隨著微電子技術,微處理機以及計算機軟件的發(fā)展,使調速控制的各種功能幾乎均可通過微處理機,借助軟件來實現(xiàn)。即從過去的模擬控制向模擬-數(shù)字混合控制發(fā)展,最后實現(xiàn)全數(shù)字化。

　　1.1課題背景與研究目標

　　直流調速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是工業(yè)生產過程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統(tǒng)中。直流電動機可逆調速系統(tǒng)數(shù)字化已經走向實用化，其主要特點是：

　　(1)常規(guī)的晶閘管直流調速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結構，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)動態(tài)參數(shù)調整方便;

　　(3)系統(tǒng)可以方便的設計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性;

　　此次課題設計一個直流調速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由單片機，檢測電路，驅動電路，按鍵輸入，數(shù)碼顯示等構成，檢測電路又包括電流檢測，轉速檢測，電源邏輯狀態(tài)檢測等部分。

　　1.2課題的實際意義

　　在數(shù)字化系統(tǒng)中,除具有常規(guī)的調速功能外,還具有故障報警,診斷及顯示等功能,同時,數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強的通信能力,通過選配適當?shù)耐ㄐ沤涌谀０?可方便地實現(xiàn)主站(如上一級PLC或計算機系統(tǒng))和從站(單機交,直流傳動控制裝置)間的數(shù)字通信,組成分級多機的自動化系統(tǒng)。

　　數(shù)字調速系統(tǒng)與模擬調速系統(tǒng)相對比,技術性能有如下優(yōu)點:

　　(1)靜態(tài)精度高且能長期保持;

　　(2)動態(tài)性能好,借助于豐富的軟件,易于實現(xiàn)各類自適應和復合控制;

　　(3)調速范圍寬;

　　(4)電壓波動小;

　　由此,數(shù)字化將在未來的調速設備中得到大量應用。

　　數(shù)字化是調速系統(tǒng)自動化的基礎，特別是當前網(wǎng)絡技術在工業(yè)領域的普及與發(fā)展，就更加確定了數(shù)字控制的主導地位，因此研究該課題具有實際意義。

　　第2章系統(tǒng)方案選擇和總體結構設計本設計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統(tǒng)中速度調節(jié)器、電流調節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應調節(jié)器等，從而使直流調速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。

　　2.1調速方案的選擇調速方案的優(yōu)劣直接關系到系統(tǒng)調速的質量。根據(jù)電機的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運行。

　　2.1.1系統(tǒng)控制對象的確定本次設計選用的電動機型號Z2-32型，額定功率1.1KW，額定電壓230V，額定電流6.58A,額定轉速1000r/min,勵磁電壓220V,運轉方式連續(xù)。

　　2.1.2電動機供電方案的選擇變電壓調速是直流調速系統(tǒng)用的主要方法，調節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調制變換器。旋轉變流機組簡稱G-M系統(tǒng)，用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。適用于調速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。

　　用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調直流靜止可控整流器又稱V-M系電壓。通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實現(xiàn)平滑調速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調制交換器采用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制變換器產生可變的平均電壓。受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設計的技術要求和特點選V-M系統(tǒng)。[1]

　　2.2總體結構設計全面比較單閉環(huán)和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，把握系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能，選擇最適合設計要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實際，選擇轉速，電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。電機轉速通過光電脈沖轉換器的計數(shù)，再直接連到單片機。交流側電流通過電流互感器的作用，經采樣，A/D轉換連到單片機。

　　2.2.1系統(tǒng)結構選擇若采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差，不過當對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩，在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。

　　若采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流(轉矩)受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流(轉矩)受到限制的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。

　　與帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。

　　綜上所述，本系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統(tǒng)中速度調節(jié)器、電流調節(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調節(jié)器等，從而使直流調速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。其硬件結構如圖2-1所示。

　　2.2.2系統(tǒng)的工作原理在此單片機控制的直流調速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、A/D轉換器送入計算機，計算機按照已定的控制算法計算產生雙脈沖，經并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調節(jié)電動機的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。

　　第3章主電路設計與參數(shù)計算電動機的額定電壓為230V，為保證供電質量，應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勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結。

　　3.1整流變壓器的設計工業(yè)供電電壓為AC380V，而電動機的額定電壓為230V，所以必須通過降壓變壓器對使之達到系統(tǒng)要求。本設計采用的是直流電機，故還須通過整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓。

　　3.1.1變壓器二次側電壓U2的計算U2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角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個晶閘管正向壓降;