西安科技大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作業(yè)基于單片機(jī)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、電控學(xué)院運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)期中作業(yè)院 （系）： 電氣與控制工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 2015年5 月29日一、設(shè)計(jì)要求1.1已知參數(shù)：某轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用晶閘管三相橋式全控整流電路供電已知基本數(shù)據(jù)如下：（1）電動(dòng)機(jī)參數(shù)：=500KW,=750V,=760A,=375r/min,電動(dòng)勢(shì)系數(shù)=1.82V.min/r，電樞回路總電阻=0.14，允許過載倍數(shù)=1.5；（2）觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)=75，電磁時(shí)間常數(shù)=0.031，機(jī)電時(shí)間常數(shù)=0.112s，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)=0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)=0.02s。設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓=10V，調(diào)節(jié)器輸入電阻=40K。1

2、.2設(shè)計(jì)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%。1.3設(shè)計(jì)要求：（1）運(yùn)用調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)ASR與ACR，達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，得到ASR與ACR的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)為典1系統(tǒng)，并取參數(shù)KT=0.5，轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)為典2系統(tǒng)；（2）用MATLAB對(duì)上述設(shè)計(jì)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，給出仿真結(jié)果；（3）設(shè)計(jì)出上述設(shè)計(jì)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的完整硬件實(shí)現(xiàn)原理圖，原理圖采用軟件Protel畫圖；（4）給出原理圖每個(gè)元件的型號(hào)與值，并說明選值依據(jù)；（5）系統(tǒng)控制部分可以采用模擬電路或者微處理器實(shí)現(xiàn)。若采用微處理器實(shí)現(xiàn)，要說明軟件實(shí)現(xiàn)流程以及核心軟件的算法；二、參數(shù)

3、設(shè)計(jì)2.1 總述雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個(gè)數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。三相全控橋整流電路實(shí)際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯(lián)電路。在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差60度 。為了構(gòu)成一個(gè)完整的電流回路，要求有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其中一個(gè)在共陽極組，另外一個(gè)在共陰極組。晶閘管VT2

4、、VT4、VT6接成共陽極組，晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組。在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速，但是，對(duì)靜差率有較高要求時(shí)，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。這時(shí)就要采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足

5、需要。這是就要考慮采用轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實(shí)行嵌套（串聯(lián)）聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子電換器的最大輸出電壓

6、Udm。用工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)調(diào)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。步驟是：先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，本題要求電流環(huán)設(shè)計(jì)為典系統(tǒng)，最后按動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖-電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) -轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)2.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。經(jīng)查課本表2-2可得，三相橋式電路的平均失控時(shí)間=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間

7、是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.33ms,因此取=2ms=0.002s。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取=+=0.0037s。（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量5%，且無穩(wěn)態(tài)靜差。因此采用典型1型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流控制對(duì)象是雙慣性型的，所以ACR采用PI型調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)如下：檢查對(duì)電源電壓的抗性性能：，參看課本表3-2的典1系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù) ：電流環(huán)開環(huán)增益：要求電流超調(diào)量5%時(shí)，查課本表3-1，有較好的靜動(dòng)態(tài)性能，取KT=0.5,因此：電流反饋系數(shù)：于是，ACR的比例放大

8、系數(shù): （4）檢驗(yàn)近似條件電流截止頻率： 校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件 校驗(yàn)忽略電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 滿足近似條件 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì) 圖2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化(a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) (b)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理(c)校正后成為典型2系統(tǒng)(1)確定時(shí)間常數(shù) 電流環(huán)等效時(shí)間按常數(shù)。由上述可得，在電流環(huán)中已取KT=0.5，則由題設(shè)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間時(shí)間常數(shù)： 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取(2) 確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)為典2型系統(tǒng)，由于要求轉(zhuǎn)速無靜差，因此ASR應(yīng)選用

9、PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)如下： （3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：于是，ASR比例系數(shù)為(4)校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 滿足條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足條件 2.4 核對(duì)轉(zhuǎn)速超調(diào)量ASR經(jīng)歷快速飽和和退保和情況，不符合線性條件，不可直接查表3-4得超調(diào)量。應(yīng)按退保和超調(diào)計(jì)算：設(shè)計(jì)設(shè)時(shí)若取h=5，查表3-5有超調(diào)量要求為空載啟動(dòng)時(shí)的參數(shù)取額定穩(wěn)態(tài)速降 滿足要求代入公式得 滿足要求三、系統(tǒng)仿真本次系統(tǒng)仿真采用控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB R2011a，使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)

10、行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種：一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究；另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用前一種方法。3.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖3 轉(zhuǎn)速電流閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型3.2仿真步驟 構(gòu)建仿真模型：根據(jù)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，提取各元件的仿真模塊，連接模塊，得到按傳遞函數(shù)仿真的雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算和設(shè)定：按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)和選擇轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，ASR和ACR都采用PI調(diào)節(jié)器，具

11、體參考上文參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)定模型仿真參數(shù)：仿真時(shí)間5.0s。啟動(dòng)仿真及結(jié)果：如圖4所示。改變負(fù)載端，觀察波形變化。(a)(b)(c)圖4 仿真結(jié)果(a) 理想空載0A運(yùn)行（綠線電流，紅線轉(zhuǎn)速） (b) 負(fù)載360A運(yùn)行（綠線電流，紅線轉(zhuǎn)速） (c) 滿載760A運(yùn)行（綠線電流，紅線轉(zhuǎn)速）得出結(jié)論：利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和特性，使系統(tǒng)保持恒定最大允許電流，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)建立轉(zhuǎn)速，在退飽和實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差特性。由于構(gòu)成了無靜差系統(tǒng)，在負(fù)載變化和電壓波動(dòng)等擾動(dòng)情況下，保持系統(tǒng)的恒定輸出。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)可以很好的克服負(fù)載變化和電壓波動(dòng)等擾動(dòng)影響，特別是電壓波動(dòng)點(diǎn)在電流環(huán)內(nèi)，多數(shù)情況可以

12、再電流環(huán)內(nèi)就克服，而不會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。四、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在扎鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用歷史悠久。大功率直流調(diào)速系統(tǒng)通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣?，在使用中易受外界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及標(biāo)準(zhǔn)性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制

13、提供了更大的靈活性，使系統(tǒng)的性能更優(yōu)。 其中MSP430系列的單片機(jī)是TI公司1996年開始生產(chǎn)的一種16位的超低功耗混合信號(hào)處理器。主控制器是系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。從低功耗和穩(wěn)定性方面考慮，我們采用了TI 公司的 MSP430F149 單片機(jī)作為主控制器。該單片機(jī)是 16 位單片機(jī)，可在 1.8-3.6V 的電壓下工作，耗電電流視工作模式不同為 0.1-400uA，這實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗。該單片機(jī)還具有 60KB 的 Flash 存儲(chǔ)器、2KB 的RAM 和大量的 I/O端口等，完全滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)程序要求。此外該系列單片機(jī)還集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)，他們分別是看門狗(WD

14、T)，模擬比較器 A，定時(shí)器 A，定時(shí)器 B，串口 0/1，硬件乘法器， 10 位 ADC， 端口(P0P6)，基本定時(shí)器等一些外圍模塊的不同組合。 其中看門狗使程序失控時(shí)迅速復(fù)位；16 位定時(shí)器(TimerA 和 TimerB)具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)，時(shí)序同步，PWM 等；10 位 A/D轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200Kps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；而且該單片機(jī)提供在線調(diào)試，調(diào)試程序方便；基于該單片機(jī)以上的優(yōu)點(diǎn)，該雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用 MSP430F149作為主控器。4.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案電源：選擇三相交流380V供電

15、,經(jīng)變壓器和二極管整流后得到直流760V?？刂齐娐罚翰捎肕SP430F149單片機(jī)。主電路：如題所示采用三相橋式不可控整流電流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的開關(guān)管MOSFET，構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器。驅(qū)動(dòng)電路：采用兩個(gè)IR2110驅(qū)動(dòng)四個(gè)MOSFET管。速度調(diào)節(jié)器：數(shù)字PI調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器：數(shù)字PI調(diào)節(jié)器。保護(hù)電路：采用電壓互感器，檢測(cè)電壓。轉(zhuǎn)速反饋：光電編碼器。電流反饋：電流互感器?；贛SP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理，設(shè)計(jì)電路思路如圖5所示，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)包括MSP430F149 單片機(jī)、顯示、鍵盤、光電編碼器、電流互感器、電壓互感器、開關(guān)、繼

16、電器、總電源、變壓器、驅(qū)動(dòng)等。圖5 總體設(shè)計(jì)電路原理圖4.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)硬件設(shè)計(jì)（1）橋式可逆PWM變換器脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。可逆PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H型）電路，如圖6所示。圖6 橋式可逆PWM 變換器電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖7所示。圖7 PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形 他們之間的關(guān)系是：。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時(shí)。當(dāng)時(shí)

17、，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。則雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)，則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。則在本題參數(shù)選取中，令三相橋式整流中導(dǎo)通角，并且，則U=320V。變壓器的容量為630KVA，匝數(shù)比為0.98。

18、晶閘管選擇KP800，其通態(tài)正向平均電流為800A,斷態(tài)、正反向重復(fù)峰值電壓為3000V。絕緣柵雙極型晶體管選擇型號(hào)為80J101，因?yàn)槟蛪褐当仨氝_(dá)到750V，80J101最高耐壓1000V，最大電流80A，故而滿足要求。圖8 PWM變換器的硬件電路實(shí)現(xiàn)（2）驅(qū)動(dòng)電路IR2110驅(qū)動(dòng)器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。該驅(qū)動(dòng)電路采用了IR2110集成芯片，該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。 IR2110的特點(diǎn)：具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。輸出的電源端(腳3)的電壓范圍為1020V。邏輯電源的輸入范圍(腳

19、9)515V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 V的便移量。工作頻率高，可達(dá)500KHz。開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。圖騰柱輸出峰值電流2A。IR2110的工作原理為：IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入;電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，即一組電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制。圖9 IR2110 內(nèi)部框圖LO(引腳1):低端輸出；COM(引腳2):公共端；Vcc(引腳3):低端固定電源電壓；Nc(引腳4): 空端；Vs(引腳5):高

20、端浮置電源偏移電壓；VB (引腳6):高端浮置電源電壓；HO(引腳7):高端輸出；Nc(引腳8): 空端；VDD(引腳9):邏輯電源電壓；HIN(引腳10): 邏輯高端輸入；SD(引腳11):關(guān)斷；LIN(引腳12):邏輯低端輸入；Vss(引腳13):邏輯電路地電位端，其值可以為0V；Nc(引腳14):空端（3）轉(zhuǎn)速檢測(cè)：光電編碼器   利用光電傳感器結(jié)合測(cè)速碼盤進(jìn)行測(cè)速，其原理如下：利用光電傳感器和測(cè)速碼盤結(jié)合產(chǎn)生周期脈沖，然后讓此脈沖去觸發(fā)單片機(jī)外部中斷計(jì)數(shù)，并利用單片機(jī)定時(shí)中斷存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值得到電機(jī)的實(shí)際速度。轉(zhuǎn)速檢測(cè)回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)

21、行處理。編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。前者成為碼盤，后者稱碼尺按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“0”。 增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯(cuò)開90o相位的窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼

22、盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的速度。轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測(cè)速，本設(shè)計(jì)使用每轉(zhuǎn)100線的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測(cè)速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，單片機(jī)對(duì)該頻率信號(hào)采用M法測(cè)速處理。本設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)定時(shí)器捕捉端口的電平跳變并計(jì)數(shù)，定時(shí)產(chǎn)生中斷并計(jì)算轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速=。圖10 光電編碼器的

23、輸出波形（4）主電路如題所示，采用三相橋式不可控整流電流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的開關(guān)管MOSFET，構(gòu)成H型雙極式控制可逆PWM變換器。主電路參數(shù)計(jì)算包括濾波電容計(jì)算、功率開關(guān)管MOSFET 的選擇及各種保護(hù)裝置的計(jì)算和選擇等。根據(jù)提設(shè)要求設(shè)置開關(guān)頻率為10KHz，由于電機(jī)功率為500KW較大，考慮到泵升電壓的因素，所以選擇濾波電容為220uF。（5）電流互感器用于直流電流量值變換的互感器。它利用鐵心線圈中鐵心受直流和交流電流共同磁化時(shí)的非線性和非對(duì)稱性，通過整流電路，將通過線圈的直流大電流按匝數(shù)反比變換成直流小電流。在本設(shè)計(jì)中采用變比為400:5的電流互感器（LMZJ1-400/5）。在經(jīng)

24、過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換采集端口電壓，再經(jīng)換算得到實(shí)際電流：實(shí)際電流=端口電壓*80。（6）電壓互感器、熔斷器在系統(tǒng)中，過高的泵升電壓將超過電力電子器件的耐壓限制值。在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制電壓，使用開關(guān)器件控制能量釋放回路，當(dāng)測(cè)得的電壓大于泵升電壓最大值，單片機(jī)控制輔助開關(guān)器件開通，使制動(dòng)過程中多余的動(dòng)能以銅耗的形式消耗在放電電阻R10中。還有在突加交流電源時(shí)，大電容濾波電容C相當(dāng)于短路，會(huì)產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻R11。合上電源后，經(jīng)過延時(shí)或直流電壓達(dá)到一定值時(shí)，閉合接觸器觸點(diǎn)K2把電阻R11短路

25、，以避免在運(yùn)行中附加損耗。在變壓器原邊使用熔斷器作保護(hù)電路。電壓互感器工作原理與變壓器相同，基本結(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。特點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運(yùn)行時(shí)接近于空載狀態(tài)。其本身的阻抗很小，一旦副邊發(fā)生短路，電流將急劇增長(zhǎng)而燒毀線圈。為此，電壓互感器的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時(shí)，副邊出現(xiàn)對(duì)地高電位而造成人身和設(shè)備事故。在本設(shè)計(jì)中采用變比為100：1的電壓互感器檢測(cè)泵升電壓。在經(jīng)過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換采集端口電壓，再經(jīng)換算得到實(shí)際電壓。當(dāng)實(shí)際電壓大于最大泵升電壓時(shí)，單片機(jī)控制開關(guān)器件MOSFET開通。五、程序設(shè)計(jì)5.1數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法 系統(tǒng)的控制算法主要采用了PI控制算

26、法。其控制算法為： 式中：Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。將上式轉(zhuǎn)換為差分方程，得PI調(diào)節(jié)器的表達(dá)式，其第k拍輸出為： 式中：T為采樣周期。上式即為位置式PI控制算法。為第k拍的輸出值。由等號(hào)右側(cè)可以看出，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有的偏差累計(jì)。位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單明了。由增量式控制算法可知，PI調(diào)節(jié)器的第（k-1）拍輸出為： 由以上可知，PI調(diào)節(jié)器輸出增量：  增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計(jì)算輸出值。增量式PI調(diào)節(jié)器算法為：由于系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器(簡(jiǎn)稱PI調(diào)

27、節(jié)器),使系統(tǒng)在擾動(dòng)的作用下, 通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到靜態(tài)無差,從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)無差。無靜差調(diào)速系統(tǒng)中,比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快(無滯后),積分部分使系統(tǒng)消除靜差。程序設(shè)計(jì)如下：void PI_n(void) /轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出 Error=volt-Feed_n*speed; Pout=Kp_n*(Error-LastError_n); Iout=Ki_n*Error*0.01; Asr_out=LastOut_n+Pout+Iout; LastError_n=Error; LastOut_n=Asr_out; if(Asr_out>10) As

28、r_out=10;5.2 PWM變換器算法MSP430系列單片機(jī)的Timer結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，適合應(yīng)用于工業(yè)控制，如數(shù)字化電機(jī)控制，電表和手持式儀表的理想配置。它給開發(fā)人員提供了較多靈活的選擇余地。當(dāng)PWM不需要修改占空比和時(shí)間時(shí)，TimerA 能自動(dòng)輸出PWM，而不需利用中斷維持PWM輸出。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部含有兩個(gè)定時(shí)器，TA和TB；TA有三個(gè)模塊，CCR0-CCR2；TB含有CCR0-CCR67個(gè)模塊；其中CCR0模塊不能完整的輸出PWM波形(只有三種輸出模式可用);TA可以輸出完整的2路PWM波形；TB可以輸出6路完整的PWM波形。PWM程序設(shè)計(jì)：定時(shí)器B初始化：TBCTL|=CNTL_3+TBSSEL_2+ID_3+MC_3+TBCLR+TBIE;/定時(shí)器輸出PWM，清除TBCCTL1|=OUTMOD_6;/選擇模式6TBCCTL2|=OUTMOD_2;/選擇模式2TBC