传输设备速度控制器的设计论文正文(编辑修改稿)

传输设备速度控制器的设计论文正文(编辑修改稿)内容摘要：

波器 （ 脉宽调制变换器 ）。 用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。 旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。 改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变 ，所以 GM 系统的可逆运行是很容易实现的。 该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。 且技术落后，因此搁置不用。 VM 系统是当今直流调速系统的主要形式。 它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。 VM 系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。 最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的 谐波电流危害附近的用电设备。 图 23 晶闸管－电动机调速系统原理框图（ VM系统） 直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平 均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。 它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 6 页 共 43 页 图 24 为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中 VT 代表开关器件。 当开关 VT接通时，电源电压 U。 加到电动机上；当 VT 断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。 如此反复，得电枢端电压波形如图 （ b）所示。 图 24 直流斩波器原理电路及输出电压波型 （ a）原理图 （ b）电压波型 采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。 当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。 脉冲宽度调制（ Pulse Width Modulation），简称 PWM。 脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。 与 VM 系统相比， PWM 调速系统有下列优点： （ 1）由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达 1： 10000左右。 由于电流波形比 VM 系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。 （ 2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。 （ 3）由 于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称 PWM 变换器。 脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。 目前，受到器件容量的限制， PWM 直流调速系统只用于中、小功率的系统。 PWM 原理及其实现方法 PWM 基本原理 PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 7 页 共 43 页 制要求的一种电压调整方法。 PWM 可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。 在 PWM 驱动控制的调整系统中 ，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。 通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动 机 的转速。 因此， PWM 又被称为“开关驱动装置”。 如图 22 所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。 只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 图 25 电枢电压“占空比”与平均电压关系图 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 maxV ， 设占空比为 D=t1/T， 则电机的平均速度为 aV = DV max （ 22） 式中 ， aV — 电机的平均速度 ； maxV — 电机全通电时的速度 (最大 )； D=t1/T— 占空比。 由公式（ 22）可见，当我们改变占空比 D=t1/T 时，就可以得到不同的电机平均速度 aV ,从而达到调速的目的。 严格来说，平均速度 aV 与占空比 D 并非严格的 线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。 PWM 脉宽调制方式 PWM 脉宽调制的方式有 3 种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。 我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且存采用单片机产生 PWM 脉冲的软件湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 8 页 共 43 页 实现上比较方便。 PWM 的一个优点是从 AT89S52 到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。 噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时，才能对数字信号产生影响。 这也是 PWM 用于通信的主 要原因。 PID 算法简介 PID 控制 在连续控制系统中， PID 控制算法得到了广泛的应用，是技术最成熟的控制规律。 目前提出的控制算法有很多。 根据偏差的比例（ P）、积分（ I）、微分（ D）进行的控制，称为 PID控制。 实际经验和理论分析都表明， PID 控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。 由于本文只用到数字 PID，所以只介绍数字 PID 算法。 数字 PID 算法 模拟 PID 控制器的基本算式为： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t   （ 23） 式中， pK 为比例系数， IT 为积分时间常数， DT 为微分时间常数。 简单的说， PID 调节器各校正环节的作用是： （ 1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号 ()et ,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差； （ 2）积分环节：主要用于消除静差 ，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 IT ， IT 越大，积分作用越弱，反之则越强； （ 3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 为将模拟 PID 控制规律离散化，我们把 ()rt 、 ()et 、 ()ut 、 ()ct 在第 n 次采样的数据分别用 ()rk 、 ()ek 、 ()uk 、 ()ck 表示，于是式（ 23）变为： ( ) ( ) ( )e k r k c k (24) 当采样周期 T 很小时 dt 可以用 T 近似代替， ()det 可用 ( ) ( 1)e k e k近似代替， “ 积分 ” 用 “ 求和 ” 近似代替，即可作如下近似 ( ) ( ) ( 1)de t e k e kdt T (25) 0 1( ) ( )ntie t dt e i T (26) 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 9 页 共 43 页 这样，式（ 23）便可离散化以下差分方程 01( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT      (27) 上式中 0u 是 偏差为零时的初值 ,上式中的第一项起比例控制作用 ,称为比例（ P）项()puk,即 ()puk= {( )PK ek (28) 第二项起积分控制作用 ,称为积分 (I)项 ()Iuk即 1( ) ( )kIP iITu k K e iT   (29) 第三项起微分控制作用 ,称为微分 (D)项 ()Duk即 ( ) [ ( ) ( 1 ) ]DDP Tu k K e k e kT   (210) 式（ 27）的输出量 nu 为全量输出 ,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。 因此 ,式（ 27）又称为位置型 PID 算式。 工业应用中，采用 PID 位置算法是不够方便和有欠缺的。 由于要累加误差，占用内存多，并且安全性较差，考虑到这种情况，在工业应用中，还有一种增量式算法。 增量式算法是位置算法的一种改进。 由式（ 27）可以得到（ k1）次的 PID 输出表达式： 101( 1 ) { ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ( 2 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT         （ 211） 由式（ 27）与式（ 211）可得 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k    [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]P I DK e k e k K e k K e k e k e k         （ 212） 数字 PID 参数整定方法 PID 调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。 用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。 因此，实际用得较多的还是工程整定法。 下面简单介绍两种常用的简易工程整定法。 （ 1）扩充 临界比例度法。 这种方法是对连续系统临界比例度法的扩充，适用于有自平衡特性的被控对象，不需要准确知道对象的特性。 （ 2）经验法确定 PID 参数。 经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲线，来调整 P、 I、 D 三者参数的大小的。 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 10 页 共 43 页 图 26 增量式 PID 框图 湖北科技学院本科毕业论文：传输设备速度控制器的设计 第 11 页 共 43 页 3 系统总体设计方案 调速系统的硬件原理方框图如图 31 所示，本系统由 6 个部分组成，单片机系统是核心，其外围电路有五个部分：输入电路，电源，驱动电路，显示电路，测速 电路。 图 31 系统的硬件原理方框图 其中单片机负责控制运算、数据采集等任务，输入电路用于设定直流电机预期速度及控制直流电机的启动、正反转、停止，显示电路用于显示直流电机的当前转速，测速电路用于测量直流电机的实际转速，驱动电路用于驱动直流电机。 本控制系统中，直流电机的转速是待检测的参数，也是反馈检测量，通过测速电路将直流电机转速转化为反馈信号输入单片机，通过 PID 算法来控制 PWM(脉冲宽度调制 )输出的占空比，进而对直流电机的转速实现闭环控制，使 其转速达到预期设定值。 单片机设计方案 方案一：采用 AT89S51/AT89S52 作为系统控制的方案。 AT89S52 单片机是 AT89S51 的升级版，拥有更多功能，它的算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。 并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。 方案二：采用传统的 AT89C51 单片机作为运动物体的控制中心。 它和 AT89S2 一样都具有软件编程灵活、体积小、成本低 ,使用简单等特点，。