基于单片机的直流调速系统设计

1. 引言

在DKSZ-1电机控制实验装置基础上增加以单片机为控制核心的数字控制器，实现了直流数字双闭环调速系统控制。

2. 系统的组成

调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流。结构原理图如图1所示，图中符号的意义分别为：ASR-转速调节器；ACR-电流调节器；TG-测速发电机；TA-电流互感器；UPE-电力电子变换器U*n；-转速给定电压；Un-转速反馈电压；U*i-电流给定电压；Ui-电流反馈电压。

3. 电流环与转速环的设计

经过测量计算，确定系统的基本参数如下：直流电动机：Un=220V，1.16A，1500r／min，Ce=0.15，λ=1.3

晶闸管装置放大倍数：Ks=63.3

电枢回路总电阻：R=41.14Ω

时间常数：Tm=0.04s．TL=0.028s

电流反馈系数：β=3.3／λInom=3.3／1.5=2.188

转速反馈系数：α=2.5／1500=0.0017

稳态指标：静差率小于5％，D>10

3.1 电流环的设计

3.1.1 确定时间常数

①整流装置滞后时间常数：三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。

②电流滤波时间常数：

由于主回路的电流是脉动直流，为了能取得电流的平均值，可采用多次采样取平均值等数字滤波方法，但考虑到系统的CPU时序安排紧张，决定采用加硬件滤波环节的办法，但其时间常数应该取得小一些，取



③电流环小时间常数

按小时间常数近似处理，取

3.1.2 选择调节器结构

电流环按I型系统设计，电流调节器选用PI调节器，其传递函数为：

3.1.3 计算各调节器参数：
ACR超前时间常数： 。电流开环增益：按δI％≤5％，应取　　，因此：

则ACR的比例系数为：

3.1.4 校验近似条件
电流环截止频率Wci=KI=178.57／S

晶闸管整流装置传递函数近似条件Wci≤1／3Ts

现在，，满足近似条件。

忽略反电动势对电流环影响的条件 现在，，满足近似条件。

小时间常数近似处理条件： 现在， ，满足近似条件。

3.2 转速环的设计
3.2.1 确定时间常数

①电流环等效时间常数为

②转速滤波时间常数Ton

外加转速滤波环节，取

③转速环小时间常数

按小时间常数处理，取：

3.2.2 选择调节器结构

按典型II型系统设计转速环，ASR选用PI调节器，其传递函数为

3.2.3 计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取=5，则ASR的超前时间常数为： 转速环开环增益：

于是，ASR的比例系数为：

3.2.4 验近似条件

转速环截止频率为 电流环传递函数简化条件：

现在 满足简化条件。

小时间常数近似处理条件：

现在： ，满足近似条件。

4. 采样周期选择及PI控制算法

4.1 采样周期选择

根据采样定理，必须使采样频率Ws≥2Wmax，以便采样后的离散信号不会失真，ws=2π(1／Ts)，为采样角频率； wmax=2πfma为信号最高角频率。按采样定理可以确定采样周期的上限值：Ts≤π／Wmax；

实际应用中，常按一定的原则，结合使用经验来选择采样周期Ts:Tmin≤Ts≤Tmax。

在一般情况下，可以令采样周期， 或用采样角频率Ws≥(4～10)Wc，Wc为控制系统的截止频率。由双闭环的设计参数知：

4.2 PI控制算法

当输入误差函数e (t)，输出函数是u (t)时，PI调节器的传函： ；则，u (t)和e (t)关系的时域表达式可写成：

其中，KP=KPI，为比例系数； 为积分系数。将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为：

5. MATLAB仿真建模与波形分析

电流调节器和转速调节器仿真模型分别采用I型和Ⅱ型系统，所用数据为按工程方法计算的参数，并根据经验略作调整，MATLAB仿真波形如图4所示。

从图4中可以看出，由于负载增大，使电枢电流出现一个小的数值增大的波动后，达到新的负载电流状态的稳定值，这个稳定值与负载增加前相比，数值变大。

由图5和图6得：突然给定电压U*n时，Un很小，所以△Un很大，ASR很快饱和，输出为最大值，电枢电流线形增加，当r>n*时，Un>U*n那么△Un变极性，ASR退饱和，转速负反馈投入运行，直到n=n*。

综上所述，起动电流根据电机起动波形，可以看到速度与电流之间的关系与理论情况基本相同。

6. 实验波形及分析

(1) 电机突加最大给定时，转速波形如图7。由于测速发电机性能的影响，使得超调现象不明显。

由图7可知，转速起动波形与SIMULINK仿真所得波形一致，达到了预期的效果。

(2) 电枢电流波形

电枢电流波形在突加给定时，在双闭环的作用下迅速上升，迫使电动机快速起动，然后迅速回落直到等于负载电流。

在图8，因为测速发电机性能和晶闸管驱动环节死区电压的影响，使得电枢电流没有恒流阶段。但波形与SIMULINK仿真所得波形趋势一致，达到了预期的效果。