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数字直流调速系统的设计与实现 摘要 当今，自动化控制系统已经在各行业得到了广泛的应用和发展，而直流调 速系统控制作为电气传动的主要方式之一，在现代化生产中起着主要作用。随 着微电子技术的发展，计算机在调速系统中的应用不仅使系统简化，体积减小， 可靠性提高，而且各种经典和智能算法都分别在调速系统中得到了灵活的应用， 以此来实现最优控制。 本论文在直流调速系统理论研究的基础上，对双闭环直流调速系统中的转 速调节器采用p i d 控制算法、电流调节器采用p i 算法；提出了p i d 参数的整 定方法，并运用m a t l a b 仿真软件进行比较分析；在以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 为基础的开发平台实现系统的硬件和软件设计；最后利用组态王软件编写上位 机监控软件监视和控制系统的运行。 关键词：p i d 整定硬件设计软件设计监控 t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ed i g i t a ld cs p e e d r e g u l a t i o n a b s t r a c t a t p r e s e n t ，a u t o c o n t r o ls y s t e mh a s b e e nw i d e l y u s e da n dd e v e l o p e di ne v e r y w a l ko fl i r e t h ed cs p e e dr e g u l a t i o n ，a st h ea r t e r yi nt h ea r e ao fe l e c t i cd r i v e s y s t e ma c t st h em a i ne f f e c ti nm o r d e r n i z a t i o np r o d u c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h em i c r o e l e c t r i c i t y ，t h eu s eo ft h ec o m p u t e ri ns p e e dr e g u l a t i o ns y s t e ms i m p l i e s t h es y s t e m ，r e d u c e st h ev o l u m e ，i n c r e a s e st h er e l i a b i l i t y t h eo p t i m u mc o n t r o li s a c h i e v e db yt h eu s eo fb o t hc l a s s i c a lm e t h o d sa n di n t e l l i g e n tm e t h o d s t h ep a p e ri sb a s e do nt h et h e o r yo ft h ed cs p e e dr e g u l a t i o n t h ek i n do fs p e e d c o n t r o l l e ri sp i da n dt h a to ft h ec u r r e n tc o n t r o l l e ri sp i t h ep a p e rd e s c r i b e st h e m e t h o d st ot u n et h ep a r a m e t e r so fp i d ，a n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e s e m e t h o d sb ym a t l a bs o f t w a r e t h e n ，i td e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e w h i c ha r eb a s e do nt m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mb yt h ek i n g v i e ws o f t w a r e k e y w o r d s ：t u n et h ep a r a m e t e r so fp i dd e s i g nh a r d w a r ea n d s o f t w a r e m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m 插图清单 图2 1 不同转速下的静差率4 图2 2 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标5 图2 3 突加扰动的动态过程6 图2 4 双闭环直流调速系统电路原理图7 图2 。5 他励直流电动机等效电路图8 图2 6 他励直流电动机动态结构图9 图2 7 三相桥全控整流电路原理图9 图2 8 双闭环直流调速系统动态结构图1 0 图2 9 典型i 型系统结构图和波特图1 1 图2 1 0 典型i i 型系统结构图和波特图1 1 图2 1 1 电流环的结构图1 2 图2 1 2 转速环的等效结构图1 3 图2 1 3 数字双闭环直流调速系统原理图1 4 图3 1 工程整定方法下的转速和电流曲线1 9 图3 2 带有延迟的一阶过程模型阶跃响应图2 0 图3 3 带有继电器的控制框图2 1 图3 4z n 频率整定下的电流和转速曲线2 4 图3 5 模糊控制器的组成2 5 图3 6 模糊自整定p i d 参数控制系统的结构图2 8 图3 7 输出的一般响应曲线2 8 图3 8 各模糊变量的隶属度函数2 9 图3 9 模糊自适应p i d 整定下的电流和转速曲线3 1 图4 1 系统的基本方框图3 3 图4 2 同步电路3 5 图4 3 同步脉冲产生序列3 5 图4 4q e p 原理图3 7 图4 5 正交编码脉冲和编码定时器时钟及方向3 7 图4 6 霍尔传感器原理图3 8 图4 7 保护电路3 8 图5 1 主程序流程图4 1 图5 2 中断程序流程图4 2 图5 3 转速环计算流程图4 2 图5 4 电流环计算流程图4 3 图5 5 组态王和d s p 系统的连接结构图4 5 图5 6 变量定义画面4 7 图5 7 系统实时曲线4 9 图5 8 系统历史曲线5 0 表格清单 表2 1 典型l 型系统跟随指标与参数关系一1 1 表2 2 典型i 型系统抗扰指标与参数关系( 善= 0 7 0 7 ) 1 1 表2 3 典型i i 型系统跟随性能指标与参数关系1 2 表2 4 典型i i 型系统抗扰指标与参数关系1 2 表3 1 z n 阶跃响应法的参数整定表2 1 表3 2 基于频率响应的参数整定表2 2 表3 3a k p 的模糊规则表3 0 表3 4 a k ，的模糊规则表3 0 表3 5 a k d 的模糊控制规则表3 0 表4 1 电源状态与触发晶闸管的关系3 6 表5 1 组态王中定义的数据寄存器格式4 6 表5 2 创建的记录体b i n d 。4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：相徘字日期：刎矿年7 月j 门了 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒旦巴工些塞 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：栩诽谳导师签名： 归、仫 签字日期：触髟年1 月心日签字日期：谚年上月l d e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 致谢 本人在从事课题研究和论文的撰写过程中，我的导师一陈梅老师对我的论 文倾注了大量的精力并提出了宝贵的建议。陈老师以她渊博的知识和丰富的经 验，给了我莫大的帮助，在生活上给予我无微不至的关心。同时，非常感谢李 鑫老师在课题研究期间对我的帮助。两位老师的帮助和指导不仅丰富了我的专 业知识，而且教给我许多做人的道理。再此，向他们表示深深的谢意! 感谢实验室的尹蓓蓓同学、洪飞同学及师弟师妹们! 感谢他们在我的论文 完成过程中给我的帮助和关心。 感谢我的家人! 感谢他们对我的关心和支持! 感谢所有关心和帮助我的朋 友! 作者：杨琳琳 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 1 1 引言 在当今电气传动领域，由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性， 因此在要求高起、制动转矩，快速响应和宽速度调节范围的电气传动中，仍广 泛采用直流电动机作为执行电机的直流调速系统。直流电动机具有优良的调速 特性，调速平滑，方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能受频繁的 冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统 中各种不同的特殊运行要求，所以直流调速系统至今仍然被广泛地用于自动控 制要求较高的各种生产部门，是调速系统的主要形式。 在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节， 并且要求有良好的静，动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制 特性，在我国许多工业部门，如轧钢，矿山采掘，海洋钻探，金属加工，纺织 等场合仍然占有重要地位。而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟， 从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，直流调速系统的 应用研究具有实际意义。 1 2 国内外研究的现状 我国从6 0 年代起试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得 到迅速的发展和广泛的应用。目前，用于中、小功率的0 4 - 2 0 0 k w 晶闸管直 流调速装置以作为标准化、系列化通用产品批量生产；用于大功率的2 0 0 0 k w 系列产品也开始在某些大型轧机上试用。晶闸管供电的直流调速系统在我国国 民经济各部门得到广泛的应用。从2 0 世纪8 0 年代中后期起，以晶闸管整流装 置取代了以往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一 次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、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度提高，应用范围不断扩大， 直流调速技术不断发展。 随着各种新型控制器件的发展，直流电动机晶闸管调速系统除向大功率发 展以外，正在实现控制单元标准化、集成化、小型化、结构积木式组合。对某 些小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组合一体化。尤其是今年来，国 外各厂家竞相推出全数字直流调速装置，使得直流调速系统在理论和实践方面 都迈出了一个新台阶。 从技术上，它能成功地做到从给定信号，调节器参数设定、直到触发脉冲 地数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直 流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同软件版本对不同类 型的被控对象进行控制，而且具有操作简单、抗干扰能力强等特点，尤其是方 便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积 小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积 大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些诸多优点，如查找故障迅速、 调试精度高、维护简单。使其具有了广阔前景；与国外全数字直流调速控制装 置相比，目前国内还没有生产出功能完善、控制精度高且可靠、保护功能齐全 等优点的数字直流控制器。 随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和传感器的 出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气 传动装置不断向前发展。微机的应用使电气传动控制系统趋于数字化、智能化， 极大的推动了电气传动的发展。世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传 动装置，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅， 控制面板采用表面安装技术，控制方式采用电源换相、相位控制等。特别是采 用1 6 位( 或3 2 位) 微处理器以及其它先进技术，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。在国内外得到了广泛的应 用。今年来，全数字化调速装置不断推出，为工程应用提供了优越的条件。 1 3 本课题在实际应用方面的意义和价值 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8 0 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。 2 第二章直流调速系统理论研究和方案确定 2 1 直流调速系统的控制方法 直流电动机转速以的表达式为： ，一，p 以= 二丝( ，m i n )( 2 1 ) e 西 、。 式( 2 1 ) 中：u 电枢端电压( v ) ； l 电枢电流( a ) ； 咫电枢电路总电阻( q ) ； e 与电机结构有关的电动势常数； 由式( 2 1 ) 可知，直流电机转速胛的控制方法有三种： ( 1 ) 调节电枢电压u 。改变电枢电压从而改变转速。属恒转矩调速方法，动态响 应快，适用于要求大范围的无级平滑调速的系统。 ( 2 ) 改变电机主磁通只能减弱磁通。使电动机从额定转速向上变速，属恒功率 调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小。 ( 3 ) 改变电枢电路电阻r 。在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平 滑性差，机械特性软，效率低。 改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用。弱磁调速范围不大， 往往与调压调速配合使用。因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文 中设计系统所采用的方法。 改变电枢电压主要有三种方式：旋转变流机组，静止变流装置，p w m ( 脉 宽调制变换器) 或称直流斩波器。 旋转变流机组用交流电动机和直流电动机组成机组以获得可调直流电压， 简称g m 系统，因此国际上统称w a r d - - l e o n a r d 系统，这是最早的调压调速 度系统。g m 系统具有很好的调速性能，但系统复杂，体积大，效率低，运 行有噪音，维护不方便。2 0 世纪5 0 年代，开始用汞弧整流器和晶闸管组成的 静止变流装置取代旋转变流机组，但是到5 0 年代后期又很快让位于更为经济可 靠的晶闸管。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称v m 系统，又称 静止的w a r d - - l e o n a r d 系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角， 进而改变整流电压u 的大小，达到调节直流电动机转速的目的。v m 在调速 性能，可靠性，经济性上都有优越性，成为直流调速系统的主要方式。p w m 变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比 例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称d c d c 变换器。 2 2 调速系统的性能指标 2 2 1 调速系统的稳态指标 3 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， 如：在一定的最高转速和最低转速范围内，有级或无级的调节转速；以一定的 精度在座需要转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确 保产品质量。对于频繁起制动的设备要求加减速尽量快，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，可以针对前两项要求提出两个调速指标，叫做“调速 范围”和“静差率这两个指标合称为调速系统的稳态性能指标。 ( 1 ) 调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速咒一和最低转速玎晌之比叫做调速范 围，即 d = q # n m x ( 2 2 ) 以柚 其中咒一和以曲一般指电动机额定负载时的最高转速和最低转速。若r n = n m a x ， 则 d = 堡坠：兰生 ，z l 血栉i 血 ( 2 - 3 ) ( 2 ) 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 速降落峨，与理想转速之比，称作静差率s ，即： j ：鲤 ( 2 4 ) 静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度。它和机械特性的硬度 有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。 图2 - 1 不同转速下的静差率 如图2 1 所示a n 。= a n 。，两者的机械特性硬度相同，但由于理想空载转速 不一样，静差率因此也不同，显然s 。 ，故静差率和机械特性是有区别的。 由此可见，调速范围和静差率这两项指标不是彼此孤立的。在调速过程中， 若额定转速相同，则转速越低，则静差率越大。如果低速时的静差率能满足设 4 计要求，则高速时的静差率就更满足要求。因此静差率的指标应以最低速时能 达到的数值为准。 ( 3 ) 直流变压调速系统中调速范围，静差率和额定转速之间的关系 直流调速系统中，一般以电动机的额定转速做为最高转速，该系统在最低 速时的静差率。即： s = 垒丛：虹 ( 2 5 ) 刀o m 证刀m i n + ，z 则，最低转速为 t l m i n ：一a n n a n n - 尘型峨( 2 6 ) jj 而调速范围为 d = ? m a x = 旦 ( 2 7 ) ，z m i i l咒曲 将( 2 - 8 ) 式代入，得 d ：生 ( 2 8 ) a n ( 1 一j ) 、7 由上述关系可见：同一个调速系统，转速降一定，若对静差率要求越严， 即要求s 的值越小，系统能够允许的调速范围也越小。 2 2 2 调速系统的动态性能指标 生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能 指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对 扰动输入信号的抗扰性能指标。 e o 图2 2 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 ( 1 ) 跟随性能指标 在给定信号或参考输入r ( f ) 的作用下，系统输出量c ( f ) 变化情况可用跟随性 能指标来描述。如图2 - 2 所示。常用的阶跃响应性能跟随指标有上升时间，超 调量和调节时间 5 上升时间 输出量从零开始第一次上升到稳态值c 时所经过的时间，它表示了动态响 应的快速性。 超调量仃和峰值时间f 口 输出量到达最大值时的时间即为峰值时间f p 。最大值超过稳态值的百 分数叫超调量，即 仃：曼号子生1 0 0 ( 2 9 ) 乙。 超调量反映系统的相对稳定性，超调量越小，相对稳定性越好。 ( d 调节时间乞 输出量达到并不再超出稳态值的5 ( 或2 ) 的范围所需的时间称为调 节时间。它是衡量输出量整个调节过程的快慢。它反应了系统的快速性和稳定 性。 ( 2 ) 抗扰性能指标 控制系统稳定运行中，突加一个使输出量降低的扰动量f 以后，输出量由 降低到恢复的过渡过程就是系统典型的抗扰过程。常用的抗扰指标有动态降落 和恢复时间。图2 - 3 是系统在扰动下的输出图。 c ( t 吒 图2 3 突加扰动的动态过程 动态降落 系统稳定运行时，突加一个约定的标准负扰动量，所引起的输出量的最大 降落值c 眦为动态降落。一般用占输出量原稳态值q 。的百分数来表示即 c 懈q 1 1 0 0 ，或用某基准值g 的百分数来表示，即：c 一g 1 0 0 。 恢复时间气 从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值q ：之差进 入某基准值g 的5 ( 2 呦g 范围之内所经历的时间为恢复时间0 。 实际控制系统对于各种动态指标的要求各有不同，一般来讲，调速系统的 6 动态性能指标以抗扰性能为主，而随动系统以跟随性为主。 2 3 直流调速系统的双闭环结构 直流电动机调速系统具有开环调速系统、单闭环调速系统、双闭环调速系 统和多闭环调速系统，双闭环调速系统具有控制容易，能在宽范围内平滑调速 和快速响应能热点，在直流调速系统中得到广泛得应用。直流电动机双闭环调 速系统可以在电机最大允许电流和转矩受限制的情况下，能充分发挥电机的过 载能力，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 统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，电流降下将使转矩马上与负载平衡， 从而进入系统稳态运行。即在起动阶段只有电流负反馈没有转速负反馈。到达 稳态时，只让转速负反馈发挥作用，不让电流负反馈发挥作用。该直流调速系 统的电路原理图如图2 4 所示： 图2 4 双闭环直流调速系统电路原理图 通常，转速和电流两个调节器的输出都是有限幅，转速调节器的输出限幅 电压值为吒决定了电流给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压是 ，它限制了电力电子变换器的最大输出电压。 2 3 1 直流电动机模型 文中以常用的他励直流电动机为控制对象。直流电动机的内部等效电路图 如图2 5 所示。定子励磁绕组通过直流电流i ，时产生励磁磁势b 和主磁通。电 枢绕组通过电枢电流i ，则产生电枢反应磁势f 。由于直流电动机的电刷在几 何中线上，因此励磁磁势b 和电枢反应磁势，正交。直流电动机电枢绕组中的 电流i 与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而拖动负载转 动。 7 圈2 - 5 他励且流甩动耵l l 寺双黾跆团 根据图2 - 5 ，可以写出微分方程： “，= r ，f ，+ 三，丝- - - f ( 2 - 1 0 ) u f = r f l f l f 百 “：尺f ( f ) + r i g ( ，t _ _ _ 。2 + 8 ( f ) ( 2 11 ) d f 将式( 2 11 ) 、( 2 一】2 ) 讲行l a d 】a c e 变换可电椒电流和电压间的传递函数。即 ，( s ) 一1 r u 0 ) 一e 0 ) t , s + 1 ( 2 - 1 2 ) 其中乃2 责 另外电动机反电动势与转速成正比e = e 咒，如果不考虑摩擦等阻力等外部因 素，电动机带负载耽的动力学方程为： m e = 也+ 罴瓦d n ( 2 - 1 3 ) 而电磁力矩为： m 。= e i ( t ) ( 2 1 4 ) 考虑到屯= m l q 为负载电流，所以可将动力方程化为： f 一屯：互- d e ( 2 1 5 ) rd t 、 式中：乙一电动机的机电时间常数。乙= 芴g 面d 2 r 将其进行拉式变换得反电势与电流之，间的传递函数为： e ( s ) 一r ，( s ) 一t ( j )l j 转速与电流之间的传递函数关系为： 8 ( 2 1 6 ) n ( s ) 一1 ，o ) 一i l 0 )r , s ( 2 1 7 ) 式中：乃电动机的电磁时间常数。 根据传递函数关系可画出直流电动机在电流连续时的动态结构图，如图2 - 6 所 不。 图2 6 他励直流电动机动态结构图 2 3 2 整流装置模型 在各种整流装置中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图 如图2 - 7 所示。 v t lv t 2 v t 3 一f + +21z _ l a b c _f j 一 2z 一 z d 负 载 图2 7 三相桥全控整流电路原理图 若用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入一输出关系为： o = k 虬l ( t z ) ( 2 1 8 ) 其中k 晶闸管触发和整流装置的放大倍数 z 晶闸管失控时间 以晶闸管的输入电压 利用拉式变换的位移原理，则晶闸管装置的传递函数为： 删= 鬻= k 产志 仁 由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入， 需要低通滤波器，但是在滤波的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为 9 了平衡这个延迟作用在给定通道上加入了一个同等时间常数的惯性环节。同理 由测速发电机得