隨著微電子技術(shù),微處理機(jī)以及計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展,使調(diào)速控制的各種功能幾乎均可通過(guò)微處理機(jī),借助軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。即從過(guò)去的模擬控制向模擬-數(shù)字混合控制發(fā)展,最后實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。

　　1.1課題背景與研究目標(biāo)

　　直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没渲饕攸c(diǎn)是：

　　(1)常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便;

　　(2)動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便;

　　(3)系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性;

　　此次課題設(shè)計(jì)一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由單片機(jī)，檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路，按鍵輸入，數(shù)碼顯示等構(gòu)成，檢測(cè)電路又包括電流檢測(cè)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)，電源邏輯狀態(tài)檢測(cè)等部分。

　　1.2課題的實(shí)際意義

　　在數(shù)字化系統(tǒng)中,除具有常規(guī)的調(diào)速功能外,還具有故障報(bào)警,診斷及顯示等功能,同時(shí),數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強(qiáng)的通信能力,通過(guò)選配適當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌谀０?可方便地實(shí)現(xiàn)主站(如上一級(jí)PLC或計(jì)算機(jī)系統(tǒng))和從站(單機(jī)交,直流傳動(dòng)控制裝置)間的數(shù)字通信,組成分級(jí)多機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)。

　　數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)與模擬調(diào)速系統(tǒng)相對(duì)比,技術(shù)性能有如下優(yōu)點(diǎn):

　　(1)靜態(tài)精度高且能長(zhǎng)期保持;

　　(2)動(dòng)態(tài)性能好,借助于豐富的軟件,易于實(shí)現(xiàn)各類自適應(yīng)和復(fù)合控制;

　　(3)調(diào)速范圍寬;

　　(4)電壓波動(dòng)小;

　　由此,數(shù)字化將在未來(lái)的調(diào)速設(shè)備中得到大量應(yīng)用。

　　數(shù)字化是調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，特別是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及與發(fā)展，就更加確定了數(shù)字控制的主導(dǎo)地位，因此研究該課題具有實(shí)際意義。

　　第2章系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)用一臺(tái)單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。

　　2.1調(diào)速方案的選擇調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。根據(jù)電機(jī)的型號(hào)及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　2.1.1系統(tǒng)控制對(duì)象的確定本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z2-32型，額定功率1.1KW，額定電壓230V，額定電流6.58A,額定轉(zhuǎn)速1000r/min,勵(lì)磁電壓220V,運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)。

　　2.1.2電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。

　　用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱V-M系電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選V-M系統(tǒng)。[1]

　　2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能，選擇最適合設(shè)計(jì)要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際，選擇轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)光電脈沖轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)，再直接連到單片機(jī)。交流側(cè)電流通過(guò)電流互感器的作用，經(jīng)采樣，A/D轉(zhuǎn)換連到單片機(jī)。

　　2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，不過(guò)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。

　　若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的，這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。

　　與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動(dòng)態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)程中表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性，在動(dòng)態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)，抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。

　　綜上所述，本系統(tǒng)用一臺(tái)單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

　　2.2.2系統(tǒng)的工作原理在此單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號(hào)是通過(guò)模擬光電隔離器、A/D轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照已定的控制算法計(jì)算產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級(jí)，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來(lái)完成。

　　第3章主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低;為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。

　　3.1整流變壓器的設(shè)計(jì)工業(yè)供電電壓為AC380V，而電動(dòng)機(jī)的額定電壓為230V，所以必須通過(guò)降壓變壓器對(duì)使之達(dá)到系統(tǒng)要求。本設(shè)計(jì)采用的是直流電機(jī)，故還須通過(guò)整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓。

　　3.1.1變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算U2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過(guò)低就會(huì)無(wú)法保證輸出額定電壓。選擇過(guò)大又會(huì)造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計(jì)算，即：

　　式中Udmax--整流電路輸出電壓最大值;

　　nUT--主電路電流回路n個(gè)晶閘管正向壓降;