數(shù)字控制的邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、0 前言直流調(diào)速和交流調(diào)速相比,直流調(diào)速具有寬廣的調(diào)速范圍, 平滑的調(diào)速特性,較高的過載能力和較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩, 使用壽命長，經(jīng)濟(jì)性好。因此被廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高的場合。在工業(yè)生產(chǎn)中, 需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場合, 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用, 高精度金屬切削機(jī)床, 大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)、城市電車等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。特別是晶閘管直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng),具有自動(dòng)化程度高、控制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大, 易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，使用壽命長，所以相對(duì)經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代化生產(chǎn)當(dāng)中。本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為核心的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，由軟件編程來完全成模擬

2、控制功能的數(shù)字式傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠有效地抑制老化和各種干擾，還能完成故障診斷，信號(hào)顯示等功能。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電力電子開關(guān)器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，電氣傳動(dòng)裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。1 直流調(diào)速的介紹1.1 直流調(diào)速與交流調(diào)速的比較在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎處處使用電力傳動(dòng)裝置，隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。對(duì)可調(diào)速的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流調(diào)速與交流調(diào)速比較，最大的優(yōu)點(diǎn)

3、就是直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)“平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速”；直流電機(jī)的調(diào)速不需要其它設(shè)備的配合，可通過改變輸入的電壓/電流，或者勵(lì)磁電壓/電流來調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，而交流調(diào)速雖然維護(hù)簡單方便，但調(diào)速比較困難需要和其它設(shè)備配合使用如需要增設(shè)變頻器等才能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，如在金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域仍有廣泛的使用，所以直流調(diào)速是目前調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。1.2

4、 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。到了三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速

5、系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積大、檢修困難等。然而自出現(xiàn)汞弧變流器后，用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它對(duì)系統(tǒng)快速響應(yīng)是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn)：維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。到了1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，

6、而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機(jī)組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高1O倍；在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。從20世紀(jì)80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了已往的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)完成一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展

7、，電氣傳動(dòng)裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。近年來，一些先進(jìn)國家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的多種直流電氣傳動(dòng)裝置，如西門子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD，等等。1.3 直流調(diào)速控制裝置的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號(hào)、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺(tái)附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機(jī)，同一臺(tái)控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對(duì)不同類型的被控對(duì)象進(jìn)行控制，強(qiáng)大的通訊功能使它易和PLC等各類器件通訊組成整個(gè)工業(yè)

8、控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長期工作的高可靠性和整個(gè)控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡單，使其具備了廣闊的應(yīng)用前景。國外主要電氣公司如瑞典的ABB公司、德國的西門子公司、AEG公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的GE公司、西屋公司等均已開發(fā)出數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。我國從20世紀(jì)60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前

9、，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有：綜合性最優(yōu)控制，補(bǔ)償PID控制，PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)，很少將智能控制應(yīng)用于其中。我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前，國內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。1.4直流電機(jī)的調(diào)速方法 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性方程式 （1-1） 在式（11）中： n轉(zhuǎn)速，r/min;電樞電壓，V；電樞回路總電阻，；勵(lì)磁磁通，Wb；由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢常數(shù)。 由上式可知：當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，

10、電磁轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，電磁轉(zhuǎn)矩不變，欲改變直流電動(dòng)機(jī)的速度，有以下三種方法： 1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓 2)減弱勵(lì)磁磁通3)改變電樞回路電阻對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方法為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(額定轉(zhuǎn)速)以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個(gè)平滑可調(diào)的直流電源。常用的可調(diào)直流電源有以下三種方法： l)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱GM系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱Wa

11、rdLeonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運(yùn)行有噪音、維護(hù)不方便。 2)靜止式可控整流器。20世紀(jì)50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-leonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角，進(jìn)而改變整流電壓Ud的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。VM在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。本設(shè)計(jì)采用V-M系統(tǒng)。3)直流斬波器或PWM

12、(脈寬調(diào)制)交換器。利用功率開關(guān)器件通斷實(shí)現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時(shí)間的比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DCDC變換器1。2 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理本設(shè)計(jì)的直流調(diào)速裝置采用以單片機(jī)AT89C51作為主控制器，晶閘管觸發(fā)和轉(zhuǎn)速測量等環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的微機(jī)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。2.1 系統(tǒng)的基本工作原理本設(shè)計(jì)采用兩組晶閘管反并聯(lián)連接的可逆VM系統(tǒng)。系統(tǒng)通過鍵盤對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行給定，同時(shí)將轉(zhuǎn)速給定變換成電壓信號(hào)。通過數(shù)字測速系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，把轉(zhuǎn)速給定

13、信號(hào)和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)作為轉(zhuǎn)速環(huán)ASR的兩個(gè)輸入信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字調(diào)節(jié)器控制得到電流環(huán)ACR的給定信號(hào)，再與電流檢測信號(hào)一起作為電流環(huán)的輸入信號(hào)。將最后得到的控制電壓信號(hào)作為晶閘管的移相觸發(fā)控制信號(hào)，換算成晶閘管的控制角，再根據(jù)控制角的不同換算出對(duì)應(yīng)得觸發(fā)時(shí)刻，向?qū)?yīng)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖，使其輸出可控的整流電壓。通過轉(zhuǎn)速檢測信號(hào)與轉(zhuǎn)速給定信號(hào)實(shí)時(shí)比較，最終達(dá)到轉(zhuǎn)速檢測與轉(zhuǎn)速給定相平衡，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。到今天直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中已大量采用晶閘管元件作為可調(diào)電源向電動(dòng)機(jī)供電，從而取代了笨重的電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組以及飽和電抗器的控制方式。和電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組GM系統(tǒng)）相

14、比，不僅在經(jīng)濟(jì)和可靠性上都有很大的提高，而且在技術(shù)性能方面也顯示出較大的優(yōu)越性。它不再象直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大的功率放大裝置，其快速性達(dá)到毫秒級(jí)，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。這種晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（VM系統(tǒng)）的基本控制方法是：通過改變晶閘管的控制角來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的供電電壓，從而達(dá)到平滑調(diào)速的目的。為了滿足生產(chǎn)實(shí)際對(duì)調(diào)速精度的要求，往往將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成閉環(huán)系統(tǒng)，典型的晶閘管閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主要由六部分組成：電動(dòng)機(jī)、晶閘管變流裝置、觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速與電流檢測和反饋環(huán)節(jié)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，就是計(jì)算機(jī)取代常規(guī)的電子控制裝備，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)的全數(shù)字化控制。如圖21所示為單片機(jī)控

15、制的直流調(diào)速系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖。圖2-1系統(tǒng)原理框圖Figure 2-1 System Block Diagram 直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問題此系統(tǒng)解決了電動(dòng)機(jī)頻繁正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)中電能的回饋通道，但接踵而來的是影響系統(tǒng)的安全工作并決定可逆系統(tǒng)性質(zhì)的一個(gè)重要問題環(huán)流問題。所謂環(huán)流就是指不流過電動(dòng)機(jī)或其它負(fù)載，直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流。環(huán)流太大甚至于會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，故必須予以抑制。 無環(huán)流系統(tǒng)是指既無直流平均環(huán)流又無瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的系統(tǒng)。當(dāng)工藝過程對(duì)系統(tǒng)的過渡平滑性要求不高時(shí)，特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng)從生產(chǎn)可靠性要求出發(fā)，常采用既無直流平均環(huán)流又無瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)

16、為單片機(jī)AT89C51作為主控制器控制的邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。所謂邏輯無環(huán)流系統(tǒng)就是當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的出發(fā)脈沖，使其完全處于阻斷狀態(tài)，確保兩組晶閘管不同時(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路。邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)時(shí)目前在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的可逆系統(tǒng)。由于無環(huán)流，所以不設(shè)置環(huán)流電抗器。但為保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電流波形的連續(xù)，仍保留平波電抗器，控制線路采用典型的轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，在正組晶閘管VF工作時(shí)封鎖反組脈沖，在反組晶閘管VR工作時(shí)封鎖正組脈沖。并采用數(shù)字邏輯電路，以數(shù)字信號(hào)形式執(zhí)行封鎖與開放的作用?！?”表示封鎖，“0”表示開放，兩者不能同時(shí)為“0”。以確保兩組晶閘管不會(huì)同

17、時(shí)開放。 值得注意的是，邏輯切換指令發(fā)出以后，并不能立即執(zhí)行，還需經(jīng)過兩段延時(shí)時(shí)間，以確保系統(tǒng)的可靠工作。這兩段延時(shí)時(shí)間就是封鎖延時(shí)tdbl和開放延時(shí)tdt。封鎖延時(shí)是指從發(fā)出切換指令到真正封鎖掉原來工作的那組脈沖之間應(yīng)該流出來的等待時(shí)間。開放延時(shí)是指從封鎖原工作組脈沖的到開放另一組脈沖之間的等待時(shí)間。因?yàn)殡娏魑唇档搅阋郧?，其所含的脈動(dòng)分量是時(shí)高時(shí)低的，而檢測零電流的電平檢測器總有一個(gè)最小動(dòng)作電流I0，如果脈動(dòng)的電流瞬時(shí)低于I0而實(shí)際上仍在連續(xù)變化時(shí)，就將檢測到的零電流信號(hào)發(fā)出去，封鎖本組脈沖，這時(shí)本組正處于逆變狀態(tài)。勢必會(huì)造成逆變顛覆。設(shè)置封鎖延時(shí)之后，檢測到的零電流信號(hào)等待一段時(shí)間tdbl

18、(對(duì)于三相橋式電路來說，約取2-3ms，大約相當(dāng)于半個(gè)到一個(gè)脈波的時(shí)間)，仍不見得超過I0，說明電流確已斷開。這時(shí)在封鎖本組脈沖就沒有什么問題了。在封鎖原工作組脈沖時(shí)，已被觸發(fā)的晶閘管要到電流過零時(shí)才真正關(guān)斷，而且在關(guān)斷之后還要過一段時(shí)間才能恢復(fù)阻斷能力。如果在這之前就開放另一組晶閘管，仍可能造成兩組晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，使電源短路。為了防止產(chǎn)生這種事故，在發(fā)出封鎖本組脈沖信號(hào)后，必須等待一段時(shí)間tdt（對(duì)于三相橋式電路，常取5-7ms，一般應(yīng)大于一個(gè)波頭的時(shí)間），才允許開放另一組脈沖2。2.2 觸發(fā)器控制角的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用微型計(jì)算機(jī)組成觸發(fā)控制裝置通常使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器來進(jìn)行角的移相控制。具體方法是

19、：將計(jì)算得出的控制角換成與相對(duì)應(yīng)的時(shí)間，從自然換向點(diǎn)開始由定時(shí)器來進(jìn)行定時(shí)，計(jì)時(shí)到使給可控硅發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)使晶閘管導(dǎo)通，改變定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)便可實(shí)現(xiàn)移相控制了。角是從自然換向點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角。在工頻條件下，他和相對(duì)應(yīng)的時(shí)間有如下線性關(guān)系：式中，T是工頻電源周期，是控制角，單位是度。由算式可見，根據(jù)電角度就可以算出對(duì)應(yīng)的定時(shí)時(shí)間，利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)角定時(shí)，這種用硬件定時(shí)的方案可以大大節(jié)省CPU在線工作時(shí)間。AT89C51單片機(jī)本身有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，若用他們定時(shí)，選用方式1工作，就為16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。又因?yàn)锳T89C51單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期

20、組成，工作于定時(shí)狀態(tài)時(shí)，晶振頻率為6MHZ,則1個(gè)機(jī)器周期=12/晶振頻率=12/6106=2us。分辨率：=（度）式中T為工頻電源周期0.02s。由于16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器最大時(shí)間常數(shù)為216即為65536，所以最大定時(shí)角度用本機(jī)T0，T1定時(shí)移相范圍很大，而分辨率則受到本機(jī)機(jī)器周期的限制，在說用于三相定時(shí)，需要采用特殊方式進(jìn)行。2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的比較轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(簡稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng))是由單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來的。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的無靜差，單閉環(huán)與雙閉環(huán)調(diào)速相比采用電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)可以限制啟(制)動(dòng)

21、時(shí)的最大電流。但是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在以下問題需要解決。1）在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)問相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)性能不夠好。2）系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；即最佳過渡過程。為了獲得近似理想的過渡過程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，既要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利

22、用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制與電流控制之間的關(guān)系，就是將二者分開，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。ASR與ACR之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)聯(lián)接，即以ASR的輸出電壓作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用ACR的輸出電壓Uc作晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。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)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速與電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。而本設(shè)計(jì)都是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。2.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)和制動(dòng)停車過程圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速電流波形Figu

23、re 2-2 Double Closed Loop System startup speed current waveform設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的啟動(dòng)過程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的啟動(dòng)過程。當(dāng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形如圖22所示。由于在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，因此整個(gè)啟動(dòng)過程分為三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以、。1）第階段(0t1)：強(qiáng)迫電流上升階段；2）第階段(t1t2)：恒流升速階段，即電動(dòng)機(jī)保持最大電流作等加速啟動(dòng)階段：3）第階段(t2t4)：轉(zhuǎn)速超調(diào)進(jìn)入

24、穩(wěn)定的階段，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段；雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的制動(dòng)停車過程：由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，因此不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車。若須加速制動(dòng)，則只能采用電阻能耗制動(dòng)或者電磁抱閘的方式2。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)主擾動(dòng)。只要系統(tǒng)能有效地抑制它們所引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降(升)和恢復(fù)時(shí)間，就說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能。l)抗負(fù)載擾動(dòng)。負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加(減)負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降(升)。為了減少動(dòng)態(tài)速降(升)，在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性

25、能。而對(duì)ACR的設(shè)計(jì)來說，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。2)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。從靜特性上看，單、雙閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的抗擾效果是一樣的。但是從動(dòng)態(tài)性能上看，卻有較大差別。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)的電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的擾動(dòng)作用，先要經(jīng)過電磁慣性滯后才能影響到電樞電流，再經(jīng)過機(jī)電慣性滯后才能反映出轉(zhuǎn)速變化，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，時(shí)間已晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)內(nèi)，它的影響不必等到波及到轉(zhuǎn)速就能被電流環(huán)所抑制。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)降(升)要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2.4兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中

26、的作用可歸納如下：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化；2)對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；3)能對(duì)電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用：1)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；2)啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳啟動(dòng)過程；3)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，能使電流跟隨其給定電壓變化；4)依靠ACR的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性；5)當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可限制最大電樞電流，起到快速的安全保護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)正常2。3直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括智能控制芯片AT89C5

27、1 再配必轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速顯示、轉(zhuǎn)速檢測、電流檢測、觸發(fā)電路、過零檢測電路和整流電路等部分。通過鍵盤對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行給定，通過兩行4位數(shù)碼管對(duì)轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速檢測進(jìn)行顯示；轉(zhuǎn)速檢測電路主要是采用脈沖發(fā)生器和定時(shí)，計(jì)數(shù)芯片8253進(jìn)行檢測；電流檢測電路主要考慮到檢測精度的問題，采用A/D ADC0809作為檢測芯片，將直流端的電流換為電壓信號(hào)檢測進(jìn)來；觸發(fā)脈沖的形式采用脈沖列觸發(fā)功效電路是對(duì)六路晶閘管進(jìn)行移相觸發(fā)，采用8155芯片和脈沖放大電路作為六路脈沖的產(chǎn)生；整流電路由兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路、三相電源變壓器、小型直流電機(jī)等構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。 圖3-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig

28、ure 3-1 System hardware block diagram3.2同步電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三相同步信號(hào)電路以減小電源頻率波動(dòng)對(duì)觸發(fā)器的影響。因?yàn)橛|發(fā)電路是改變觸發(fā)脈沖的相位，與主電路的相位不相同，無法正確的控制導(dǎo)通角，整個(gè)電路無法正常的工作，所以可控整流電路的觸發(fā)電路必須和主電路同步三相交流同步電源取自同步變壓器的副繞組，經(jīng)RC濾波移相后使其過零點(diǎn)正好都對(duì)準(zhǔn)六個(gè)自然換相點(diǎn)，再經(jīng)過三個(gè)電壓比較器和邊沿檢測器電路輸出周期為3.33ms的一路方波同步信號(hào)，送至AT89C51單片機(jī)的端。由于同步信號(hào)跳變?yōu)樽匀粨Q相點(diǎn)，單片機(jī)檢測S1、S2、S3的狀態(tài)字，即可進(jìn)行軟件認(rèn)相，并作為標(biāo)志，供角定

29、時(shí)和輸出控制作用。同步電路如圖3-1所示。圖3-1同步電路圖Figure 3-1 Synchronous circuit主變壓器及同步變壓器都接成YY12，同步變壓經(jīng)二級(jí)RC濾波電路濾波出去電源中的干擾，并實(shí)現(xiàn)90度的相移。同步電路一方面將每兩個(gè)相鄰的自然換相點(diǎn)之間的電源狀態(tài)用數(shù)字量S1、S2、S3來表示，供微機(jī)分配觸發(fā)脈沖時(shí)參考；另一方面在邊沿與自然換相點(diǎn)對(duì)齊的方波的邊沿處產(chǎn)生同步中斷脈沖，于是在電源的每個(gè)自然換相點(diǎn)向AT89C51單片機(jī)申請(qǐng)中斷，使微機(jī)的觸發(fā)操作與電源同步。AT89C51響應(yīng)中斷后，根據(jù)所求的角及電源狀態(tài)便可定相定時(shí)的輸出觸發(fā)脈沖。其電壓波形圖如下圖3-3所示6。圖3-3波

30、形圖Figure 3-3 Waveform3.3晶閘管觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖輸出電路主要是通過8155芯片的PA口輸出對(duì)應(yīng)的六路脈沖信號(hào)，脈沖寬度由軟件定時(shí)控制。觸發(fā)脈沖經(jīng)過信號(hào)隔離、放大電路觸發(fā)整流電路中晶閘管的對(duì)應(yīng)導(dǎo)通，產(chǎn)生可控的直流電源，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的目的。下表以正組晶閘管觸發(fā)字碼表為例，其中約定“1”是觸發(fā)響應(yīng)晶閘管，“0”為不觸發(fā)。從系統(tǒng)擴(kuò)展的8155口輸出觸發(fā)信號(hào)。正反橋控制端約定“1”為選通，“0”為不選通即關(guān)斷。表3-1 正組橋晶閘管觸發(fā)字碼表Table 3-1 are set to trigger thyristor bridge code table電源狀態(tài)PA7PA6PA5PA

31、4PA3PA2PA1PA0觸發(fā)字碼觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管S1 S2 S3正橋反橋VT6VT5VT4VT3VT2VT110110000B0HVT5VT610100001A1HVT6VT11 0 11000001183HVT1 VT21 0 01000011086HVT2 VT31 1 0100011008CHVT3 VT40 1 01001100098HVT4 VT50 1 110110000B0HVT5 VT60 0 110100001A1HVT6 VT13.3.1觸發(fā)控制裝置的要求在用單片機(jī)進(jìn)行觸發(fā)控制時(shí)，對(duì)觸發(fā)裝置的要求分辨率要小，各相觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱性要小，移相觸發(fā)控制占用CPU的時(shí)間要短。要

32、想提高控制系統(tǒng)的控制精度，必須相應(yīng)地提高數(shù)字觸發(fā)器的精度。本設(shè)計(jì)采用高分辨率的數(shù)字觸發(fā)器。使其分辨與位精度都較高。選用一個(gè)16位定時(shí)器便可對(duì)正反兩組可控硅全控橋精確觸發(fā)。觸發(fā)器選用硬件立即觸發(fā)方式，突破以往的軟件觸發(fā)方式。觸發(fā)器工作穩(wěn)定可靠，各相觸發(fā)脈沖整齊，對(duì)稱度好，無論角如何移相均不會(huì)丟脈沖或多脈沖?？刂戚斎肓颗c變流器輸出之間的線性度較高。對(duì)觸發(fā)裝置的要求如下所示：1)分辨率：是指計(jì)算機(jī)中進(jìn)行移相控制的數(shù)字信號(hào)改變一個(gè)字，所對(duì)應(yīng)的晶閘管控制角的變化。分辨率用表示，它的單位是度。分辨率的大小與系統(tǒng)的控制精度密切相關(guān)。越小，移相控制信號(hào)改變一個(gè)字所引起整流電壓的變化就越小，轉(zhuǎn)速變化也越小，系統(tǒng)

33、的控制精度也將越高。所以分辨率是觸發(fā)控制裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。本系統(tǒng)的分辨率是0.036度。2)不對(duì)稱性：在晶閘管整流電路中，由于電源電壓不對(duì)稱，電源頻率波動(dòng)等原因，各相晶閘管的控制角會(huì)出現(xiàn)差異，這個(gè)差異將使各相輸出電壓不度對(duì)稱。不對(duì)稱的程序還與觸發(fā)裝置的同步方式有關(guān)，不對(duì)稱性就是用來說明在穩(wěn)定運(yùn)行情況下各相控制角之間的差異大小。不對(duì)稱程度可以用穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下各相最大的控制角與最小的控制角之差來表示。也是觸發(fā)裝置的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)榭刂平堑牟粚?duì)稱性將在輸出電壓中出現(xiàn)低頻諧波成分，這個(gè)諧波成分對(duì)于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是不利的，所以應(yīng)盡量避免。3)占用CPU時(shí)間：用計(jì)算機(jī)進(jìn)行晶閘管的移相觸發(fā)控制時(shí)，CPU要

34、進(jìn)行同步信號(hào)的相位判斷，控制角的計(jì)算，輸出觸發(fā)信號(hào)以及其它一些控制操作，這些工作都要占用CPU的時(shí)間，如果這部分時(shí)間過長，將會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。特別是對(duì)于計(jì)算機(jī)速度比較慢的計(jì)算機(jī)，這個(gè)問題通常顯得更突出，因此把占用CPU時(shí)間作為觸發(fā)裝置的一個(gè)指標(biāo)。3.3.2觸發(fā)脈沖的輸出電路觸發(fā)脈沖的形式可采用雙窄脈沖觸發(fā)功效電路，也可采用脈沖列觸發(fā)功效電路。在此我們選用雙窄脈沖觸發(fā)方式。此方法可簡化電路，減少脈沖變壓器體積并增強(qiáng)電路的抗干擾能力，6個(gè)觸發(fā)信號(hào)和正、反橋選通信號(hào)由8155的PA口送出，由外部電路調(diào)制成觸發(fā)脈沖，經(jīng)“功放”電路分別加到六個(gè)晶閘管的門極及正、反橋電子開關(guān)。每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，同時(shí)給

35、上一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度是60°。由8155的PA口產(chǎn)生的六路脈沖時(shí)間間隔60°，每個(gè)導(dǎo)通120°。圖3-4 觸發(fā)脈沖輸出電路Figure 3-4 Trigger pulse output circuit如圖3-4所示觸發(fā)脈沖要想觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通，還必須經(jīng)過脈沖的隔離和放大，因?yàn)槊}沖的發(fā)生端是工作電壓為5V的單片機(jī)系統(tǒng)，而觸發(fā)端是連接在三相交流電中的高壓。只有經(jīng)過脈沖隔離和放大，這樣系統(tǒng)才會(huì)更加可靠、安全、穩(wěn)定。圖中選擇8155作為I/O口擴(kuò)展，原因是AT89C51的端口有限，取出6個(gè)端口作為觸發(fā)脈沖的輸出是不可能的，所以選擇對(duì)PO口進(jìn)行擴(kuò)

36、展。如果選擇8155作I/O口擴(kuò)展，就應(yīng)該將芯片的片選信號(hào)端CE和作RAM/IO口選擇端IO/M進(jìn)行設(shè)置。電路中采用8155的PA口作為輸出使用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)晶閘管的六路脈沖。觸發(fā)脈沖輸出后，還要經(jīng)過脈沖隔離與功放裝置產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，那樣晶閘管就會(huì)隨著觸發(fā)脈沖作對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通動(dòng)作，完成可控整流的要求。本設(shè)計(jì)采用74LS157D觸發(fā)器作為觸發(fā)信號(hào)閘門，實(shí)現(xiàn)硬件立即觸發(fā)，提高移相角的位置精度，并用一個(gè)單穩(wěn)電路對(duì)觸發(fā)脈沖的寬度進(jìn)行控制。移相定時(shí)器8253工作于方式0，當(dāng)其延時(shí)結(jié)束時(shí)，器輸出上升沿直接開啟觸發(fā)閘門74LS175。使原來已等待在D端的觸發(fā)字碼傳送到Q端。隨著觸發(fā)脈沖的有無，脈沖變壓器也會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生

37、電壓信號(hào)，那樣晶閘管就會(huì)隨著觸發(fā)脈沖作對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通動(dòng)作，完成可控整流的要求。本系統(tǒng)是邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)，由于正、反兩組晶閘管可控裝置不能同時(shí)導(dǎo)通，所以采用電子開關(guān)控制觸發(fā)脈沖送至正組橋或是反組橋，這樣可節(jié)省觸發(fā)接口，簡化硬件。同時(shí)又為了使系統(tǒng)更可靠的防止兩組晶閘管可控裝置同時(shí)開放，在正、反組晶閘管可控裝置端設(shè)計(jì)了硬件保護(hù)電路，選用一片74LS02或門，控制兩組晶閘管的導(dǎo)通電子開關(guān)，更加確保了兩組晶閘管可控裝置不同時(shí)工作。3.3.3信號(hào)的隔離設(shè)計(jì)信號(hào)的隔離目的之一是電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號(hào)聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到

38、隔離現(xiàn)場干擾的目的。一般工業(yè)應(yīng)用的微機(jī)測控系統(tǒng)既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分。為了使兩者之間即保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系，即實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，是保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，設(shè)備與操作人員安全的重要措施。測控裝置與現(xiàn)場信號(hào)之間，弱電和強(qiáng)電之間，常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。另外，在布線上也應(yīng)該注意隔離。這里選擇脈沖變壓器作為隔離器件主要有兩個(gè)原因:第一，脈沖變壓器相對(duì)光耦隔效果更好，響應(yīng)速度更快；第二，是因?yàn)樵谌嗳卣鳂蛑?，六路晶閘管中有些晶閘管的陰極相連，有些是晶閘管的陽極相連。所以，如果要使用光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)就需要每個(gè)光耦之間沒有任何聯(lián)系，也就是要需要

39、至少4個(gè)獨(dú)立的電源給其供電，那樣在任何一個(gè)控制系統(tǒng)中都很難做到。如果整流電路是三相半控的，就可以采用光耦進(jìn)行隔離了。所以最后決定用脈沖變壓器替代光耦隔離。脈沖變壓器可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離，因?yàn)槊}沖變壓器的匝數(shù)較少，而且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁芯的兩側(cè)，分別電容僅幾PF，所以可作為脈沖信號(hào)的隔離器件。脈沖變壓器隔離法傳遞脈沖輸入/輸出信號(hào)時(shí)，不能傳遞直流分量。微機(jī)使用的數(shù)字量信號(hào)輸入/輸出的控制設(shè)備不要求傳遞直流分量，所以脈沖變壓器隔離法在微機(jī)測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用9。3.4電流檢測電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用磁補(bǔ)償式霍爾電流傳感器來進(jìn)行電流反饋信號(hào)的檢測通過ADC0809進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片

40、機(jī)中?；魻栯娏鱾鞲衅魇且环N比較好的隔離式強(qiáng)電流檢測裝置，它不僅能測量靜態(tài)，動(dòng)態(tài)的參數(shù)，還具有動(dòng)作頻率寬。電隔離等優(yōu)點(diǎn)，給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了不少方便。為了檢測直流電動(dòng)機(jī)電流大小和電流是否為零，提高檢測精度和抗干擾能力。本設(shè)計(jì)采用北京萊姆電子公司的BJ-LEM電流傳感器。這種傳感器是非接觸式傳感器，它由原邊電路。聚磁環(huán)，位于空隙中霍爾器件，次級(jí)線圈，放大電路組成。原理如下圖：圖3-5LEM傳感器原理圖Figure 3-5 LEM sensor schematicLEM傳感器及其原理：LEM 傳感器的工作原理是基于磁場補(bǔ)償平衡原理的，即初級(jí)電流所產(chǎn)生磁場，通過一個(gè)次級(jí)線圈的電流所產(chǎn)生磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍

41、爾元件始終處在零磁通的平衡工作狀態(tài)。具體工作過程是：當(dāng)初級(jí)電流通過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場，稱為初級(jí)磁場，這一磁場被導(dǎo)磁體磁環(huán)聚集，并在霍爾元件輸出霍爾電壓，此電壓經(jīng)過放大后獲得補(bǔ)償電流（又稱次級(jí)電流），次級(jí)電流流過導(dǎo)磁體磁環(huán)上的次級(jí)線圈產(chǎn)生了次級(jí)磁場，它補(bǔ)償了上述初級(jí)磁場，霍爾元件便處于零磁通的平衡工作狀態(tài)。由于上述動(dòng)態(tài)平衡過程極快，從宏觀上看，次級(jí)電流通過測量電阻在任何時(shí)刻均能檢測出來，器大小波形是與初級(jí)電流完全相對(duì)應(yīng)的。電流檢測電路的硬件設(shè)計(jì)當(dāng)傳感器檢測的電流經(jīng)過測量電阻時(shí)，產(chǎn)生電壓，經(jīng)雙極性轉(zhuǎn)換電路變換成05V電壓送到了ADC0809進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至ATC89C51。另

42、一路送零電流檢測電路，當(dāng)主回路電流為零時(shí)，三極管T1截止，T2導(dǎo)通，發(fā)光二級(jí)管T3導(dǎo)通并發(fā)光，T4受光導(dǎo)通，C點(diǎn)點(diǎn)位為“0”，則L點(diǎn)為“1”，這就達(dá)到零電流檢測的目的。零電流檢測和電流反饋通道的硬件電路如圖3-6所示。圖3-6 電流反饋通道電路圖Figure 3-6 channel current feedback circuit3.4.2過零檢測的意義過零檢測在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中是最為重要的。過零檢測是否準(zhǔn)確直接決定了控制系統(tǒng)的好壞。如果過零檢測不準(zhǔn)確，就會(huì)使觸發(fā)脈沖產(chǎn)生錯(cuò)亂，導(dǎo)致晶閘管的誤導(dǎo)通，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)失靈，甚至?xí)龤щ娐分械脑骷Ｔ谥绷髡{(diào)速系統(tǒng)中，尤其是采用可控整流器作

43、為改變直流電源電壓的方法時(shí)，過零檢測就是其必不可少的部分?？刂瓶煽卣髌鱽砀淖冎绷鞫说碾姌须妷海饕强刂凭чl管的導(dǎo)通，什么時(shí)候開始觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，直接影響整流電壓的大小根據(jù)之前所述，晶閘管的導(dǎo)通角越小，整流電壓就越大。晶閘管不同于二極管，主要是因?yàn)樗目煽匦?。?dāng)二極管兩端承受正向電壓時(shí)，二極管就發(fā)生導(dǎo)通：而晶閘管的導(dǎo)通條件不僅兩端要有正向電壓，而且觸發(fā)極要有能使晶閘管導(dǎo)通的觸發(fā)信號(hào)，只有兩者同時(shí)具備，晶閘管才會(huì)導(dǎo)通。根據(jù)其這一特性，它在工業(yè)生產(chǎn)中，得到了廣泛的應(yīng)用，也使電力電子技術(shù)發(fā)展的更加成熟、更加完善。從晶閘管承受正向電壓的wt=O時(shí)刻算起到晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的電角度。用表示，稱作控制角。為

44、使整流電壓Ud在每個(gè)周期的波形相同，每個(gè)周期的角也必須相同，且必須出現(xiàn)在電源電壓U2的正半波范圍內(nèi)，這就要觸發(fā)脈沖電壓Ug和電壓U2在頻率和相位上必須密切配合，這種相互協(xié)調(diào)配合的關(guān)系稱為主電路和觸發(fā)信號(hào)的同步。晶閘管每周期導(dǎo)通的電角度以Ø表示，Ø稱作晶閘管的導(dǎo)通角或?qū)щ娊?，?dǎo)電角Ø的大小隨角大小的改變而變化。在電路中，Ø=，改變控制角的大小，就能改變晶閘管在U2正半波的導(dǎo)通時(shí)間，也就達(dá)到了改變負(fù)載電壓ud波形和平均電壓Ud大小的目的。這就是直流調(diào)壓。對(duì)于不同的可控整流電路和不同性質(zhì)的負(fù)載，控制角有不同的限制范圍，控制角的改變稱作移相。角增大，整流平均電壓

45、Ud減小，=0°時(shí)，整流電壓最大Ud=Udm。當(dāng)Ud從最大值下降到零時(shí)，所對(duì)應(yīng)的控制角的變化范圍，稱作該電路的移相范圍。不同的可控整流電路不同的負(fù)載有不同的移相范圍，該電路的移相范圍是0180度?，F(xiàn)已最簡單的晶閘管工作電路為例作詳細(xì)說明，具體如圖3-5所示。圖3-5晶閘管電路波形圖Figure 3-5 thyristor circuit waveforms當(dāng)檢測到零點(diǎn)電壓后，延時(shí)控制角對(duì)應(yīng)的時(shí)間，晶閘管開始導(dǎo)通，在其兩端承受負(fù)相電壓時(shí)，晶閘管自動(dòng)關(guān)斷。控制角越小，導(dǎo)通的區(qū)域面積越大，輸出電壓就越大。在三相全控整流電路中控制角為30度，電壓波形如圖3-6所示。圖3-6晶閘管三相整流波形

46、圖Figure 3-6 Three-phase thyristor rectifier waveform 在三相整流電路中，控制角的起點(diǎn)不再是過零點(diǎn)，而是相對(duì)延后30°的自然換相點(diǎn)。從自然換相點(diǎn)開始定時(shí)控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間后，開始發(fā)送六路觸發(fā)脈沖，脈沖觸發(fā)順序?yàn)門1T6T1T2T2T3T3T4T4T5T5T6T1T6，依次循環(huán)下去，每路脈沖間隔60°，觸發(fā)脈沖的發(fā)送順序是固定不變的，唯一變動(dòng)的就是控制角的大小，它的改變直接決定了整流電壓Ud的變化。根據(jù)整流電壓公式：，因此控制角的定時(shí)時(shí)刻就尤為重要，即自然換相點(diǎn)。但在實(shí)際的檢測過程中，自然換相點(diǎn)不容易檢測到，即便檢測到準(zhǔn)確性也

47、不是很高。而我們把自然換相點(diǎn)與過零點(diǎn)之間的區(qū)域，稱作自然換相角。在三相電源中，這個(gè)角度是固定的，其值為30°。所以我們就可以利用這一點(diǎn)，把檢測自然換相點(diǎn)換成檢測過零點(diǎn)，然后再延時(shí)30°角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。那么我們就可以很容易得到自然換相點(diǎn)，也就是控制角的起始點(diǎn)，然后再定時(shí)控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進(jìn)行整流控制。本文設(shè)計(jì)時(shí)采用將自然換相角與控制角一起作為定時(shí)時(shí)間，從檢測到過零點(diǎn)以后，系統(tǒng)就將自然換相角與控制角的和作為總的定時(shí)時(shí)間。這樣可以簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)控制更簡便。在本調(diào)速裝置中。對(duì)于控制角的定時(shí)與上述理論相一致，不同的是在檢測到過零點(diǎn)后，定時(shí)時(shí)間不光

48、是自然換相角30°所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，還包括的控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。兩者一起定時(shí)，無論從硬件上還是軟件上都簡便了很多。等到整個(gè)定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進(jìn)行整流控制。在過零檢測電路中，采用了光電耦合器作為檢測元件，主要考慮的就是光電耦合器體積小，價(jià)格低，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。光電耦合器的種類很多，但工作的基本原理相同。它由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。當(dāng)發(fā)光二極管通以一定的電流時(shí)，它會(huì)發(fā)光。該光照射到光敏三極管的基極上就使它的發(fā)射極C和集電極E導(dǎo)通：當(dāng)發(fā)光二極管沒有電流流過時(shí)，沒有光照射到光敏三極管的基極，C、E極截止。當(dāng)檢測的電壓變?yōu)檎妷簳r(shí)，發(fā)光二極管兩端產(chǎn)生電位差，有電流流過發(fā)光二極管，

49、發(fā)光照射到光敏三極管的基極，光敏三極管導(dǎo)通，那樣就有電流流過電阻R2，8155芯片的PC口被選通。在過零檢測電路中A、B、C相在各點(diǎn)的波形如圖3-8所示9。圖3-8 過零檢測電路中各相過零輸出波形Figure 3-8 zero-crossing detection circuit output waveform of each phase zero3.5 數(shù)字測速電路的設(shè)計(jì)在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性直接影響系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性。若采用測速發(fā)電機(jī)檢測轉(zhuǎn)速，由于其本身存在死區(qū)和非線性特性，給轉(zhuǎn)速濾波電路帶來誤差，影響精度。因此本設(shè)計(jì)采用每轉(zhuǎn)1024線的脈沖發(fā)生

50、器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的脈沖列頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比例關(guān)系。單片機(jī)對(duì)該頻率按M/T法進(jìn)行處理后，便可在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速響應(yīng)的數(shù)字測速值。3.5.1 M/T測速原理一般采用的數(shù)字式測速方法有M法和T法，但這兩種測速方法的測速范圍都受到限制。M法測速是在一定時(shí)間內(nèi)通過測量光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖數(shù)（以下稱為P脈沖數(shù)）來檢測轉(zhuǎn)速。T發(fā)測速則是通過測量光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)出的一個(gè)脈沖即P脈沖的周期來檢測速度。因M法在低速時(shí)，和T法在高速使精度都不高，且分辨率也低，綜合這兩種測速法德長處，可采用M/T測速法。M/T測速能在寬的被測轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到高的分辨能力和滿意的測速精度且檢測時(shí)間變化不大

51、。M/T法測速是通過測量檢測時(shí)間T和在此時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的P個(gè)脈沖來確定被測轉(zhuǎn)速，其測速原理如圖3-9所示。檢測時(shí)間T可由計(jì)數(shù)器對(duì)頻率已知的計(jì)數(shù)脈沖所得計(jì)數(shù)值獲得，P脈沖數(shù)由計(jì)數(shù)器得到。設(shè)計(jì)數(shù)器脈沖頻率為，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出P個(gè)脈沖，則檢測時(shí)間T=/。若在T時(shí)間內(nèi)對(duì)P脈沖的計(jì)數(shù)值為，則可得到M/T法測得的轉(zhuǎn)速測量值計(jì)算公式： （r/min） （3-1）本設(shè)計(jì)中=HZ，由于采用4倍頻電路，故P=4×1024。 （r/min） （r/min）圖3-9M/T測速原理圖Figure 3-9 M / T speed diagram M/T法中，不一定要求很準(zhǔn)確，本系統(tǒng)中選等于相鄰兩個(gè)自然換

52、相點(diǎn)的間隔，即為3.33毫秒，這樣可以節(jié)省定時(shí)器，測速時(shí)AT89C51單片機(jī)在a點(diǎn)響應(yīng)同步信號(hào)中斷，將預(yù)置常數(shù)#FFFFH送入計(jì)數(shù)器并立即啟動(dòng)計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)后，單片機(jī)發(fā)出停止測速信號(hào)，的計(jì)數(shù)在b,c點(diǎn)之間停止。到達(dá)c點(diǎn)后，單片機(jī)讀入、的值。預(yù)置定時(shí)器常數(shù)啟動(dòng)，開始下一次的測速，由于8253是減計(jì)數(shù)的，故必須將讀到的、取反后，才能得到、。3.5.2 轉(zhuǎn)向的判別用M/T法只能測得轉(zhuǎn)速的大小，在可逆系統(tǒng)中還需要判別轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，PG脈沖發(fā)生器的輸出J、K兩個(gè)信號(hào)在相位上錯(cuò)開四分之一個(gè)周期，要使判別電路可靠的工作，兩個(gè)單穩(wěn)電路的延時(shí)都應(yīng)小于四分之一個(gè)周期，通過判別電路由RS觸發(fā)器的狀態(tài)可以反映旋轉(zhuǎn)的方向

53、。電路及波形如圖3-10所示。當(dāng)Q=0為反向運(yùn)行，Q=1為正向運(yùn)行5。圖3-10 轉(zhuǎn)向判別及波形圖Figure 3-10 shift and waveform discrimination3.6數(shù)字測速硬件電路的設(shè)計(jì)可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器8253有兩個(gè)基本的功能，即定時(shí)和計(jì)數(shù)。除此之外還可以作為頻率發(fā)生器、分頻器、時(shí)鐘、單脈沖發(fā)生器等。這些功能是通過對(duì)8253進(jìn)行編程，寫入控制字來實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計(jì)是計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1聯(lián)合進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)和進(jìn)行計(jì)數(shù)，D觸發(fā)器用來計(jì)數(shù)與脈沖發(fā)生器同步由于8353為下降沿計(jì)數(shù)，故加入反向器G。AT89C51單片機(jī)的端給出啟動(dòng)、停止測速的信號(hào)。由于對(duì)檢測時(shí)間T

54、的測量最大可能有一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期的誤差，當(dāng)n不變時(shí)，提高T時(shí)間內(nèi)的值可提高對(duì)每個(gè)測速脈沖周期測量的精確性。所以本設(shè)計(jì)采用用了4倍頻電路來提高精度，減少測速時(shí)間和時(shí)間的滯后，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)。PG脈沖發(fā)生器在有相位互差90°的J、K兩路來輸出矩形波。4倍頻電路的異或門G1、G2選用CD4070，J、K兩路波形經(jīng)G1異或后得到C點(diǎn)的2倍頻波形為獲得4倍頻，R1、C1、G2組成一組邊沿檢測器，將C點(diǎn)的2倍頻波形的上升沿及下降沿檢測出來，便可獲得D點(diǎn)的4倍頻波形了。具體電路原理圖如圖3-11所示。圖3-11 8253轉(zhuǎn)速檢測電路圖Figure 3-118253 speed detection

55、circuit用計(jì)數(shù)器l定時(shí)采樣時(shí)間，晶振頻率為2MHz，那樣根據(jù)存入數(shù)值的不同采樣時(shí)問也隨之變化。這里設(shè)定采樣時(shí)間為lms。定時(shí)時(shí)間到后，申請(qǐng)中斷。采用方式2進(jìn)行計(jì)數(shù)，主要有三個(gè)原因：一是因?yàn)榉绞?門控信號(hào)GATE的高、低決定了計(jì)數(shù)器的啟、停；二是當(dāng)GATE端出現(xiàn)上升沿信號(hào)或是重新啟動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)初值會(huì)自動(dòng)重新裝入累加器中，使軟件程序更加簡單；三是當(dāng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器后，輸出OUT變?yōu)楦唠娖?，?jì)數(shù)執(zhí)行單元執(zhí)行減l操作，減到0時(shí)，輸出端OUT變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，進(jìn)入中斷程序中讀取計(jì)數(shù)器0中的數(shù)值，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的累加和計(jì)數(shù)。用計(jì)數(shù)器O對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行檢測，采用方式0，那樣當(dāng)GAME端出現(xiàn)上升沿信號(hào)或是重

56、新啟動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)初值能自動(dòng)重新裝入計(jì)數(shù)累加器中；門控信號(hào)GATE也決定了計(jì)數(shù)器的啟、停。由于累加器是減一操作，所以計(jì)數(shù)初值存入最大值00H。根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖的發(fā)生頻率，計(jì)數(shù)器的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速頻率，不會(huì)出現(xiàn)在檢測過程中漏檢的現(xiàn)象；在單位采樣時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖也不會(huì)超過這個(gè)存入的最大值。因此，此轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理、可行的4。4數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.1 數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)簡介本設(shè)計(jì)先選用“模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)法”然后在經(jīng)過離散化后送到ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器送往單片機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制。本設(shè)計(jì)中AT89C51單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，它主要具有數(shù)字自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，這時(shí)相當(dāng)于典型的雙閉環(huán)模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)

57、節(jié)器的作用。它通過一定的算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)采樣系統(tǒng)的頻率滿足采樣定理時(shí)，采樣系統(tǒng)的特性接近于連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，即采樣后的離散喜好能不失真的反映原連續(xù)信號(hào)的變化。所以下面我們先針對(duì)模擬系統(tǒng)中的電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。 電流環(huán)的設(shè)計(jì)電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，因而不希望系統(tǒng)有超調(diào)，或者說超調(diào)量較小。從這點(diǎn)出發(fā)應(yīng)把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，根據(jù)控制對(duì)象兩個(gè)時(shí)間常數(shù)變化可知典型I型系統(tǒng)的抗干擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的因此按照典型I型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流環(huán)節(jié)。電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡如圖4-1所示。圖4-1 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡Figure 4-1 current loop of the dynamic structure and its simplification對(duì)于晶閘