电子全控器件的成熟，采用全控电力晶体管 全控式电力电子器件组成的直流脉宽调制 (的调速系统近年来己发展成熟，用途越来越广。 第一个指标为调速范围 D，它是拖动系统在额定负载转矩时能够提供给生产机械的最高转速与最低转速之比。 6 （ 2 另一个指标为静差率 s，它是电动机由理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速 n。之比。 %1 0 000000 (2它表示负载变化引起调速系统的转速偏离原定转速的程度。系统的调速特性越硬， s 越小，说明系统的稳定性能越好。另外，转速越低，静差率越大，故调速系统静差率指标 以最低转速对应的数值为准。在考虑生产机械对转速相对性(即静差率 )的要求后，电动机最低转速受到了限制，也即调速范围受到限制。 采用降压调速时，调速范围、静差率及转速降三者关系为： sn mn 10 0(2在这里为了分析简单，不单独讨论开环系统，由简单闭环系统引出开环系统的特性。 c t U d 0I d + +K Ce 环调速系统 如图 2转速闭环调速系统，如果把闭环系统的反馈回路断开，就成了开环系统，则上述系统的开环机械特性为 0*0 (2而闭环时的静特性可写成 0*11(2其中 别表示开环和闭环系统的理想空载转速 ； 7 别表示开环和闭环系统的稳态速降；。比较式 (2 (2以得出以下结论。 （ 1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降分别为 1 它们的关系是 1(2显然，当 K 值较大时， 得多，即闭环系统的特性要硬得多。 ( 2 ) 如果比较同一 n。的开环和闭环 系统，则闭环系统的静差率要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当开环和闭环系统的稳态速降相等 (即 = ， 1(2( 3 ) 当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是对最低速静差率 的要求相同，则 开环时， 1闭环时， sn cl 1考虑式 (2 9)可得 1 (2要取得上述优越性，只要闭环系统设置放大器即可。总之，闭环系统可以获得比开环系统硬得多的特性，从而保证在一定静差率的要求下，能够提高调速范围。在闭环系统中降低速降的实质是：在开环系统中，当负载电流增 大时，电枢压降也增大，转速就降下来了；闭环系统有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了，通过比较和放大，提高脉宽调制的输出电压 系统上作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。 用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统 8 采用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统的动态结构图如图 2示。 当 = 0 时，只有扰动输入量 是的输出量即为负载扰动引起的转速偏差 (即动态速降 ) n，可将动态结构图画成如图 2形式。 U c t ( s )I d l ( s )+ +K n U n s U n s 1K pw R ( T l S + 1 ) 1/ 1m T l T m Sa）一般情况 +K 1K pw 1/1m T l T m S- I d l ( s )R ( T l S + 1 ) nb) 0 图 2用比例调节器的闭环有静差调速系统结构图 利用反馈连接等效变换法则，可得 11111 2(2于是 11112(2突加给定时， 利用拉氏变换的终值定 理可求出负载扰动引起的稳态误差： 9 1111100(2上式说明采用比例调节器的闭环控制系统是有静差的。 例积分单闭环脉宽控制系统 (无静差系统 ) 用比例积分调节器控制的闭环调速系统当 = 0 时的动态结构图如图 2 一6 所示。 R ( T l s + 1 )+ 1/1 T m sT m T l i 11W M+- sI 2例积分调节器控制的闭环调速系统结构图 和前面的推导方法一样，在这里， 111112 (2则 稳态速率为 011111（ 2 因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。显然，只要调节器中有积分成分，系统就是无静差的。还可以得出如下的结论：只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，这个恒值扰动便不会引起稳态误差。如果积分环节出现在扰动作用点以后，它对消除静差是无能为力的。严格说来，“无 10 静差”只是理论上的，因为积分或比例积分调节器在稳态时电容两端电压不变，相当于开路，运算放大器的放大系数理论上无穷大 ，所以才能在输入电压 = 0 时，使输出电压 任意值。实际上，这时的放大系数是运算放大器本身的开环放大系数，其数字虽大，还是有限的，因此仍存在着很小的 就是说，仍有很小的静差 n，只是在一般精度要求下可以忽略不计而己。 本章讨论了改变电枢电压来实现调速控制是直流调速系统的可行方案。简要介绍了直流调速系统的两项重要调速指标：调速范围 D 与静差率 s。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。两项指标同时关联，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，这样将负载扰动引起的静态速降减小为原系统的 1/(1+K)，因而在一定静差率的调速范围扩大 (1+K)倍，或者说在一定调速范围内减小了静差率。作用在闭环系统反馈环内主通道上的各个环节上的扰动都会受到闭环反馈调节作用的抑制，这些扰动作用最终造成的转速变化量都将被减小。 有静差调速系统其控制量与偏差成正比，只能减小偏差而不能消除它，其根本原因是采用了比例调节器。若换为 节器，则系统的控制量与调节过程中偏差对时间的积累成正比，稳态时偏差为零，依靠积分调节器的记忆作用保持一定的控制量，这样便成为无静差的调速系统。 11 第 3 章 微机控制双闭环可逆直流 速系统 原理设计 采用门极可关断晶闸管 控电力晶体管 电力电子器件组成的直流脉冲宽度 (的调速系统近年来己经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统 (统 )相比，在很多方面具有较大的优越性： (1)主电路线路简单，需用的功率元件少； (2)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小； (3)低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽； (4)系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强； (5)主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高； (6)直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。 流双闭环调速系统及其静特性 由前面的分析可知，采用转速负反馈和 节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现 转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起、制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求。这主要是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矩。 在单闭环调速系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截至负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形如图 3示。当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。 对于象龙门刨床、可 逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流 (转矩 )受限的条件下，希望充分利用电机允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩 )为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形见图 3时，起动电流呈方形波，而转速是呈线性增长的。这是在最大电流 (转矩 )受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 12 I dI d c rI d d 电流截至负反馈得单闭环调速系统启动过程 nI d d 想快速启动过程 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图 3示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键要获得一段使电流保持为最大值 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就应该得到近似的恒流过程。问题是希一望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让 它和转矩负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳定转速后，又希一望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢 ?双闭环调速系统可以解决这个问题。 流双闭环调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，如图 3示。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制 制器。从闭环结构上看，电流调 节环在里面，叫做内环；转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用 节器。 13 为了分
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