計算機接口技術

沈陽建筑大學信息與控制工程學院

馬斌計算機接口技術

第7章控制系統(tǒng)接口應用設計雙閉環(huán)直流數(shù)字調速系統(tǒng)設計

一、已知的系統(tǒng)參數(shù) 二、確定整體方案：

三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設計：

四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設計：

五、系統(tǒng)的總體設計：

一、已知的系統(tǒng)參數(shù)直流電動機：Z2-41型，Ped=3Kw,Ued=220v,Ied=17.3A,ned=1500r/mis電樞回路總電阻：R=2.5Ω；電動機回路電磁時間常數(shù)：TL=0.017s；電動機機電時間常數(shù)：TM=0.152s；電動機電勢時間常數(shù)：Ceφ=0.1352V/(r·mis-1);晶閘管整流電路滯后時間：Ts=0.0017s。

二、確定整體方案互感器三相交流電晶閘管M隔離放大器UGN速度給定UfnA/D轉換同步信號產生整流濾波數(shù)字電流控制器LT數(shù)字晶閘管觸發(fā)器數(shù)字速度控制器ST+-UgiUfi主軸脈沖發(fā)生器單片機數(shù)字系統(tǒng)

采用內環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)的雙閉環(huán)數(shù)字調速系統(tǒng)，結構如下：

二、確定整體方案電流環(huán)設計方案：

電流內環(huán)要獲取電流反饋信號，采用交流電流互感器作為電流檢測元件，檢測的電流信號經整流分壓濾波后，變成與負載電流成比例的0－5V直流電壓，再經A/D轉換輸入計算機。為此：①電流環(huán)反饋系數(shù)：β＝5V/17.3A＝0.289V/A②電流環(huán)反饋濾波時間常數(shù)：Tfi＝0.0024s＝2.4ms由互感器及濾波電路參數(shù)決定.

二、確定整體方案速度環(huán)設計方案：

速度環(huán)要獲取轉速反饋信號。采用主軸脈沖發(fā)生器作為速度反饋的檢測元件。它將角度位移信號轉換成脈沖序列，通過計數(shù)器即可得到轉速反饋的數(shù)字信號。當然也可以采用測速發(fā)電機經分壓整流濾波A/D轉換送入計算機。選定每轉產生1024個脈沖的主軸脈沖發(fā)生器。當電機轉速為1轉時，即主軸脈沖發(fā)生器每分鐘產生1024個脈沖，為此有：600000ms/1024＝58.6ms。即：計數(shù)器每間隔58.6ms的計數(shù)值正好為電機的每分鐘轉速。

三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設計：

對于雙閉環(huán)數(shù)字直流調速系統(tǒng)一部可采用PI控制調節(jié)規(guī)律。這里用直接數(shù)字控制器設計方法。則有： u(n)=

u(n－1)+Δu(n) =u(n-1)+kp[e(n)-e(n-1)]+kie(n)前次輸出比例項積分項第八章微機控制系統(tǒng)設計實例三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設計：1、電流環(huán)控制器參數(shù)的整定：①首先用擴充響應曲線法，

作飛升曲線如圖：設測試結果為：τ/Tτ

=0.8因Tτ=TL=0.017s(電機時間常數(shù)）則：τ＝0.8*0.017=0.0136sτYtTτ三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設計：1、電流環(huán)控制器參數(shù)的整定：②選擇控制度為1.5時，查表有：

T=0.5τ＝0.5*0.0136＝0.0068s＝6.8ms

kp＝0.68Tτ/τ=0.68*0.017/0.0136=0.85

Ti＝3.9τ＝3.9*0.0136=0.05304

ki=kp*T/Ti=0.85*0.0068/0.05304=0.10897③得出電流環(huán)數(shù)字控制器： u(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k) =u(k-1)+0.85[e(k)-e(k-1)]+0.10897e(k)

=u(k-1)+0.96e(k)-0.85e(k-1)三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設計：2、速度環(huán)控制器參數(shù)的整定：①首先用擴充響應曲線法，

作飛升曲線如圖：設測試結果為：τ/Tτ

=0.95因Tτ=TM*Ceφ=0.152*0.1352

=0.0206則：τ＝0.95*0.0206=0.01957sτYtTτ三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設計：2、速度環(huán)控制器參數(shù)的整定：②選擇控制度為1.5時，查表P46頁表3-3有：

T=0.5τ＝0.5*0.01957＝0.0097s＝9.7mskp＝0.68Tτ/τ=0.68*0.0206/0.01957=0.716

Ti＝3.9τ＝3.9*0.01957=0.0763

ki=kp*T/Ti=0.716*0.0097/0.0763=0.091③得出速度環(huán)數(shù)字控制器： u(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k) =u(k-1)+0.716[e(k)-e(k-1)]+0.091e(k) =u(k-1)+0.807e(k)-0.716e(k-1)

四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設計：1、數(shù)字觸發(fā)器的任務和分類：三相晶閘管整流電路如圖所示。ABCSC6SC1SC3SC5SC4SC2GLRLM同步信號發(fā)生器為使共陽極組和共陰極組各有一個晶閘管同時導通構成通路，通常都采用雙脈沖觸發(fā)方式。uaubucuacωtut1t2t3t4t5t6t1t2四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設計：1、數(shù)字觸發(fā)器的任務和分類：SCR6SCR6SCR1SCR3SCR2SCR5SCR4t1t2t3t4t5t6t1’6個晶閘管導通的順序為：SCR1-SCR2-SCR3-SCR4-SCR5-SCR6。四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設計：2、數(shù)字觸發(fā)器的控制算法：

當α≤60°時,第2個計數(shù)器的余數(shù)TΔ可以讀出，即為下一周期觸發(fā)SCR1,6的控制角，同步在t6和t1之間的t0’時刻，偏差計算公式為: Tσ

=Tck－TΔ

t1’4,55,6360°6,11,2t06,11,22,33,4t1t2t3t4t5t6t0’ωtα≤60TΔ6,11,22,33,4t1t2t3t44,5t55,6t66,1t1’ωt60＜α≤120TΔT606,11,22,33,4t1t2t3t44,55,6t5t66,1t1’ωt120＜α≤120TΔT120

當60＜α≤120°時，同步在t5和t6之間，偏差計算公式為: Tσ=Tck－(TΔ＋T60)

當120＜α≤180°時，同步在t4和t5之間，偏差計算公式為: Tσ=Tck－(TΔ＋T120)四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設計：2、數(shù)字觸發(fā)器的控制算法：

把同步脈沖設置為中斷信號，在中斷處理中計算本周期的偏差Tσ,然后用下式計算:TΔ=Tck－Tck-1＋T60＋Tσ就可以得到觸發(fā)脈沖的間距，偏差就可以得到糾正。四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設計：3、建立α表：

對于6M晶振下單片機定時器工作在模式1(16位)時有：Tα＝(216－T0)2(us)則：T0＝216－Tα/2=216－27.8α所以：T0＝216－27.8cos-1(λUk)

給定一個Uk值，就可以算出一個定時器的初始值T0。應用中為提高實時性，采取事先計算對應值存儲在表中。一般稱其為α表。UkT0值5VXXXXH……0VYYYYH四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設計：4、脈沖分配表：

數(shù)字觸發(fā)器依據觸發(fā)順序，發(fā)出控制信息，為方便起見，建立一個“脈沖分配表”。每當定時觸發(fā)到，CPU響應中斷，從表中順序取出數(shù)據由I/O口輸出，去觸發(fā)晶閘管。M21Hxx100001SCR1,6M+103Hxx000011SCR1,2M+206Hxx000110SCR2,3M+30CHxx001100SCR3,4M+418Hxx011000SCR4,5M+530Hxx110000SCR5,6單元地址數(shù)據HEXBit被觸發(fā)SCR

五、系統(tǒng)的總體設計：

在系統(tǒng)整體方案的基礎上進行的設計。

這部分主要任務是CPU及接口電路和輸入輸出通道的設計。由系統(tǒng)組成結構圖可知，要有電流檢測及反饋信號輸入，同步脈沖輸入，觸發(fā)脈沖輸出，速度計數(shù)脈沖輸入及速度給定輸入等。這里按模塊結構進行功能分析和控制器硬件的設計?；ジ衅魅嘟涣麟娋чl管M隔離放大器UGN速度給定UfnA/D轉換同步信號產生整流濾波數(shù)字電流控制器LT數(shù)字晶閘管觸發(fā)器數(shù)字速度控制器ST+-UgiUfi主軸脈沖發(fā)生器單片機數(shù)字系統(tǒng)確定的系統(tǒng)整體方案三個控制器即：數(shù)字速度控制器、數(shù)字電

流控制器、數(shù)字晶閘管觸發(fā)器。

五、系統(tǒng)的總體設計：

1、數(shù)字觸發(fā)器的設計：

數(shù)字觸發(fā)器有2個輸入量：同步脈沖信號和控制角α的給定值；1個輸出量：晶閘管觸發(fā)信息。其中：控制角α的給定值，是由速度環(huán)、電流環(huán)經運算后給出，它可由軟件程序來實現(xiàn)。同步脈沖信號：由線電壓Uac取來，經單相同步變壓器降壓、隔離后，由過零比較器和單穩(wěn)電路處理，可得到Uac從負半波到正半波的過零點處的同步脈沖。為保證同步觸發(fā)，同步脈沖信號必須作為中斷輸入。

五、系統(tǒng)的總體設計：

1、數(shù)字觸發(fā)器的設計：對于晶閘管觸發(fā)輸出信息，可由P1.0～P1.5輸出，為提高可靠性增加一級單穩(wěn)觸發(fā)器，形成1ms的脈寬，再經光隔驅動脈沖變壓器去觸發(fā)SCR，其觸發(fā)脈沖由定時器T1定時。占用定時器1INT0P1.0┇P1.5單穩(wěn)┇光隔┇變壓器┇單穩(wěn)零比較器┇MABC同步變壓器數(shù)字觸發(fā)器硬件電路原理圖

五、系統(tǒng)的總體設計：

2、電流環(huán)數(shù)字控制器的設計：

電流環(huán)數(shù)字控制器有2個輸入量：電流給定Ugi和電流檢測反饋信號Ufi；1個輸出量：晶閘管的控制角α的給定。其中：Ugi和α的均可由軟件程序來實現(xiàn)。

硬件僅做電流檢測反饋信號輸入的設計。電流環(huán)采樣周期，前面已計算為6.8mS，按與速度環(huán)匹配考慮，可選為5ms，由定時器T0實現(xiàn)。定時中斷時，起動ADC0809讀取電流值。

五、系統(tǒng)的總體設計：

2、電流環(huán)數(shù)字控制器的設計：電流檢測反饋信號的輸入設計，一般可由交流互感器、整流、分壓、濾波處理而形成0～5V的直流電壓信號，再經ADC0809將其轉換成數(shù)字信號送CPU。電流環(huán)控制器硬件電路原理圖CLKIN0ABADC0809CSTARTIN1ALEOED7-D0交流互感器整流分壓濾波+5V速度給定二分頻器89C51ALEP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P0.0-P0.7380V占用定時器０速度環(huán)使用

五、系統(tǒng)的總體設計：

3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設計：

速度環(huán)數(shù)字控制器有2個輸入量：速度給定Ugn和速度反饋信號Ufn；1個輸出量：電流給定值Ugi。其中：控制器輸出可由軟件程序來實現(xiàn)。速度給定有兩種方式實現(xiàn)：一是采用鍵盤輸入；二是采用多圈電位器，將0～5V電壓信號送到ADC0809進行轉換，但需要顯示器配合。速度檢測由主軸脈沖發(fā)生器作為傳感元件，需要由計數(shù)器接收脈沖信號，前面分析已知需要58.6ms為間隔讀取轉數(shù)。

五、系統(tǒng)的總體設計：

3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設計：速度的采樣周期確定為10ms。為此，可將得到的計數(shù)脈沖值乘以5.86，即可得到實際轉數(shù)。速度環(huán)需要一個計數(shù)器和一個定時器，而CPU的T0和T1已被占用，只有擴充定時/計數(shù)器接口。

8253芯片是具有三個功能完全相同、相互獨立的16位定時/計數(shù)器與51系列CPU不同的是減計數(shù)器。CLKOUT3210

五、系統(tǒng)的總體設計：

3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設計：當向8253寫入方式控制字后，計數(shù)器輸出立即變?yōu)榈碗娖剑嫈?shù)器開始減計數(shù)，計數(shù)結束時，輸出變?yōu)楦唠娖?，并一直保持到再次置入初值。計?shù)器0計數(shù)器1計數(shù)器2CLK0GATE0OUT0CLK2GATE2OUT2CLK1GATE1OUT18253內部結構數(shù)據總線緩沖器控制字寄存器D7-D0讀/寫控制邏輯RDWRA0A1CSGATE為控制端：1計數(shù)，0停止。

五、系統(tǒng)的總體設計：

3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設計：

定時/計數(shù)器8253組成的速度環(huán)硬件電路原理圖如下，速度給定電路在電流環(huán)的電路圖中。D7-D0A0CLK0A1CS8253WRRDGATE0OUT1主軸脈沖序列89C51P0.0-P0.7P2.0P2.1P2.5P2.6P2.7INT189C51組成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)總體電路原理圖光隔變壓器單穩(wěn)┇┇┇┇單穩(wěn)零比較器MABC同步變壓器CLKIN0ABADC0809CSTARTIN1ALEOED7-D0交流互感器整流分壓濾波+5V速度給定二分頻器D7-D0A0CLK0A1CS8253WRRDGATE0OUT1主軸脈沖序列INT0P1.0P1.589C51