蓄电池机车脉宽调速装置的研究

Y89二二36中图分类号工221论文编号竺，学科分类号51Q密级公珏安徽理工大学硕士学位论文蓄电池机车脉宽调速装置的研究作者姓名石晓艳专业名称鱼力电王皇立应佳麴研究方向电左血王皇电丑篮塾导师姓名型连童副数援导师单位电氢工程丕答辩委员会主席叠垂盛论文答辩日期瞬6月O日安徽理工大学研究生处2006年4月25日摘要摘要本文针对矿用蓄电池机车目前采用的串电阻调速和可控硅直流脉宽调速存在的缺点，提出了采用新型智能功率模块IPM作为斩波器的调速方法。该方法不仅克服了串电阻有级调速的缺点，提高了斩波频率实现平滑调速，而且节约了能源。同时系统采用电流、转速双闭环PI调节的的控制方案也大大改善了系统的性能。本文阐述了蓄电池机车斩波调速的工作原理，给出了系统的主电路拓扑结构，分析其工作原理，得出了牵引电机的牵引和制动特性，同时给出了主电路参数选择。本系统选用了智能功率模块IPM代替了老式可控硅斩波器件，斩波频率可达2KHZ，由于其集成了驱动和各种保护大大简化了硬件电路，提高了系统性能，而且控制方便。本研究采用I卜N匝L公司生产的专用控制电机芯片87C196MC作为控制器，设计出系统控制电路，实现系统的控制功能，满足系统的实时性要求。应用MAAB对设计的控制系统进行了建模与仿真，仿真结果表明所设计系统的控制效果是理想的。实验证明该系统运行可靠，设计切实可行。图【54】表【2】参【40】关键词蓄电池机车智能功率模块】PM直流斩波87C196MC安徽理工大学硕士论文ABSTRACTAIMINGATTHERESHONCOMINGSOFTHETWOSPEEDREGULATINGMEMODS，SWITCHINRESISTERSREGULATIONANDDCPULSEWIDTHRAGULATIOUSINGSCR，WHICHAREC眦ENTLYUSEDIILMINEUSEDELECTRICLOCOMOTIVESPOWEREDBYAC饥MULATORS，ASPEEDREGULATINGMETHODADOPTINGANEWTYPEINTELLIGCNTPOWERMODLLLE1PMASACHOPPERISDESIGNEDINTHISRESEARCHNOTONLYTLLISMETTLODOVERC姗ETHEDISADVANTAGEOFDISCRETESPCEDSOFSWITCHIILRESISTERSREGULATIO，ENLARGEDTHE仃EQUENCYOFCHO卯ING，ENABLEDTHECONTINUOUSSPEEDREGULATINGANDDECI弓ASEDTILEPOWERCONSUMPTION，BUTALSOITINLPROVEDTHESYSTEMPERFBRMANCEDUETOTHEDOUBLELOOPFEEDBACKPIREGULATIONOFCU玎ENTANDSPEEDTHISDISSERTATIONEXPATIATESONTHEWORKINGPRINCIPLEOFCHOPPINGSPEEDREGULATINGINMINEUSEDELEC仃IC10COMOTIVESPOWEREDBYACCLLMULATORS，PRESENTSTHETOPOLOGICALSTMCTUREOFTHEPRIMARYCIRCUITOFTHESYSTEMALLDITSPRIILCIPLETHE廿ACTIONCHMCTERISTICANDTHEBRAKECHARACTERISTICOFTHEMOTORARE曲TAINEDANDTHEPAR锄ETERSOFTHEPRIMARYCIRCUITAREGJVENTHEINTELLIGENTPOWERMODULEISADOPTEDTOREPLACETHEOLDTYPEDSCRTHECHOPFREQUENCYREACHESTO2KHZPROFITINGFROMTHEG，EATLYSIMPLIFIEDHARDWAREWITHTLLEINTEGRATEDDRIVINGANDTHEVARIOUSPROTECTIONS，THESYSTEMPERFO瑚ALLCEISIMPROVEDAILDTHECONTMSCONVENIENTNESPECIALCHIP87C196MCMADEBYINTELCOMPANYISUSEDASANTR01LERI芏LMEDESIGNITREALIZEDTHECOMMLFILNCTIONOFTHESYSTEMALLDITCANMEETTHENEEDSOFREALTIMECONTMLFINALLYASIMULATIONMODULEISSETUPANDTHESYSTEMISSIMULATEDWJTHMATLAB1HESINLULATIONRCSULTINDICATESTHATTHEEFFECTOFDESIGNSYSTEMISPE疵CT111EDESI印EDSYST锄MNSRELIABLYINMELAB，WHICHMAKESURETHATTHCDESIGNISFEASIBLEFIGURC【54】TABLE【2】RCFERELE【40】KEYWORDSMINEUSEDELECTRICLOMOTIVESINTELLIGENTPOWERMODULE口9BUCKCHOPPING87C196MC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注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塞邀堡王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。学位论文作者签名而砭瓒一签字日期蜥多肛日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塞邀堡王盔堂有保留、使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于安徽理工大学。学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡三太堂可以将学位论文的全部或部分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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。学位论文作者鲐力啦锄鲐主恫毒富签字日期胁辞务哲日签字日期A柝石月J日1绪论11选题的背景及意义1绪论矿用蓄电池电机车是煤矿中无架线巷道主要的运输工具，它的适应性、灵活性、维护简单等特性使得它在煤矿中得到了广泛应用。而直流串励牵引电动机由于起动性能好、调速范围宽、过载能力强、功率利用充分，以及调速简单，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁地无级快速起制动和反转，能满足各种不同的特殊运行要求等优点而直应用于窄轨工矿电机车上。除了电动机的选用之外，电机车的最重要的技术问题就是调速和运行控制。对于电机车的调速最早是采用牵引电动机转子串电阻调速，这种调速属于有级调速且耗能多效率低。目前我国煤矿中直流蓄电池电机车调速器主要采用两种结构，即电阻调速和可控硅脉冲调速。电阻调速的缺点是机车运行时其电阻串联消耗电能大，触头易损坏，维修量大，经济效益差，调速不平稳；可控硅脉冲调速器的缺点是可控硅的工作频率低，滤波电抗、滤波电容、换向电抗、换向电容的电感量很大，体积大般分为3个部分，即电容箱、主电路箱、控制器，并且电路复杂，维修困难。后来随着电力电子的迅速发展，出现了以大功率半导体器件作为快速开关的直流斩波即PWM脉宽调制调速装置。80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广。但晶闸管斩波调速器不足之处是其旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和损耗，而且可靠性低。并且由于晶闸管开、关断时间比较长和换流使得斩波频率不能太高，电机上力矩脉动和电流脉动比较严重，因此，直流斩波调速呼唤快速自关断器件。从电力电子技术的发展来看，每一种新型器件的出现都为电力变换技术的发展注入了新的活力。它或拓展了电力变换的应用领域，或使相关应用领域的电力变换装置的性能得到改善。长期以来，人们一直希望能有这样一种电力半导体器件，它是一种全控器件，正向导通时能稳定通过大电流，关断时能瞬问抽取这股大的电流；能在高阻断电压状态下长时间工作，而在状态转换时具有极高的开关速度；无论动态还是静态损耗要尽可能的低。这就是人们常要求电力半导体器件应具有大电流、高电压、高速开关、低损耗、高频率、高可靠性、体积小的特点。根据这些要求，许多新器件相继问世G1O、BJT、MOSFET、MCT、IGBT、LPM。它们都尽可能地把晶闸管高耐压、低导通损耗的优点和晶体管高稳定、快速关断安徽理工大学硕J1论文的能力兼容在一起，而这些器件的出现和发展为改造直流机车调速提供了广阔的发展前景。智能功率模块口M的出现使得这种技术的工程实现更加可靠和可行。采用功率智能模块IPM组装的电机车斩波调速装置，具有无级调速、闭环电制动功能且体积小，电路结构简单，安装调试方便，制动效果好，可显著减少刹车系统的磨损，延长制动系统各部件的使用寿命和保养周期，对蓄电池机车可节约电能，延长运行时间；同时，其控制电路采用单片机，计算精确，可靠性高，使车辆起动快、加速平稳、消除了换流噪音，提高了车辆的运行质量且控制器体积小，操作方便，改善了司机的工作条件。然而，到目前为止，传统的GT0仍然是我国工矿机车调速应用的最为普遍的门控半导体器件。采用IPM和由单片机控制的蓄电池机车智能调速控制装置可以取代我国目前广泛采用的串电阻调速和可控硅调速，提升煤矿生产的技术水平。本论文选题的初衷即基于此。12直流斩波调速的现状如前所述，到目前为止，传统的G110仍然是我国工矿机车调速应用的最为普遍的门控半导体器件，其最高研究水平为6KV6KA以及9KV10LA。80年代问世的绝缘栅双极晶体管IGBT是晶体管类器件的佼佼者它关断时间短几个口S，工作频率高，而且关断过程均匀，应用电路不需要缓冲电路，但目前单管面积有限，为26CM2。IGBT的最高水平为单管，3000A5000V模块，120奶300V，是目前100KHZ以下各种类型变频器、逆变器应用最普遍、使用最多的元件。IGBT已被成功地应用在直流机车调速上，但为了提高其导通电流和工作电压，需将它们进行串并联，做成模块使用，这无疑增加了设计的难度和制造的复杂性，并使可靠性降低，损耗过大，若要从不串不并的前提出发，IGBT在低于1000KW的功率范围使用，限制了应用领域。在电力电子变换电路中，电力电子器件必须有驱动电路、保护电路的配合才能实现一定的电力控制功能。以往的电力电子器件及其控制电路都是通过集成在一个芯片上形成所谓的功率集成电路PIC。这种电力电子器件特别适用于电力电子技术高频化发展的趋势。由于高度集成化，结构十分紧凑，避免了因分布参数、保护延迟等带来的一系列问题。近年来，电力电子正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。目前使用最多的是采用IGBT作为功率丌关，将驱动电路、各种保护电路、接口电路集成在一起的智能功率模块口M逐渐成为直流调速的21绪论发展趋势。因其具有驱动电路、过载、短路、超温、欠压等保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积，减轻了重量，又提高了可靠性，使用维护更加方便，是一种比较理想的斩波器件，也使得以大功率晶体管作为开关器件的直流脉宽调制PWM调速成为直流调速系统的主要发展方向。目前，PWM的控制仍以模拟方式为主，即来自电流调节器的控制信号为模拟信号，脉宽调制器采用的是硬件电路，这种控制方式带来的问题有控制精度不够理想、参数修改困难等。随着计算机尤其是单片机技术的发展，数字直流PWM调速系统正以其控制简便，控制方案可灵活改变等优点引起人们的重视。另一方面，大功率器件驱动及保护技术以及PWM变换结构的研究也日臻完善，这使PWM直流调速系统向高电压、大功率容量、集成化、小型化、模块化方向发展。新型电机控制专用微控制器、DSP能够完成更快的运算，实现更复杂的控制规律、更快的响应速度、更优的调节性能和更高的控制精度，为高性能调速系统提供了实现手段。以高速微处理器为核心的数字控制PWM直流调速系统具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、多机协同工作方便、电磁兼容性好等优点。本文中采用的INTEL公司的87C196MC单片机是专门用于电机控制的16微处理器，具有丰富的硬件和软件资源和强大的运算功能。特别其独有的片内波形发生器和PWM输出大大简化了系统硬件电路的复杂性和软件开销，提高了系统的可靠性。综上所述，现代电力电子技术、功率半导体器件、计算机技术的发展，加之相关的现代控制理论、传感技术、信号处理技术的进步，为大功率PWM直流斩波调速系统的实现提供了有力的技术和理论基础。13拟解决的问题及意义该系统采用87C196MC为处理核心，IPM为功率开关管，外设包括光耦驱动、电压检测电路、电压电流采样电路、转速检测、LCD显示器及故障保护电路等组成。通过单片机实现电机车的脉冲触发、转速给定、检测及停车、制动等功能。软件部分采用数字PI算法，实现电流、转速的双闭环结构。该系统具有以下特点F11采用单片机进行控制，简化了电路，提高系统的性能和可靠性。21控制方案有具有较大的灵活性，可以通过单片机来触发脉冲和实现PI控制来代替常规的触发器和调节器的功能。3可以实现系统的故障自诊断、自恢复等多种功能，提高系统可靠性。3安徽理工大学硕士论文蓄电池机车的控制系统正朝着智能化、数字化方向发展，融合了当今许多学科领域的先进技术。本课题是在蓄电池机车用LGBT斩波器控制系统设计成功的基础上，作为对新型产品的进一步改进而确定的，课题根据直流电机车斩波器调速控制系统的要求，使用新型电力电子器件IPM，运用87C196MC芯片很强的数据处理能力，发挥数字控制系统的优势，进一步提高系统的性能。该系统的实现可以取代目前广泛采用的串电阻调速和可控硅调速，促进电机车的不断改进，有着广泛的市场前景，带来可观的经济效益。同时，具有无级调速、闭环电制动功能，体积小，电路结构简单，安装调试方便，制动效果好，可显著减少刹车系统的磨损，延长制动系统各部件的使用寿命和保养周期，对蓄电池机车，可节约电能延长运行时间；同时，其控制电路采用单片机，计算精确，可靠性高，使车辆起动、加速平稳、消除了换流噪音，提高了车辆的运行质量且控制器体积小，操作方便，改善司机的工作条件。14论文主要完成的工作1阐述了蓄电池机车斩波调速的工作原理，给出了系统的设计方案，介绍了系统结构、系统组成，进行了参数优化。2采用速度、电流双闭环对系统进行控制，建立了系统的数学结构图，建立了各环节的数学模型。3以87C196MC单片机作为控制器给出了系统软硬件组成并完成了部分程序的编写和调试。4根据系统的设计方案，利用SIMUUNK工具建立了系统的仿真结构图，进行了仿真实验，给出了SIMUL矾K仿真结果，验证系统设计的可行性。42盲流斩波理论2直流斩波理论PWM脉宽调制变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件实现通断控制，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定的直流电源变成平均值可调的直流电压，亦称DCDC变换器。PWM脉宽调制直流调速系统作为电力电子技术的一个主要应用领域，电力电子技术、功率半导体器件的发展带动和改变着直流调速系统的发展。其具有调速性能好、效率高、体积小、重量轻等优点，随着电力电子技术的进步和功率半导体器件的发展，得到越来越广泛的应用。与V_M调速系统相比，PWM直流调速系统有以下优点；1采用全控型器件的PWM直流调速系统，其脉宽调制电路开关频率高，系统频带宽，响应速度快，动态抗干扰能力强；21由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就能获得脉动很小的直流电流，电机的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电机的损耗和发热都比较，J、；3PWM直流调速系统中功率开关器件损耗小，系统效率高。4功率电路所需要的器件少，线路简单，控制方便。21直流脉宽调速的工作原理直流电动机转速公式为厅挚RMIN21C。驴比N一电枢端电压V，N一电枢电流AR一电枢回路总电阻Q中一每极磁通量WB由21式可知，直流电机转速N的控制有三种1调节电枢电压“。5安徽理工人学硕士论文2改变电机主磁通，N3改变电枢电路电阻R。直流斩波器主要有降压斩波器和升压斩波器，其它的任何拓扑结构都是在此基础上演变而来的。图1直流斩波电路原理图FI91BUCKCHOPPINGP血CIPLECIRCUIT图1是斩波调速原理图。在直流电源U。与电动机M之间接一个理想开关S，如使开关S周期性的快速通断电动机回路，并且每次通断的周期T十分短，远小于电动机M的机电常数，则电动机的运转不会受到电源电压断续的影响，这样电机两端所得电压将是一系列的脉冲电压，其波形如图3所示，图2是等值电路，其中LM是包括平波电抗器与电动机各绕组电感的总电感，RU是总电阻，而E。是电动机的反电势。对于工作在磁化曲线饱和的区段，电机磁通基本保持不变，因而为常数。图2中的二极管DF在S断开时，为电机的电枢电流IM提供续流通道。当开关S闭合期间该段时间用T呲表示，电枢电流IM从初始IMMIN按指数规律上升至终值IM。，由于LM足够大，使得IM的变化近似于线性，因此图3中近似用直线表示。在此期间，电压平衡关系如下乱_；LF鲁“”22可见，在O3电流调节器的参数计算由上式可以看出，电流调节器的参数K。和_是其中F已选定，代定系数只有K，可按系统需要的动态性能指标来选取。在一般情况下，希望电流超调量S244调速系统的控制方案5，并保证稳态电流无静差。可选；，K，飞IOI，则K，丐4_9二N再由48、49得到K互；JL王2盟，呸，丛S卢态，4一LO如果按实际系统要求的跟随性能指标不同，式要做相应的修改，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。422速度调节器的设计在设计转速环时，与电流环内加入给定滤波环节一样，同样增设了转速滤波和给定滤波环节。用电流环的等效环节代替初始的电流闭环以后，整个转速调节系统的动态结构图为啪田图21电流环动态结构图FI921THEBLOCKDIAGRAMOFTHESPEEDLOOP和电流环一样，经过等效变换和小惯性环节合并，令飞。2乙2飞J对于速度闭环也采用PI调节，PI调节器的传递函数可以表示为睨0K。三兰旦4一11RJ式中K。一转速调节器放大倍数；F。一转速调节器时间常数。锅舞则将转速环进一步简化为图鸳掣安徽理工大学硕士论文图22电流环动态结构图F培221HESIMPLIFIEDBLOCKDIAGRAMOFTHESPEED100P11转速调节器的计算转速调节器的参数包括足。和R。，按跟随和抗扰性能都较好的原则，取H5，则ASR的超前时间常数为RN飞。，其中飞。2飞RL。转速环开环增益驴最足糍等检验近似条件转速环截止频率为NK，R。11电流环传递函数简化条件为掘他N21转速环小时间常数近似处理条件为；J等42_3PWM变换器的数学模型412413当控制电压U。改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。因此PWM变化器可以看成是一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期T，当整个系统开环频率特性满足下式时S刍A一4可将滞后环节看成是一阶惯性环节，因此PWM变换器的传递函数可近似看成4调速系统的控制方案舶；志式中，K，一PWM变换器的放大倍数所以双闭环调速系统的动态结构图为吨OLLL二。1L、415图23双刚环调速系统的动态结构图FI923DYNALICSTRUCTUALDIAGR锄OFDOUBLE一100PSPEEDREGULATINGSYSTEM43转速、电流双闭环调速系统的静态、动态特性分析由于转速和电流调节器都采用PI调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为无静差，分析静态特性的关键是掌握具有限幅待性的PI调节器在稳态时的特性。输出限幅饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和未达到限幅时，才能起调节作用。实际上，对于双闭环系统不论起动或稳念运行时、电流调节器是不会达到饱和状态的。只有转速调节器存在饱和与不饱和两种情况。闭环系统的静特性可分为二段1转速调节器不饱和系统处于正常负载运行时，两个调节器都不会饱和，依靠转速调节器的调节作用达到转速的无静差，保证系统具有很硬的特性。在此段内，电流调节器起辅助作用，负载电流大小与电流给定值成F比。系统处于稳态时，两个调节器输入偏差电压都为零。2转速调节器饱和当负载转矩加大，达到设定的最大电流以后，转速降低，转速偏差增大，使转速调节器的输出达到饱和值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响，双闭环系统变成一个恒电流无静差的单环调节系统。安徽理工大学硕士论文在最大电流的给定电压值下，依靠电流环的自动调节，从而获得很好的下垂特性，起到了过流保护作用。最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。由于突加给定的动态过程是衡量系统性能的重要因素，对于所要设计的双闭环系统，在突加给定的启动过程中，转速调节器输出电压、电流调节器输出电压、电动机电枢电流和转速动态响应过程分为三个阶段第一阶段为电流上升阶段突加给定电压后，由于电动机的机电惯性较大，转速增长较慢，转速调节器的输入偏差的数值较大，使转速调节器的输出迅速达到饱和值，该饱和值作为电流调节器的输入给定，使电流调节器的输出、电枢电流迅速上升，当电枢电流负载电流后，电动机开始起动。因为电流反馈信号随着电枢电流的上升迅速增大，使电流调节器的输出偏差急剧减少，电流调节器的输出电压还还达不到饱和值。当电流上升到接近设计时所选定的最大值时，电流反馈电压与最大电流给定电压几乎相等，并保持动态平衡，转速负反馈就是按此要求确定的。第二阶段为电流升速阶段从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，属于恒流升速阶段。这是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，由于转速低于给定值，转速调节器一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统只有电流环工作，表现为电流恒值的调节系统。此时由于基本上保持电流恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。随着转速的上升，直流电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，使电枢电流略低于最大电枢电流值，反馈电压也略有下降，出现偏差，电流调节器及时进行恒流调节。也就是说，为了克服这个扰动，电流调节器的输出电压也必须基本上按线性增长，才能保持电枢电流的恒定，获得“时间最佳”起动。在整个起动过程中，电流调节器的输出是不应该饱和的，这就决定了其时间常数的选择，不应当让电流调节器的时间常数比调节对象的时间常数TL小得太多。第三阶段为转速调节阶段转速调节器在这个阶段中者发挥作用，当转速上升到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，转速调节器的输入偏差电为零，但其输出由于积分保持作用还维持在限幅值上，所以直流电动机仍在最大电流下继续加速，必然使转速超调。转速超调后，由于在速度调节器的入口出现负的偏差电压，使速度调节器退出饱和状态，其输出电压也就是电流调节器的电流给定立即从限幅值降下来，主回路电流也随之从虽大电流下降。但是，由于电枢电流仍大于负载电流，在一段时间内，转速仍继续上升，到电枢电流小于负载电流时，4调速系统的控制方案电机者开始在负载的阻力下减速，直到稳定如果系统的动态品质不好，可能需要振动几次才能稳定。在这个阶段中，转速调节器和电流调节器同时发挥作用，由于转速调节器在外环，自处于主导地位，而电流调节器则是力图使电枢电流尽快地跟随速度调节器输出电压信号，电流调节器构成的内环是一个电流随动系统。综上所述可看出，转速、电流双闭环调速系统，在突加阶跃给定的起动过程中，转速调节器处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统巧妙地利用了转速调节器的饱和非线性，使系统成为一个恒流调节系统，这就是电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。转速的动态响应有一定的超调，当转速超调后，转速调节器退出饱和，爿真正发挥线性调节器的作用，系统达到稳定运行，又表现为一个转速无静差调速系统。在不同的情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。转速调节器在饱和期间，它也不是没有作用，而是起着饱和非线性控制作用，只有这样，才能保证内环的恒值电流调节。通过这种非线性控制，使系统在最大电流受限制的约束条件下，实现了“最短时间控制”或“时间最优控制”的基本思想，因而充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能短。当然，这里只是实现了时间最优控制的基本思想，因为在起动过程的第一和第三阶段并不是按时间最优进行控制的，但是这两个阶段在整个起动时间中并不占主要地位。在双闭环调速系统中，两个调节器还能起到动态抗干扰作用，我们知道，单闭环调节系统对于被包围在反馈环内的一切扰动作用都有抑制作用，因为一切扰动作用最终都要反应到被调量上来，都可以通过测出被调量的偏差而进行调节。但从系统的动态特性上看，对于在结构图上作用点离被调量较远的扰动量，如电网电压的扰动，表现在动态结构图的上，它和负载扰动在系统动态结构图作用的位置不同，因此动态抗扰效果也不一样。在单闭环存在不能及时调节的问题。增加电流内环后，电压扰动被包围在电流环里面，可以及时通过电流反馈得到调节，而不必等到它影响转速后故能有所反应。负载扰动作用在被调量转速的前面，它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在转速调节器上得到反映。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用己为时嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时地调节，不必等影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。由负载变化安徽理工大学硕士论文引起的扰动，由双闭环调运系统的动念结构可以看出，负载扰动作用的变化在电流环之外、转速环之内，只能靠转速环来产生抗扰作用。因此在突加减负载时，必然会引起动态速降升。为了减小动态速降升，在设计速度调节器时应加以考虑。对于电流调节器的设计，在抗负载扰动时，要求电流环具有良好的跟随性能就可以了。由此可知，双闭环调速系统的抗负载扰动是依靠转速环来抑制的。由转速调节器进行调节。综上所述，转速和电流两个闭环的作用可归纳如下1转速调节器的作用1在稳态运行时，使转速跟随给定电压变化，实现转速的无静差。2对负载变化起抗扰作用。3转速调节器一旦饱和，起着饱和非线性的控制作用，使电流环进行恒流调节。4其输出限幅值决定允许的最大电流。2电流调节器的作用1对电网电压波动起及时抗扰作用。2起动时，可限制起动电流，保证在允许最大电流下起动，实现最佳起动过程。3在转速调节过程中当负载变化时，使电流入跟随给定电压变化。4当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用，如果故障消失，系统能够自动恢复正常。双闭环调速系统的静持性在负载电流小于最大给定电流时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到最大给定电流后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环调速系统性能好，然而，在实际应用中，由于放大器放大倍数并非无穷大，这两段特性都存在很小的静差。“144电流调节器和转速调节器的设计的数字实现。目前数字PI算法大多采用模拟化设计方法，即将系统的离散部分看成是连续的，按连续系统的理论设计校正环节。在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。304调速系统的控制方案当输入是误差函数BF，输出是函数“P时，PI调节器传递函数为喇加等，警4叫A其中饰邱I为比例系数的1F为积分系数将416写成时域表达式“OK，FEF二PF沙KPPFK，REO矽417FJJ按EF和“O的时域表达式进行化离散化可得到差分方程，其第七拍输出为HKRG足ZTAM善8FKRE。“一2418KPPKIT。E仕“IT一1式中佻AM为采样周期数字PI调节器有位置式和增量式两种算法位置式算法即为418式表述的差分方程，算法特点是比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。增量式算法由4181式知，PI调节器的第女一1拍输出为女一I“他一1K，一1K，L罗PF419衙由418、419两式相减即得增量式PI调节器算法“俅“一“一1K，【E一E一1】K，ZKE420可以看出，增量式算法只需要当前和上一拍的偏差即可计算输出的偏差量。“一“七一1“七421PL调节器的输出可由下式求得在控制系统中一般的PI调节控制中，当电机启动或换向时，输入偏差较大，由于积分的作用，将会产生较大的超调，使系统动态性能降低，调整时间加长。在数字PI调节器中，为了消除这种现象，采用积分分离的P1算法。基本思路是在控制量开始跟踪时，取消积分作用，当被调量接近给定值时，加入积分作用。基本算式是E爿时，为比例控制；P化C一时，为比例积分控制。其中PT为第T次采样时刻的给定与反馈之差，爿为产生积分分离后的偏差值。31安徽理工大学硕士论文积分分离挚算法的表达式为“2K，E七C，K，K荟。O其中C，。|1，IEOG爿IOLEF一|积分分离算法能有效抑制振荡和减小超调，常用于转速调节器。45采样周期的选择采样周期对于最终能够达到的性能指标具有很大的影响，在数字控制系统中，反馈控制是按每个采样时刻间断进行控制的，因此采样周期越短越好。与此相反，检测状态参数是检测时间越短越难以进行精确测量，因此采样周期的选择要综合考虑多方面的因素。首先要满足是采样定理，其次是要考虑系统控制的需要，还要兼顾计算机的负担。通常，对于电流环，采样周期一般应取为电机电磁时间常数的11013而对于速度环，采样周期一般也应取为电机机电时问常数的11013。本控制系统中，电机的电磁时间常数Z00039J，机电时间常数LO0125S。则电流环的采用周期T1为O3913MS，速度环的采用周期为125417MS，考虑到实际使用的器件和编程的方便，在此选取电流环的采样周期为1MS，速度环的采样周期为3MS，根据87C196MC单片机的速度快完全可做到这一点。325控制系统硬件电路设计5控制系统硬件电路设计51控制系统工作原理概述为满足系统高精度、响麻快和跟踪平稳等要求，本系统采用大功率开关管直流脉宽调速系统，并采用动、静态性能较好的转速、电流双闭环控制方案。控制器的核心是87C196MC单片机，此外还有速度给定、速度反馈、电流反馈，驱动屯路、光电编码器测速及霍尔传感器电流检测等主要部分组成。其原理框图如图24所示。厂蒜丽【_J_电87C196MC歼臣堕囝HL高L图24控制系统操理框图FJ924PMATYDIAGMMOFC0TROL8YSTEM图24中电机电枢电流通过霍尔电流传感器检测，经过电流反馈电路处理后，送入单片机A，D转换口ACH2，电机速度通过光电编码器检测后接到单片机的P1口，R乜_机转速有电位器给定，送入ACHL口；由单片机负责巡回检测这三个口的数据，计算速度给定U与速度反馈电压U。的偏荠电压AU。U一“。作为数字速度调节器的输入，经过运算处理后得到电流给定U。U再与电流反馈U；作偏差度调节器的输入，经过运算处理后得到电流给定矿。U再与电流反馈U；作偏差安徽理工大学硕士论文运算后得U。UU；，A，；作为数字电流调节器的输入，经过运算处理后，得到控制电压UU。，经过处理后装入PWM控制寄存器，来生成PWM信号，经光耦隔离后来控制LPM的导通与关断，在电机电枢两端产生有规律的脉冲电压，通过调节的PWM宽度达到调速的目的。系统的核心是新型的16位单片机，由它来完成系统的自检，控制命令的接收与执行，速度回路与电流回路的调节算法，以及PWM的生成，由于自带10路13位D转换器，使得非常方便。整个系统既具有速度快，稳定性好的有点，又可提高速度精度等动、静态指标，并且可以利用单片机的特点，使整个控制器体积小、灵活，并且提高系统的可维护性和可调试性。5287C196MC的介绍87C196MC是HLTEL公司专门为电机高速控制所设计的一种16位微处理器。它包括一个C196内核、488字节的寄存器RAM、16KB的片内EPROM、7个I0口共40条IO线，PTS工作方式支持串行输入、输出功能，片内有1个13通道的AD，可工作在8位或10位模式，采样时间、转换时间、阈值检测方式和偏差校正均可编程2个16位定时计数器，三相波形发生器和1个脉宽调制单元。87C196MC单片机简介87C196MC具有64K的字节地址空间，它主要部分包括算术逻辑运算部件ALU、寄存器集、内部D转换器、PWM发生器、事件处理阵列EPA、三相SPWM互补波形发生器及看门狗、时钟控制等电路。图25为内部结构和工作原理图。5控制系统硬件电路设计图2587C196MC内部结构图F蟾25INTEMALSTMCTURALDIAGRAMOF87C196MC87C196MC含有512B的寄存器集，其中的低24位专为特殊功能寄存器保留，不能用作通常的。井J有256个累加器，能直接对寄存器集中的低256位进行操作，从而避免了其它单元常有的因只使用一个累加器而造成的瓶颈效应；寄存器的高256字节用作寄存器，直接访问这些高端寄存器使得编程容易、执行速度快。标准位于存储空间，在使用时，通常采用视窗技术切换到寄存器区，可以加快操作进度。87C196MC内部自带13路的8位10位高速D转换器，转换时间可编程设置在139402US之间，D也可作为可编程的比较器，在输入跨过一个门槛电平时产生中断。87C196MC采用CHMOS工艺，支持16KB的EPROM，晶体振35安徽理丁大学硕上论文荡频率16MHZ，完成16位乘以16位的乘法只要175US，完成32位除以16位的除法只要3PS，非常适用于控制系统的快速性要求。87C196MC有7个口，每个端口的管脚都是多功能的，可用作标准口或用来传送特殊信号。87C196MC的功能如下端口扩展为7个8位端口，端口处理能力进一步增强高速输入输出事件由单独编程的事件处理器EPA处理，减小CPU的占用时间，提高了处理速度外用事件服务器阿S1可将大多数中断转换为可立即执行的微代码，同时支持在储器任意位置信息的移动而不需CPU干涉；令模数转换器AD接口扩展为13路，转换精度和转换时间可编程设定；除独特的两路脉宽调制PWM输出外，增加了每路可单独编程的六路输出的波形发生器FWG，适用于各种三相或三相以下的电机和变频器的控制和系统设计；独特的三种工作方式空闲方式IDI卫、停机方式PD和电路仿真方式0NCE，使芯片功耗最低并方便了用户的开发。下面介绍本系统中用到的特殊单元的工作原理1波形发生器WG原理与功能87C196MC单片机的主要优点之一就是具有一个三相波形发生器阿AVEGENERATORWG，波形发生器为用户额外提供了三对脉宽调制信号，其中每个脉宽调制信号都可独立编程控制，并且片内设置保证每对信号的不同时导通，信号问的死区间隔可由编程确定，波形发生器的这些功能大大简化了用于产生同步脉宽调制的控制软件和外部硬件，特别适用于三相感应电机的控制，波形发生器三个PWM模块分别包括一个相位比较寄存器、一个死区时间发生器和一对可编程的输出控制寄存器。三个模块具有共同的载波频率、死区时间和操作方式，波形发生器启动后，只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。11波形发生器专用寄存器功能波形发生器共有八个专用寄存器，其中大部分寄存器为双缓冲结构，设置缓冲结构的目的是为了使波形发生器在运行过程中只能在特定条件下改变参数从而防止系统紊乱。波形发生格式寄存器WGOUT，该寄存器用于选择输出引脚的输出信号方式。它可以是用户对每个引脚独立地定义有效状态。该寄存器是16位的，可按字访问也可按2个分开字节访问。WG0UT实际是一个缓冲寄存器，真正的输出控制寄存器是不可访问的，要通过WGOUT来访问真正的控制寄存器。波形发生方式控制寄存器WGCON5控制系统硬件电路设计该寄存器的值定义了波形发生器的启停、工作方式和同相输出的死区时间，WG共有四种亡作方式，其中工作方式O和工作方式1为中心对准PWM方式，工作方式2和工作方式3为边沿对准PWM方式、由于中心对准PWM方式下的WG的输出波形是对称于PWM波形中心的，其谐波分量远远小于边沿对准PWM方式的输出波形，因此下面仅对工作方式0和工作方式1进行探讨，该寄存器的低十位统称为死区时间定义寄存器DTIME，其值定义了同相输出的死区时闻。重装载寄存器WGRELOADWGRELOAD实际是一对16位寄存器。当读写时访问的是WGRELOAD。写到WGREUAD的值被周期地装入第二个寄存器，后一个叫作计数器比较寄存器，它是WGCOUNT实际与之比较的时间寄存器，WGRELOAD寄存器的值定义了PWM波形的载波频率，用户对载波频率的重新定义只有当重装载寄存器WGRELOAD的值在特定条件下重置入其缓冲器CONTCMP后才会生效。计数器WGCOUNT计数器WGCOUNT提供波形发生器的时基信号，单片机的时钟频率经二分频后作为其时钟信号，计数器WGCOUNT每隔一个状态周期完成加1或减1操作，当系统发生重置操作时，WGRELOAD的值在装入CONTCMP的同时也装入计数器WGCOMPX。相位比较寄存器WGCOMP【相位比较寄存器WGCOMPX的值实际上反映了被调制波的变化，波形发生器在运行过程中当WGCOMPX的值与计数器WGCOUNT的值相吻合时，其相应的输出管脚按照WG二OUT定义输出信号，当系统重置时，WGCOMPX的值进入WGCOMPX。保护命令寄存器WGPROTECT保护命令寄存器WGPROTECT决定了是否允许保护电路工作并决定了保护电路的工作方式。保护电路是在WGPRORECT的控制下或在一次外部事件F作用在EXINL脚上的作用下，同时禁止波形发生器的全部六个输出。21寄存器的重装载与WG的工作过程寄存器的重装载与波形发生器的正常工作密切相关，PWM波形频率和占空比的改变以及WG的启停等功能都是通过寄存器的重装载来实现的。在中心对准PWM产生过程中寄存器的重装载的条件和寄存器的重装载方式不同而有所不同，工作方式0和工作方式1的重装载条件和重装载操作见表1所示。安徽理工大学硕士论文表1WG重装载表TABLELRELOADLABLEOFWGF伟重装载条傩熏装载操作方式WARELOAD卜WGCOUNTWGRELOADEONLCMP0WGCOUNTCONL二CMPWGCOMPXWGCOMPXWOPUT卜WOOUTWO中新标志置LWLLRELOAD1WGCOUNTT；WORELOD霉CONTCMPWGLTELODCONTCMPLWOCOMPXWGCOMPXHIWGCOUNT置OOOLHWGOUTWGRELOADWG中断掠志鳖IC仪蕞件【有效这里的“重装载”是指把数据从WGRELOAD传到WGCOUNT。从WGCOMPX传到比较寄存器，从WGOUT传到输出控制缓冲器。工作方式O和工作方式1的唯一不同在于，工作方式0在一个载波周期内仅能控制WG一次，而工作方式1则允许改变两次，对于一般的控制系统工作方式0完全可以满足要求。如果WGJ也LOAD被置入O且发生重装载，那么WGCOUNT停止计数使WG关断。2PWM脉宽输出87C196MC除了有波形发生器WG外，还有两个通用PWM调制信号输出。通过其两个通用的脉宽调制模块PWML和PWMO产生输出PWM波形。可提供脉宽调制信号，脉宽调制器是由暂存锁存器、脉宽调制器、比较器、8位计数器和RS触发器组成。当计数器的数值为00H或0FFH溢出时，计数器输出低电平，使RS触发器置1，即PWM输出高电平，此后保持该状态。当PWM计数器的值与计数器的计数值相等时，比较器输出低电平，使RS触发器复位，输出出高电平变为低电平。385控制系统硬件电路设计LC，2图26PWM口内部电路FI926INTEMALCIRCUITOFPWMINIERFACE每个输出通道的信号有效周期DUTYCIRCLE都是可编程的，其编程分辨率为8位。PWM的周期也是可编程的。PWM周期由8位的周期控制寄存器来控制。PWM调制电路的其它部分是1个8位计数器和两个8位PWM比较寄存器。PWM的输出脚与P6端口的P66和P67共用。其输出控制位在波形发生器WG的输出控制寄存器WGOUT内。PWM输出与P6端口的对应关系如下；P66对应PWMOPWM的O通道输出。P67对应PWMLPWM的1通道输出。与PWM有关的寄存器如下PWMODUTY，地址为LFBOHPWM0通道的有效周期控制寄存器。PWMLDUTY，地址为LFB2HPWML通道的有效周期控制寄存器。PWMPERIOD，地址为LFB4HPWM的周期控制寄存器。PWMPERCNT，地址为1FB6HPWM周朗计数寄存器。WG0UT，地址为1FCOH，波形发生器输出控制寄存器。它可以通过8位的周期控制寄存器PWMPERIOD来控制PWM输出周期，浚寄存器的访问地址是LFB4H。PWMPER_CNT是向下计数器，在每个状态周期计数器减1，当减为0时PWM_PERL0D中内容重新装入PWM_一PERCNT，同时计数器增1。而两次溢出间隔即为PWM周期，因此可得。一F。C512【P聊一翘淑，DD】1，为PWM输出信号频率凡。为单片机振荡频率改变装入PWM0和PWML寄存器的值即可得到占空比不同的PWM波形。本系统就是通过单片机PWM口输出脉冲通过调占空比来实现对IPM的触发实现39安徽理工大学硕士论文调速的，由于通过硬件实现脉宽调制大大简化了硬件电路，减小了软件开销。3模拟数字转换器D1D转换器简介87C196MC的D转换器有一个13通道的多路转换开关，一个采样保持电路和一个10位逐次比较型AD转换器。该转换器有以下特点D转换器的位数可以选择8位或10位。采样保持时间和D转换时间可由程序设定。提供8位阙值检测方式当输入电压和所设电压相等时，设一个中断标志。内部含有一个零位补偿电路，靠程序可在AD测试寄存器ADTEST设定零位偏移补偿，对所有通道进行零位补偿。与AD转换器有关的寄存器有命令寄存器ADCOMMAND、AD结果寄存器ADRESULL、采样时间寄存器ADTIME和