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

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、制動轉(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機(jī)拖動。特別是晶閘管直流電動機(jī)拖動系統(tǒng),具有自動化程度高、控制性能好、起動轉(zhuǎn)矩大, 易于實現(xiàn)無級調(diào)速，使用壽命長，所以相對經(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，信號顯示等功能。隨著微型計算機(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)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，電氣傳動裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(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)械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。對可調(diào)速的電氣傳動系統(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)

3、點(diǎn)就是直流電機(jī)可以實現(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，或者勵磁電壓/電流來調(diào)速。直流電動機(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，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(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.

4、2 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機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。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)電動機(jī)減速時，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動機(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)、電動機(jī)調(diào)

5、速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(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。特別是它對系統(tǒng)快速響應(yīng)是發(fā)電機(jī)、電動機(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，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會造成一定的危害等。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，而晶閘管變流裝置為毫秒級。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)電動機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進(jìn)。同時，控制電路已經(jīng)實現(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)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)

7、展，電氣傳動裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(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、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不同類型的被控對象進(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工

8、業(yè)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

9、前，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，； 勵磁磁通，wb； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。 由上式可知：當(dāng)負(fù)

10、載一定時，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)減弱勵磁磁通3)改變電樞回路電阻對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(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。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(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，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。1.4.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個平滑可調(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

11、系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱wardleonard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)計采用v-m系統(tǒng)。3

12、)直流斬波器或pwm(脈寬調(diào)制)交換器。利用功率開關(guān)器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間的比例，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，電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動態(tài)各項指標(biāo)均能較好地實現(xiàn)設(shè)計的要求。2.1 系統(tǒng)的基本工作原理本設(shè)計采用兩組晶閘管反并聯(lián)連接的可逆vm系統(tǒng)。系統(tǒng)通過鍵盤對轉(zhuǎn)速進(jìn)行給定，同時將轉(zhuǎn)速給定變換成電壓信號。通過數(shù)字測速系統(tǒng)對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)換成

13、電壓信號，把轉(zhuǎn)速給定信號和轉(zhuǎn)速反饋信號作為轉(zhuǎn)速環(huán)asr的兩個輸入信號，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，再與電流檢測信號一起作為電流環(huán)的輸入信號。將最后得到的控制電壓信號作為晶閘管的移相觸發(fā)控制信號，換算成晶閘管的控制角，再根據(jù)控制角的不同換算出對應(yīng)得觸發(fā)時刻，向?qū)?yīng)導(dǎo)通的兩個晶閘管同時輸出觸發(fā)脈沖，使其輸出可控的整流電壓。通過轉(zhuǎn)速檢測信號與轉(zhuǎn)速給定信號實時比較，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)而實現(xiàn)調(diào)速的目的。到今天直流電力拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管元件作為可調(diào)電源向電動機(jī)供電，從而取代了笨重的電動機(jī)發(fā)電機(jī)組以及飽和電抗器的控制方式。和電動機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)

14、變流機(jī)組gm系統(tǒng)）相比，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，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。這種晶閘管電動機(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)實際對調(diào)速精度的要求，往往將系統(tǒng)設(shè)計成閉環(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)。電力拖動系統(tǒng)采用計算機(jī)控制，就是計算機(jī)取代常規(guī)的電子控制裝備，系統(tǒng)實現(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

15、圖21所示為單片機(jī)控制的直流調(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 diagram2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問題此系統(tǒng)解決了電動機(jī)頻繁正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動中電能的回饋通道，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)的一個重要問題環(huán)流問題。所謂環(huán)流就是指不流過電動機(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)流又無瞬時脈動環(huán)流的系統(tǒng)。當(dāng)工藝過程對系統(tǒng)的過渡平滑性要求不高時，特別是對于大容量的系統(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

16、脈動環(huán)流的邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。本設(shè)計為單片機(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，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工作時封鎖反組脈沖，在反組晶閘管vr工作時封鎖正組脈沖。并采用數(shù)字邏輯電路，以數(shù)字信號形式執(zhí)行封鎖與開放的作用。“1”表示封鎖，“0”表示開放，兩者不能同時

17、為“0”。以確保兩組晶閘管不會同時開放。 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)過兩段延時時間，以確保系統(tǒng)的可靠工作。這兩段延時時間就是封鎖延時tdbl和開放延時tdt。封鎖延時是指從發(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)該流出來的等待時間。開放延時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間。因為電流未降到零以前，其所含的脈動分量是時高時低的，而檢測零電流的電平檢測器總有一個最小動作電流i0，如果脈動的電流瞬時低于i0而實際上仍在連續(xù)變化時，就將檢測到的零電流信號發(fā)出去，封鎖本組脈沖，這時本組正處于逆變狀態(tài)。勢必會造成逆變顛覆。設(shè)置封鎖延時之后，檢測到

18、的零電流信號等待一段時間tdbl(對于三相橋式電路來說，約取2-3ms，大約相當(dāng)于半個到一個脈波的時間)，仍不見得超過i0，說明電流確已斷開。這時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，已被觸發(fā)的晶閘管要到電流過零時才真正關(guān)斷，而且在關(guān)斷之后還要過一段時間才能恢復(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后，必須等待一段時間tdt（對于三相橋式電路，常取5-7ms，一般應(yīng)大于一個波頭的時間），才允許開放另一組脈沖2。2.2 觸發(fā)器控制角的設(shè)計本設(shè)計采用微型計算機(jī)組成觸發(fā)控制裝置通常使用定時/計數(shù)

19、器來進(jìn)行角的移相控制。具體方法是：將計算得出的控制角換成與相對應(yīng)的時間，從自然換向點(diǎn)開始由定時器來進(jìn)行定時，計時到使給可控硅發(fā)出一個觸發(fā)信號使晶閘管導(dǎo)通，改變定時器的時間常數(shù)便可實現(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，他和相對應(yīng)的時間有如下線性關(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應(yīng)的定時時間，利用定時器/計數(shù)器就能實現(xiàn)對角定時，這種用硬件定時的方案可以大大節(jié)省cpu在線工作時間。at89c51單片機(jī)本身有兩個16位定時器/計數(shù)器t0和t1，若用他們定時，選用方式1工作，就為16位的定時器/計數(shù)器。又因為at89c51單

20、片機(jī)一個機(jī)器周期由12個振蕩周期組成，工作于定時狀態(tài)時，晶振頻率為6mhz,則1個機(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位定時器/計數(shù)器最大時間常數(shù)為216即為65536，所以最大定時角度用本機(jī)t0，t1定時移相范圍很大，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，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2.3.1 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

21、電流截止負(fù)反饋作限流保護(hù)可以限制啟(制)動時的最大電流。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)中用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)問相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)地動態(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)來限制啟動電流，不能充分利用電動機(jī)的過載能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)；即最佳過渡過程。為了獲得近似理想的過渡過程，并克服幾個信號綜合于一個調(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)。2.3.2 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

22、制轉(zhuǎn)速，實現(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之間實現(xiàn)串級聯(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，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、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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)計都是用單片機(jī)來實現(xiàn)的。2.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動和制動停

23、車過程圖2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動時的轉(zhuǎn)速電流波形figure 2-2 double closed loop system startup speed current waveform設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的啟動過程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時的啟動過程。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)開始啟動時，轉(zhuǎn)速和電流隨時間變化的波形如圖22所示。由于在啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，因此整個啟動過程分為三個階段，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，即電動機(jī)保持最大

24、電流作等加速啟動階段：3）第階段(t2t4)：轉(zhuǎn)速超調(diào)進(jìn)入穩(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)不可能實現(xiàn)回饋制動，在制動時，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車。若須加速制動，則只能采用電阻能耗制動或者電磁抱閘的方式2。2.3.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能負(fù)載擾動和電網(wǎng)電壓擾動是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個主擾動。只要系統(tǒng)能有效地抑制它們所引起的動態(tài)轉(zhuǎn)速降(升)和恢復(fù)時間，就說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動態(tài)抗擾性能。l)抗負(fù)載擾動。負(fù)載擾動作用在電流環(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，必然會引起動態(tài)速降(升)

25、。為了減少動態(tài)速降(升)，在設(shè)計asr時，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。而對acr的設(shè)計來說，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。從靜特性上看，單、雙閉環(huán)系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓擾動的抗擾效果是一樣的。但是從動態(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)電壓波動引起的擾動作用，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，時間已晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(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)電壓波動引起的動態(tài)降(升)要比單閉環(huán)系統(tǒng)

26、小得多。2.4 兩個調(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)中的作用可歸納如下：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1)實現(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)對負(fù)載變化起抗擾作用；3)能對電流環(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)對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；2)啟動時保證獲得允許的最大電流，實現(xiàn)最佳啟動過程；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)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，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)能自動恢復(fù)正常2。3 直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 系

27、統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括智能控制芯片at89c51 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。通過鍵盤對轉(zhuǎn)速進(jìn)行給定，通過兩行4位數(shù)碼管對轉(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，計數(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

28、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figure 3-1 system hardware block diagram3.2 同步電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用三相同步信號電路以減小電源頻率波動對觸發(fā)器的影響。因為觸發(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)正好都對準(zhǔn)六個自然換相點(diǎn)，再經(jīng)過三個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，送至at89c51單片機(jī)的端。由于同步信號跳變?yōu)樽匀?/p>

29、換相點(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，供角定時和輸出控制作用。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rc濾波電路濾波出去電源中的干擾，并實現(xiàn)90度的相移。同步電路一方面將每兩個相鄰的自然換相點(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)脈沖時參考；另一方面在邊沿與自然換相點(diǎn)對齊的方波的邊沿處產(chǎn)生同步中斷脈沖，于是在電源的每個自然換相點(diǎn)向at89c51單片機(jī)申請中斷，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

30、角及電源狀態(tài)便可定相定時的輸出觸發(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口輸出對應(yīng)的六路脈沖信號，脈沖寬度由軟件定時控制。觸發(fā)脈沖經(jīng)過信號隔離、放大電路觸發(fā)整流電路中晶閘管的對應(yīng)導(dǎo)通，產(chǎn)生可控的直流電源，實現(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。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

31、 thyristor bridge code table電源狀態(tài)pa7pa6pa5pa4pa3pa2pa1pa0觸發(fā)字碼觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管s1 s2 s3正橋反橋vt6vt5vt4vt3vt2vt110110000b0hvt5 vt610100001a1hvt6 vt11 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，

32、對觸發(fā)裝置的要求分辨率要小，各相觸發(fā)脈沖的不對稱性要小，移相觸發(fā)控制占用cpu的時間要短。要想提高控制系統(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16位定時器便可對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，對稱度好，無論角如何移相均不會丟脈沖或多脈沖。控制輸入量與變流器輸出之間的線性度較高。對觸發(fā)裝置的要求如下所示：1)分辨率：是指計算機(jī)中進(jìn)行移相控制的數(shù)字信號改變一個字，所對應(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

33、制精度密切相關(guān)。越小，移相控制信號改變一個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)的控制精度也將越高。所以分辨率是觸發(fā)控制裝置的一個重要指標(biāo)。本系統(tǒng)的分辨率是0.036度。2)不對稱性：在晶閘管整流電路中，由于電源電壓不對稱，電源頻率波動等原因，各相晶閘管的控制角會出現(xiàn)差異，這個差異將使各相輸出電壓不度對稱。不對稱的程序還與觸發(fā)裝置的同步方式有關(guān)，不對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)裝置的一個重要指標(biāo)，因為控制角的不對稱性將在輸出電壓中出現(xiàn)低頻諧波成分，這個諧波成分對于電動機(jī)的運(yùn)

34、行是不利的，所以應(yīng)盡量避免。3)占用cpu時間：用計算機(jī)進(jìn)行晶閘管的移相觸發(fā)控制時，cpu要進(jìn)行同步信號的相位判斷，控制角的計算，輸出觸發(fā)信號以及其它一些控制操作，這些工作都要占用cpu的時間，如果這部分時間過長，將會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。特別是對于計算機(jī)速度比較慢的計算機(jī)，這個問題通常顯得更突出，因此把占用cpu時間作為觸發(fā)裝置的一個指標(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個觸發(fā)信號和正、反橋選通信號由8155的pa口送出，由外部電路調(diào)制

35、成觸發(fā)脈沖，經(jīng)“功放”電路分別加到六個晶閘管的門極及正、反橋電子開關(guān)。每個晶閘管導(dǎo)通時，同時給上一個晶閘管補(bǔ)發(fā)一個觸發(fā)脈沖。每個觸發(fā)脈沖的寬度是60。由8155的pa口產(chǎn)生的六路脈沖時間間隔60，每個導(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，因為脈沖的發(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

36、個端口作為觸發(fā)脈沖的輸出是不可能的，所以選擇對po口進(jìn)行擴(kuò)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，那樣晶閘管就會隨著觸發(fā)脈沖作對應(yīng)的導(dǎo)通動作，完成可控整流的要求。本設(shè)計采用74ls157d觸發(fā)器作為觸發(fā)信號閘門，實現(xiàn)硬件立即觸發(fā)，提高移相角的位置精度，并用一個單穩(wěn)電路對觸發(fā)脈沖的寬度進(jìn)行控制。移相定時器8253工作于方式0，當(dāng)其延時結(jié)束時，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

37、碼傳送到q端。隨著觸發(fā)脈沖的有無，脈沖變壓器也會相應(yīng)的產(chǎn)生電壓信號，那樣晶閘管就會隨著觸發(fā)脈沖作對應(yīng)的導(dǎo)通動作，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。同時又為了使系統(tǒng)更可靠的防止兩組晶閘管可控裝置同時開放，在正、反組晶閘管可控裝置端設(shè)計了硬件保護(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工作。 3.3.3 信號的隔離設(shè)計信號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)場僅保持信號聯(lián)系，但

38、不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(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聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系，即實行弱電和強(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原因:第一，脈沖變壓器相對光耦隔效果更好，響應(yīng)速度更快；第二，是因為在三相全控整流橋中，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

39、用光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動就需要每個光耦之間沒有任何聯(lián)系，也就是要需要至少4個獨(dú)立的電源給其供電，那樣在任何一個控制系統(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。脈沖變壓器可實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離，因為脈沖變壓器的匝數(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的隔離器件。脈沖變壓器隔離法傳遞脈沖輸入/輸出信號時，不能傳遞直流分量。微機(jī)使用的數(shù)字量信號輸入/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)計本設(shè)計采用磁補(bǔ)償式霍爾電流傳感器來

40、進(jìn)行電流反饋信號的檢測通過adc0809進(jìn)行 模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)中。霍爾電流傳感器是一種比較好的隔離式強(qiáng)電流檢測裝置，它不僅能測量靜態(tài)，動態(tài)的參數(shù)，還具有動作頻率寬。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，次級線圈，放大電路組成。原理如下圖：圖3-5 lem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，

41、即初級電流所產(chǎn)生磁場，通過一個次級線圈的電流所產(chǎn)生磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍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)初級電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個強(qiáng)大的磁場，稱為初級磁場，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（又稱次級電流），次級電流流過導(dǎo)磁體磁環(huán)上的次級線圈產(chǎn)生了次級磁場，它補(bǔ)償了上述初級磁場，霍爾元件便處于零磁通的平衡工作狀態(tài)。由于上述動態(tài)平衡過程極快，從宏觀上看，次級電流通過測量電阻在任何時刻均能檢測出來，器大小波形是與初級電流完全相對應(yīng)的。3.4.1 電流檢測電路的硬件設(shè)計當(dāng)傳感器檢測的電流經(jīng)過測量電阻時，產(chǎn)生電壓，經(jīng)雙極性轉(zhuǎn)換

42、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。另一路送零電流檢測電路，當(dāng)主回路電流為零時，三極管t1截止，t2導(dǎo)通，發(fā)光二級管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，就會使觸發(fā)脈沖產(chǎn)生錯亂，導(dǎo)致晶閘管的誤導(dǎo)通，嚴(yán)重時會導(dǎo)致整

43、個控制系統(tǒng)失靈，甚至?xí)龤щ娐分械脑骷?。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，尤其是采用可控整流器作為改變直流電源電壓的方法時，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?，主要是控制晶閘管的導(dǎo)通，什么時候開始觸發(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，主要是因為它的可控性。當(dāng)二極管兩端承受正向電壓時，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，只有兩者同時具備，晶閘管才會導(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

44、閘管承受正向電壓的wt=o時刻算起到晶閘管導(dǎo)通時刻的電角度。用表示，稱作控制角。為使整流電壓ud在每個周期的波形相同，每個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)信號的同步。晶閘管每周期導(dǎo)通的電角度以表示，稱作晶閘管的導(dǎo)通角或?qū)щ娊牵瑢?dǎo)電角的大小隨角大小的改變而變化。在電路中，=，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

45、改變稱作移相。角增大，整流平均電壓ud減小，=0時，整流電壓最大ud=udm。當(dāng)ud從最大值下降到零時，所對應(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，延時控制角對應(yīng)的時間，晶閘管開始導(dǎo)通，在其兩端承受負(fù)相電壓時，晶閘管自動關(guān)斷?？刂平窃叫。瑢?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

46、3-6 晶閘管三相整流波形圖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)，而是相對延后30的自然換相點(diǎn)。從自然換相點(diǎn)開始定時控制角所對應(yīng)的時間后，開始發(fā)送六路觸發(fā)脈沖，脈沖觸發(fā)順序為t1t6t1t2t2t3t3t4t4t5t5t6t1t6，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：，因此控制角的定時時刻就尤為重要，即自然換相點(diǎn)。但在實際的檢測過程中，自然換相點(diǎn)不容易檢測到，即便檢測到準(zhǔn)確性

47、也不是很高。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30角所對應(yīng)的時間。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)，然后再定時控制角所對應(yīng)的時間，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進(jìn)行整流控制。本文設(shè)計時采用將自然換相角與控制角一起作為定時時間，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時間。這樣可以簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計，使系統(tǒng)控制更簡便。 在本調(diào)速裝置中。對于控制角的定時與上述理論相一致，不同的是在檢測到過零點(diǎn)后，定時時間不光是自然換相角30所對

48、應(yīng)的時間，還包括的控制角所對應(yīng)的時間。兩者一起定時，無論從硬件上還是軟件上都簡便了很多。等到整個定時時間結(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，它會發(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，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，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，發(fā)光照射到光敏三極管的基極，光敏

49、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、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)計采用每轉(zhuǎn)1024線的脈沖發(fā)生器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的脈沖列

50、頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比例關(guān)系。單片機(jī)對該頻率按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)出的一個脈沖即p脈沖的周期來檢測速度。因m法在低速時，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間變化不大。m/t法測速是通過測量檢測時間

51、t和在此時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的p個脈沖來確定被測轉(zhuǎn)速，其測速原理如圖3-9所示。檢測時間t可由計數(shù)器對頻率已知的計數(shù)脈沖所得計數(shù)值獲得，p脈沖數(shù)由計數(shù)器得到。設(shè)計數(shù)器脈沖頻率為，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，則檢測時間t=/。若在t時間內(nèi)對p脈沖的計數(shù)值為，則可得到m/t法測得的轉(zhuǎn)速測量值計算公式： （r/min） （3-1）本設(shè)計中=hz，由于采用4倍頻電路，故p=41024。 （r/min） （r/min）圖3-9 m/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)中選等于相鄰兩個自然換相點(diǎn)的間隔，即為3.33毫秒，這樣可以節(jié)省

52、定時器，測速時at89c51單片機(jī)在a點(diǎn)響應(yīng)同步信號中斷，將預(yù)置常數(shù)#ffffh送入計數(shù)器并立即啟動計數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)后，單片機(jī)發(fā)出停止測速信號，的計數(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)置定時器常數(shù)啟動，開始下一次的測速，由于8253是減計數(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)動的方向，pg脈沖發(fā)生器的輸出j、k兩個信號在相位上錯開四分之一個周期，要使判別電路可靠的工作，兩個單穩(wěn)電路的延時都應(yīng)小于四分之一個周期，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。電路及波形如圖3-10所示。當(dāng)q=0為反

53、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)計可編程計數(shù)/定時器8253有兩個基本的功能，即定時和計數(shù)。除此之外還可以作為頻率發(fā)生器、分頻器、時鐘、單脈沖發(fā)生器等。這些功能是通過對8253進(jìn)行編程，寫入控制字來實現(xiàn)的，本設(shè)計是計數(shù)器0和計數(shù)器1聯(lián)合進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，兩個計數(shù)器分別對和進(jìn)行計數(shù)，d觸發(fā)器用來計數(shù)與脈沖發(fā)生器同步由于8353為下降沿計數(shù)，故加入反向器g。at89c51單片機(jī)的端給出啟動、停止測速的信號。由于對檢測時間t的測量最大可能有一個計數(shù)脈沖周期的誤差，

54、當(dāng)n不變時，提高t時間內(nèi)的值可提高對每個測速脈沖周期測量的精確性。所以本設(shè)計采用用了4倍頻電路來提高精度，減少測速時間和時間的滯后，改善了動態(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 circuit用計數(shù)器l定時采樣時間，晶振頻率為2m

55、hz，那樣根據(jù)存入數(shù)值的不同采樣時問也隨之變化。這里設(shè)定采樣時間為lms。定時時間到后，申請中斷。采用方式2進(jìn)行計數(shù)，主要有三個原因：一是因為方式2門控信號gate的高、低決定了計數(shù)器的啟、停；二是當(dāng)gate端出現(xiàn)上升沿信號或是重新啟動時，計數(shù)初值會自動重新裝入累加器中，使軟件程序更加簡單；三是當(dāng)啟動計數(shù)器后，輸出out變?yōu)楦唠娖?，計?shù)執(zhí)行單元執(zhí)行減l操作，減到0時，輸出端out變?yōu)榈碗娖剑a(chǎn)生中斷請求，進(jìn)入中斷程序中讀取計數(shù)器0中的數(shù)值，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的累加和計數(shù)。用計數(shù)器o對轉(zhuǎn)速脈沖個數(shù)進(jìn)行檢測，采用方式0，那樣當(dāng)game端出現(xiàn)上升沿信號或是重新啟動時，計數(shù)初值能自動重新裝入計數(shù)累加器中；門控信號gate也決定了計數(shù)器的啟、停。由于累加器是減一操作，所以計數(shù)初值存入最大值00h。根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖的發(fā)生頻率，計數(shù)器的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速頻率，不會出現(xiàn)在檢測過程中漏檢的現(xiàn)象；在單位采樣時間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖也不會超過這個存入的最大值。因此，此轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的設(shè)計是合理、可行的4。 4 數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.1 數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計簡介本設(shè)計先選用“模擬系統(tǒng)設(shè)計法”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