数字控制的逻辑无环流可逆直流调速系统设计

0前言直流调速和交流调速相比,直流调速具有宽广的调速范围,平滑的调速特性,较高的过载能力和较大的起动、制动转矩,使用寿命长，经济性好。因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。在工业生产中,需要高性能速度控制的电力拖动场合,直流调速系统发挥着极为重要的作用,高精度金属切削机床,大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。特别是晶闸管直流电动机拖动系统,具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大,易于实现无级调速，使用寿命长，所以相对经济性好等优点而被广泛应用在现代化生产当中。本设计采用以AT89C51单片机为核心的数字PI调节器，由软件编程来完全成模拟控制功能的数字式传动系统，能够有效地抑制老化和各种干扰，还能完成故障诊断，信号显示等功能。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。1直流调速的介绍11直流调速与交流调速的比较在现代化的工业生产过程中，几乎处处使用电力传动装置，随着生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流调速与交流调速比较，最大的优点就是直流电机可以实现“平滑而经济的调速”；直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，而交流调速虽然维护简单方便，但调速比较困难需要和其它设备配合使用如需要增设变频器等才能实现调速。所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用在自动控制要求较高的各种生产部门，如在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的使用，所以直流调速是目前调速系统的主要形式。12直流调速系统发展史最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。到了三十年代末，出现了发电机一电动机也称为旋转变流组，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围十比一至数十比一、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大、检修困难等。然而自出现汞弧变流器后，用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它对系统快速响应是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。到了1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组放大倍数10高1000倍，比汞弧变流器1000高1O倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了已往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的多种直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB公司的PAD/PSD，等等。13直流调速控制装置的国内发展现状数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各类器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等均已开发出数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术，很少将智能控制应用于其中。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。14直流电机的调速方法根据直流电动机的固有机械特性方程式（11）2ANEETNURNC在式（11）中N转速，R/MIN电枢电压，V；N电枢回路总电阻，；RA励磁磁通，WB；N由电机结构决定的电动势常数。CE由上式可知当负载一定时，电磁转矩T与负载转矩相平衡，电磁转矩不变，欲改变直流电动机的速度，有以下三种方法1调节电枢供电电压UN2减弱励磁磁通3改变电枢回路电阻RA对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方法为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。141直流调速系统的供电方式实现调压调速，首先要有一个平滑可调的直流电源。常用的可调直流电源有以下三种方法L旋转变流机组。用交流电机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称GM系统，国际上统称WARDLEONARD系统，这是最早的调压调速系统。GM系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。2静止式可控整流器。20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称VM系统，又称静止的WARDLEONARD系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角，进而改变整流电压UD的大小，达到调节直流电动机转速的目的。VM在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。本设计采用VM系统。3直流斩波器或PWM脉宽调制交换器。利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间的比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DCDC变换器1。2逻辑无环流可逆直流调速系统的原理本设计的直流调速装置采用以单片机AT89C51作为主控制器，晶闸管触发和转速测量等环节都实现全数字化的微机控制。系统结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运行时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地实现设计的要求。21系统的基本工作原理本设计采用两组晶闸管反并联连接的可逆VM系统。系统通过键盘对转速进行给定，同时将转速给定变换成电压信号。通过数字测速系统对电动机的转速进行检测并转换成电压信号，把转速给定信号和转速反馈信号作为转速环ASR的两个输入信号，经过数字调节器控制得到电流环ACR的给定信号，再与电流检测信号一起作为电流环的输入信号。将最后得到的控制电压信号作为晶闸管的移相触发控制信号，换算成晶闸管的控制角，再根据控制角的不同换算出对应得触发时刻，向对应导通的两个晶闸管同时输出触发脉冲，使其输出可控的整流电压。通过转速检测信号与转速给定信号实时比较，最终达到转速检测与转速给定相平衡，使系统达到稳态，进而实现调速的目的。到今天直流电力拖动系统中已大量采用晶闸管元件作为可调电源向电动机供电，从而取代了笨重的电动机发电机组以及饱和电抗器的控制方式。和电动机发电机组系统（旋转变流机组GM系统）相比，不仅在经济和可靠性上都有很大的提高，而且在技术性能方面也显示出较大的优越性。它不再象直流发电机那样需要较大的功率放大装置，其快速性达到毫秒级，大大提高了系统的动态性能。这种晶闸管电动机调速系统（VM系统）的基本控制方法是通过改变晶闸管的控制角来调节电动机的供电电压，从而达到平滑调速的目的。为了满足生产实际对调速精度的要求，往往将系统设计成闭环系统，典型的晶闸管闭环调速系统主要由六部分组成电动机、晶闸管变流装置、触发器、调节器、转速与电流检测和反馈环节。电力拖动系统采用计算机控制，就是计算机取代常规的电子控制装备，系统实现数字触发、数字测速、数字调节的全数字化控制。如图21所示为单片机控制的直流调速系统的原理结构框图。ASRACR触发器三相交流电源直流电机速度反馈测速电机电流反馈单片机速度给定图21系统原理框图FIGURE21SYSTEMBLOCKDIAGRAM211直流调速系统中的环流问题此系统解决了电动机频繁正、反转运行和回馈制动中电能的回馈通道，但接踵而来的是影响系统的安全工作并决定可逆系统性质的一个重要问题环流问题。所谓环流就是指不流过电动机或其它负载，直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。环流太大甚至于会导致晶闸管损坏，故必须予以抑制。无环流系统是指既无直流平均环流又无瞬时脉动环流的系统。当工艺过程对系统的过渡平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统从生产可靠性要求出发，常采用既无直流平均环流又无瞬时脉动环流的逻辑无环流系统。本设计为单片机AT89C51作为主控制器控制的逻辑无环流系统。所谓逻辑无环流系统就是当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的出发脉冲，使其完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。逻辑无环流可逆调速系统时目前在生产中应用最为广泛的可逆系统。由于无环流，所以不设置环流电抗器。但为保证稳定运行时电流波形的连续，仍保留平波电抗器，DL控制线路采用典型的转速，电流双闭环系统，在正组晶闸管VF工作时封锁反组脉冲，在反组晶闸管VR工作时封锁正组脉冲。并采用数字逻辑电路，以数字信号形式执行封锁与开放的作用。“1”表示封锁，“0”表示开放，两者不能同时为“0”。以确保两组晶闸管不会同时开放。值得注意的是，逻辑切换指令发出以后，并不能立即执行，还需经过两段延时时间，以确保系统的可靠工作。这两段延时时间就是封锁延时TDBL和开放延时TDT。封锁延时是指从发出切换指令到真正封锁掉原来工作的那组脉冲之间应该流出来的等待时间。开放延时是指从封锁原工作组脉冲的到开放另一组脉冲之间的等待时间。因为电流未降到零以前，其所含的脉动分量是时高时低的，而检测零电流的电平检测器总有一个最小动作电流I0，如果脉动的电流瞬时低于I0而实际上仍在连续变化时，就将检测到的零电流信号发出去，封锁本组脉冲，这时本组正处于逆变状态。势必会造成逆变颠覆。设置封锁延时之后，检测到的零电流信号等待一段时间TDBL对于三相桥式电路来说，约取23MS，大约相当于半个到一个脉波的时间，仍不见得超过I0，说明电流确已断开。这时在封锁本组脉冲就没有什么问题了。在封锁原工作组脉冲时，已被触发的晶闸管要到电流过零时才真正关断，而且在关断之后还要过一段时间才能恢复阻断能力。如果在这之前就开放另一组晶闸管，仍可能造成两组晶闸管同时导通，使电源短路。为了防止产生这种事故，在发出封锁本组脉冲信号后，必须等待一段时间TDT（对于三相桥式电路，常取57MS，一般应大于一个波头的时间），才允许开放另一组脉冲2。22触发器控制角的设计本设计采用微型计算机组成触发控制装置通常使用定时/计数器来进行角的移相控制。具体方法是将计算得出的控制角换成与相对应的时间，从自然换向点开始由定时器来进行定时，计时到使给可控硅发出一个触发信号使晶闸管导通，改变定时器的时间常数便可实现移相控制了。角是从自然换向点算起的触发脉冲控制角。在工频条件下，他和相对应的时间有如下线性关系TA3620151036TT秒式中，T是工频电源周期，是控制角，单位是度。由算式可见，根据电角度就可以算出对应的定时时间，利用定时器/计数器就能实现对角定时，这种用硬件定时的AT方案可以大大节省CPU在线工作时间。AT89C51单片机本身有两个16位定时器/计数器T0和T1，若用他们定时，选用方式1工作，就为16位的定时器/计数器。又因为AT89C51单片机一个机器周期由12个振荡周期组成，工作于定时状态时，晶振频率为6MHZ,则1个机器周期12/晶振频率12/61062US。分辨率（度）630203T式中T为工频电源周期002S。由于16位定时器/计数器最大时间常数为216即为65536，所以最大定时角度用本机T0，T1定时移相范围很大，0359M而分辨率则受到本机机器周期的限制，在说用于三相定时，需要采用特殊方式进行。23双闭环调速系统的构成231双闭环调速系统与单闭环调速系统的比较转速、电流双闭环调速系统简称双闭环调速系统是由单闭环调速系统发展而来的。采用转速电流双闭环调节的调速系统可以实现转速调节的无静差，单闭环与双闭环调速相比采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启制动时的最大电流。但是单闭环调速系统存在以下问题需要解决。1）在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数问相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统地动态性能不够好。2）系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应；即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。232转速、电流双闭环调速系统的组成在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级联接，即以ASR的输出电压作为电流调节器的IU电流给定信号，再用ACR的输出电压UC作晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。而本设计都是用单片机来实现的。233双闭环调速系统的启动和制动停车过程T1T2T3T400LIIDN1N图22双闭环调速系统启动时的转速电流波形FIGURE22DOUBLECLOSEDLOOPSYSTEMSTARTUPSPEEDCURRENTWAVEFORM设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的启动过程，因此有必要首先讨论双闭环调速系统突加给定时的启动过程。当双闭环调速系统突加给定电压由静NU止状态开始启动时，转速和电流随时间变化的波形如图22所示。由于在启动过程中，转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，因此整个启动过程分为三个阶段，在图中分别标以、。1）第阶段0T1强迫电流上升阶段；2）第阶段T1T2恒流升速阶段，即电动机保持最大电流作等加速启动阶段3）第阶段T2T4转速超调进入稳定的阶段，即转速调节阶段；双闭环调速系统的制动停车过程由于晶闸管的单向导电性，因此不可逆双闭环调速系统不可能实现回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。若须加速制动，则只能采用电阻能耗制动或者电磁抱闸的方式2。234双闭环调速系统的抗扰性能负载扰动和电网电压扰动是双闭环调速系统中的两个主扰动。只要系统能有效地抑制它们所引起的动态转速降升和恢复时间，就说明系统具有较强的动态抗扰性能。L抗负载扰动。负载扰动作用在电流环，转速环内，只能靠转速调节器产生抗扰作用。因此，在突加减负载时，必然会引起动态速降升。为了减少动态速降升，在设计ASR时，必须要求系统具有较好的抗扰性能。而对ACR的设计来说，则只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。2抗电网电压扰动。从静特性上看，单、双闭环系统对电网电压扰动的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，却有较大差别。在单闭环调速系统中，作用点离被调量较远的电网电压波动引起的扰动作用，先要经过电磁惯性滞后才能影响到电枢电流，再经过机电惯性滞后才能反映出转速变化，等到转速反馈产生调节作用，时间已晚。在双闭环调速系统中，电网电压扰动被包围在电流环内，它的影响不必等到波及到转速就能被电流环所抑制。因此，在双闭环调速系统中，电网电压波动引起的动态降升要比单闭环系统小得多。24两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可归纳如下转速调节器的作用1实现转速调节无静差，使转速N跟随给定电压变化；NU2对负载变化起抗扰作用；3能对电流环进行饱和非线性控制，且其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用1对电网电压波动起及时抗扰作用；2启动时保证获得允许的最大电流，实现最佳启动过程；3在转速调节过程中，能使电流跟随其给定电压变化；IU4依靠ACR的恒流调节作用可获得理想的下垂特性；5当电动机过载甚至堵转时，可限制最大电枢电流，起到快速的安全保护作用，一旦故障消失，系统能自动恢复正常2。3直流调速系统的硬件设计31系统硬件结构的总体设计直流调速系统的硬件结构主要包括智能控制芯片AT89C51再配必转速给定、转速显示、转速检测、电流检测、触发电路、过零检测电路和整流电路等部分。通过键盘对转速进行给定，通过两行4位数码管对转速给定和转速检测进行显示；转速检测电路主要是采用脉冲发生器和定时，计数芯片8253进行检测；电流检测电路主要考虑到检测精度的问题，采用A/DADC0809作为检测芯片，将直流端的电流换为电压信号检测进来；触发脉冲的形式采用脉冲列触发功效电路是对六路晶闸管进行移相触发，采用8155芯片和脉冲放大电路作为六路脉冲的产生；整流电路由两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路、三相电源变压器、小型直流电机等构成。硬件结构框图如图31所示。AT89C513738155脉冲触发接口脉冲功放8255A/D三相交流电源直流电机脉冲发生器同步信号电路电流检测零电流检测TS至各晶闸管门极数字测速电路图31系统硬件结构框图FIGURE31SYSTEMHARDWAREBLOCKDIAGRAM32同步电路的设计本系统采用三相同步信号电路以减小电源频率波动对触发器的影响。因为触发电路是改变触发脉冲的相位，与主电路的相位不相同，无法正确的控制导通角，整个电路无法正常的工作，所以可控整流电路的触发电路必须和主电路同步三相交流同步电源取自同步变压器的副绕组，经RC滤波移相后使其过零点正好都对准六个自然换相点，再经过三个电压比较器和边沿检测器电路输出周期为333MS的一路方波同步信号，送至AT89C51单片机的端。由于同步信号跳变为自然换相点，单片机检测S1、S2、S3的0INT状态字，即可进行软件认相，并作为标志，供角定时和输出控制作用。同步电路如图31所示。111LM339RA3RB3RC3RPRPRPRRRA1B1C1CCCCCCA3B3C3A1B1C1S1S2S3RCPPABCABCTSINT0同步中断信号图31同步电路图FIGURE31SYNCHRONOUSCIRCUIT主变压器及同步变压器都接成YY12，同步变压经二级RC滤波电路滤波出去电源中的干扰，并实现90度的相移。同步电路一方面将每两个相邻的自然换相点之间的电源状态用数字量S1、S2、S3来表示，供微机分配触发脉冲时参考；另一方面在边沿与自然换相点对齐的方波的边沿处产生同步中断脉冲，于是在电源的每个自然换相点向AT89C51单片机申请中断，使微机的触发操作与电源同步。AT89C51响应中断后，根据所求的角及电源状态便可定相定时的输出触发脉冲。其电压波形图如下图33所示6。UUUUUUUUABACBCBACACBABSSSSS边沿检测器输出同步中断脉冲123121SS2S3001101100110010011001101图33波形图FIGURE33WAVEFORM33晶闸管触发电路触发脉冲输出电路主要是通过8155芯片的PA口输出对应的六路脉冲信号，脉冲宽度由软件定时控制。触发脉冲经过信号隔离、放大电路触发整流电路中晶闸管的对应导通，产生可控的直流电源，实现调压调速的目的。下表以正组晶闸管触发字码表为例，其中约定“1”是触发响应晶闸管，“0”为不触发。从系统扩展的8155口输出触发信号。正反桥控制端约定“1”为选通，“0”为不选通即关断。表31正组桥晶闸管触发字码表TABLE31ARESETTOTRIGGERTHYRISTORBRIDGECODETABLE电源状态PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0触发字码触发导通的晶闸管S1S2S3正桥反桥VT6VT5VT4VT3VT2VT110110000B0HVT5VT610100001A1HVT6VT11011000001183HVT1VT21001000011086HVT2VT3110100011008CHVT3VT40101001100098HVT4VT501110110000B0HVT5VT600110100001A1HVT6VT1331触发控制装置的要求在用单片机进行触发控制时，对触发装置的要求分辨率要小，各相触发脉冲的不对称性要小，移相触发控制占用CPU的时间要短。要想提高控制系统的控制精度，必须相应地提高数字触发器的精度。本设计采用高分辨率的数字触发器。使其分辨与位精度都较高。选用一个16位定时器便可对正反两组可控硅全控桥精确触发。触发器选用硬件立即触发方式，突破以往的软件触发方式。触发器工作稳定可靠，各相触发脉冲整齐，对称度好，无论角如何移相均不会丢脉冲或多脉冲。控制输入量与变流器输出之间的线性度较高。对触发装置的要求如下所示1分辨率是指计算机中进行移相控制的数字信号改变一个字，所对应的晶闸管控制角的变化。分辨率用表示，它的单位是度。分辨率的大小与系统的控制精度密切相关。越小，移相控制信号改变一个字所引起整流电压的变化就越小，转速变化也越小，系统的控制精度也将越高。所以分辨率是触发控制装置的一个重要指标。本系统的分辨率是0036度。2不对称性在晶闸管整流电路中，由于电源电压不对称，电源频率波动等原因，各相晶闸管的控制角会出现差异，这个差异将使各相输出电压不度对称。不对称的程序还与触发装置的同步方式有关，不对称性就是用来说明在稳定运行情况下各相控制角之间的差异大小。不对称程度可以用稳态运行情况下各相最大的控制角与最小的控制角之差来表示。也是触发装置的一个重要指标，因为控制角的不对称性将在输出电压中出现低频谐波成分，这个谐波成分对于电动机的运行是不利的，所以应尽量避免。3占用CPU时间用计算机进行晶闸管的移相触发控制时，CPU要进行同步信号的相位判断，控制角的计算，输出触发信号以及其它一些控制操作，这些工作都要占用CPU的时间，如果这部分时间过长，将会影响系统的正常运行。特别是对于计算机速度比较慢的计算机，这个问题通常显得更突出，因此把占用CPU时间作为触发装置的一个指标。332触发脉冲的输出电路触发脉冲的形式可采用双窄脉冲触发功效电路，也可采用脉冲列触发功效电路。在此我们选用双窄脉冲触发方式。此方法可简化电路，减少脉冲变压器体积并增强电路的抗干扰能力，6个触发信号和正、反桥选通信号由8155的PA口送出，由外部电路调制成触发脉冲，经“功放”电路分别加到六个晶闸管的门极及正、反桥电子开关。每个晶闸管导通时，同时给上一个晶闸管补发一个触发脉冲。每个触发脉冲的宽度是60。由8155的PA口产生的六路脉冲时间间隔60，每个导通120。LS175LS17574LS1231111PA0PA7PBS1S2S3DQDQVVVVVV123456反桥接通正桥接通8155PCPBA7PPA0转向信号零电流信号825374LS02保护电路晶闸管触发图34触发脉冲输出电路FIGURE34TRIGGERPULSEOUTPUTCIRCUIT如图34所示触发脉冲要想触发晶闸管的导通，还必须经过脉冲的隔离和放大，因为脉冲的发生端是工作电压为5V的单片机系统，而触发端是连接在三相交流电中的高压。只有经过脉冲隔离和放大，这样系统才会更加可靠、安全、稳定。图中选择8155作为I/O口扩展，原因是AT89C51的端口有限，取出6个端口作为触发脉冲的输出是不可能的，所以选择对PO口进行扩展。如果选择8155作I/O口扩展，就应该将芯片的片选信号端CE和作RAM/IO口选择端IO/M进行设置。电路中采用8155的PA口作为输出使用，产生驱动晶闸管的六路脉冲。触发脉冲输出后，还要经过脉冲隔离与功放装置产生触发信号，那样晶闸管就会随着触发脉冲作对应的导通动作，完成可控整流的要求。本设计采用74LS157D触发器作为触发信号闸门，实现硬件立即触发，提高移相角的位置精度，并用一个单稳电路对触发脉冲的宽度进行控制。移相定时器8253工作于方式0，当其延时结束时，器输出上升沿直接开启触发闸门74LS175。使原来已等待在D端的触发字码传送到Q端。随着触发脉冲的有无，脉冲变压器也会相应的产生电压信号，那样晶闸管就会随着触发脉冲作对应的导通动作，完成可控整流的要求。本系统是逻辑无环流可逆系统，由于正、反两组晶闸管可控装置不能同时导通，所以采用电子开关控制触发脉冲送至正组桥或是反组桥，这样可节省触发接口，简化硬件。同时又为了使系统更可靠的防止两组晶闸管可控装置同时开放，在正、反组晶闸管可控装置端设计了硬件保护电路，选用一片74LS02或门，控制两组晶闸管的导通电子开关，更加确保了两组晶闸管可控装置不同时工作。333信号的隔离设计信号的隔离目的之一是电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。一般工业应用的微机测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。为了使两者之间即保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。测控装置与现场信号之间，弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。另外，在布线上也应该注意隔离。这里选择脉冲变压器作为隔离器件主要有两个原因第一，脉冲变压器相对光耦隔效果更好，响应速度更快；第二，是因为在三相全控整流桥中，六路晶闸管中有些晶闸管的阴极相连，有些是晶闸管的阳极相连。所以，如果要使用光耦进行隔离驱动就需要每个光耦之间没有任何联系，也就是要需要至少4个独立的电源给其供电，那样在任何一个控制系统中都很难做到。如果整流电路是三相半控的，就可以采用光耦进行隔离了。所以最后决定用脉冲变压器替代光耦隔离。脉冲变压器可实现数字信号的隔离，因为脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分别电容仅几PF，所以可作为脉冲信号的隔离器件。脉冲变压器隔离法传递脉冲输入/输出信号时，不能传递直流分量。微机使用的数字量信号输入/输出的控制设备不要求传递直流分量，所以脉冲变压器隔离法在微机测控系统中得到广泛应用9。34电流检测电路的设计本设计采用磁补偿式霍尔电流传感器来进行电流反馈信号的检测通过ADC0809进行模/数转换后送至单片机中。霍尔电流传感器是一种比较好的隔离式强电流检测装置，它不仅能测量静态，动态的参数，还具有动作频率宽。电隔离等优点，给系统的应用带来了不少方便。为了检测直流电动机电流大小和电流是否为零，提高检测精度和抗干扰能力。本设计采用北京莱姆电子公司的BJLEM电流传感器。这种传感器是非接触式传感器，它由原边电路。聚磁环，位于空隙中霍尔器件，次级线圈，放大电路组成。原理如下图IS15VIPRMUH原级线圈AIC图35LEM传感器原理图FIGURE35LEMSENSORSCHEMATICLEM传感器及其原理LEM传感器的工作原理是基于磁场补偿平衡原理的，即初级电流所产生磁场，通过一个次级线圈的电流所产生磁场进行补偿，使霍尔元件始终处PISI在零磁通的平衡工作状态。具体工作过程是当初级电流通过导线时，在导线周围产PI生一个强大的磁场，称为初级磁场，这一磁场被导磁体磁环聚集，并在霍尔元件输出霍尔电压，此电压经过放大后获得补偿电流（又称次级电流），次级电流流过HUHSISI导磁体磁环上的次级线圈产生了次级磁场，它补偿了上述初级磁场，霍尔元件便处于零磁通的平衡工作状态。由于上述动态平衡过程极快，从宏观上看，次级电流通过测量电阻在任何时刻均能检测出来，器大小波形是与初级电流完全相对应的。MR341电流检测电路的硬件设计当传感器检测的电流经过测量电阻时，产生电压，经双极性转换电路变换MRMU成05V电压送到了ADC0809进行模/数转换后送至ATC89C51。另一路送零电流检测电路，当主回路电流为零时，三极管T1截止，T2导通，发光二级管T3导通并发光，T4受光导通，C点点位为“0”，则L点为“1”，这就达到零电流检测的目的。零电流检测和电流反馈通道的硬件电路如图36所示。A/DR23R24C11W1R25ARR2627T1T2TIL113T3T415VVD1VD2R14R22R15R16VD3R17R18C10FIS12V送8155PC口LCR28R29零电流检测图36电流反馈通道电路图FIGURE36CHANNELCURRENTFEEDBACKCIRCUIT342过零检测的意义过零检测在直流调速控制系统中是最为重要的。过零检测是否准确直接决定了控制系统的好坏。如果过零检测不准确，就会使触发脉冲产生错乱，导致晶闸管的误导通，严重时会导致整个控制系统失灵，甚至会烧毁电路中的元器件。在直流调速系统中，尤其是采用可控整流器作为改变直流电源电压的方法时，过零检测就是其必不可少的部分。控制可控整流器来改变直流端的电枢电压，主要是控制晶闸管的导通，什么时候开始触发晶闸管导通，直接影响整流电压的大小根据之前所述，晶闸管的导通角越小，整流电压就越大。晶闸管不同于二极管，主要是因为它的可控性。当二极管两端承受正向电压时，二极管就发生导通而晶闸管的导通条件不仅两端要有正向电压，而且触发极要有能使晶闸管导通的触发信号，只有两者同时具备，晶闸管才会导通。根据其这一特性，它在工业生产中，得到了广泛的应用，也使电力电子技术发展的更加成熟、更加完善。从晶闸管承受正向电压的WTO时刻算起到晶闸管导通时刻的电角度。用表示，称作控制角。为使整流电压UD在每个周期的波形相同，每个周期的角也必须相同，且必须出现在电源电压U2的正半波范围内，这就要触发脉冲电压UG和电压U2在频率和相位上必须密切配合，这种相互协调配合的关系称为主电路和触发信号的同步。晶闸管每周期导通的电角度以表示，称作晶闸管的导通角或导电角，导电角的大小随角大小的改变而变化。在电路中，改变控制角的大小，就能改变晶闸管在U2正半波的导通时间，也就达到了改变负载电压UD波形和平均电压UD大小的目的。这就是直流调压。对于不同的可控整流电路和不同性质的负载，控制角有不同的限制范围，控制角的改变称作移相。角增大，整流平均电压UD减小，0时，整流电压最大UDUDM。当UD从最大值下降到零时，所对应的控制角的变化范围，称作该电路的移相范围。不同的可控整流电路不同的负载有不同的移相范围，该电路的移相范围是0180度。现已最简单的晶闸管工作电路为例作详细说明，具体如图35所示。UU0WT图35晶闸管电路波形图FIGURE35THYRISTORCIRCUITWAVEFORMS当检测到零点电压后，延时控制角对应的时间，晶闸管开始导通，在其两端承受负相电压时，晶闸管自动关断。控制角越小，导通的区域面积越大，输出电压就越大。在三相全控整流电路中控制角为30度，电压波形如图36所示。UD1UD2UD1UD230ABCA0WT图36晶闸管三相整流波形图FIGURE36THREEPHASETHYRISTORRECTIFIERWAVEFORM在三相整流电路中，控制角的起点不再是过零点，而是相对延后30的自然换相点。从自然换相点开始定时控制角所对应的时间后，开始发送六路触发脉冲，脉冲触发顺序为T1T6T1T2T2T3T3T4T4T5T5T6T1T6，依次循环下去，每路脉冲间隔60，触发脉冲的发送顺序是固定不变的，唯一变动的就是控制角的大小，它的改变直接决定了整流电压UD的变化。根据整流电压公式，因此控制角的定时时刻234DCOSU就尤为重要，即自然换相点。但在实际的检测过程中，自然换相点不容易检测到，即便检测到准确性也不是很高。而我们把自然换相点与过零点之间的区域，称作自然换相角。在三相电源中，这个角度是固定的，其值为30。所以我们就可以利用这一点，把检测自然换相点换成检测过零点，然后再延时30角所对应的时间。那么我们就可以很容易得到自然换相点，也就是控制角的起始点，然后再定时控制角所对应的时间，发出触发脉冲，进行整流控制。本文设计时采用将自然换相角与控制角一起作为定时时间，从检测到过零点以后，系统就将自然换相角与控制角的和作为总的定时时间。这样可以简化系统的硬件结构及软件设计，使系统控制更简便。在本调速装置中。对于控制角的定时与上述理论相一致，不同的是在检测到过零点后，定时时间不光是自然换相角30所对应的时间，还包括的控制角所对应的时间。两者一起定时，无论从硬件上还是软件上都简便了很多。等到整个定时时间结束后，发出触发脉冲，进行整流控制。在过零检测电路中，采用了光电耦合器作为检测元件，主要考虑的就是光电耦合器体积小，价格低，占用空间小等优点。光电耦合器的种类很多，但工作的基本原理相同。它由发光二极管和光敏三极管组成。当发光二极管通以一定的电流时，它会发光。该光照射到光敏三极管的基极上就使它的发射极C和集电极E导通当发光二极管没有电流流过时，没有光照射到光敏三极管的基极，C、E极截止。当检测的电压变为正电压时，发光二极管两端产生电位差，有电流流过发光二极管，发光照射到光敏三极管的基极，光敏三极管导通，那样就有电流流过电阻R2，8155芯片的PC口被选通。在过零检测电路中A、B、C相在各点的波形如图38所示9。UABCA0WTBCABC000WTWTWT图38过零检测电路中各相过零输出波形FIGURE38ZEROCROSSINGDETECTIONCIRCUITOUTPUTWAVEFORMOFEACHPHASEZERO35数字测速电路的设计在速度闭环控制系统中，测速装置属于反馈环节。转速检测的精度和快速性直接影响系统的动、静态特性。若采用测速发电机检测转速，由于其本身存在死区和非线性特性，给转速滤波电路带来误差，影响精度。因此本设计采用每转1024线的脉冲发生器作为转速传感器，它产生的脉冲列频率与电机转速有固定的比例关系。单片机对该频率按M/T法进行处理后，便可在较宽的速度范围内获得高精度和快速响应的数字测速值。351M/T测速原理一般采用的数字式测速方法有M法和T法，但这两种测速方法的测速范围都受到限制。M法测速是在一定时间内通过测量光电脉冲发生器产生脉冲数（以下称为P脉冲数）来检测转速。T发测速则是通过测量光电脉冲发生器产出的一个脉冲即P脉冲的周期来检测速度。因M法在低速时，和T法在高速使精度都不高，且分辨率也低，综合这两种测速法德长处，可采用M/T测速法。M/T测速能在宽的被测转速范围内得到高的分辨能力和满意的测速精度且检测时间变化不大。M/T法测速是通过测量检测时间T和在此时间内脉冲发生器发出的P个脉冲来确定PM被测转速，其测速原理如图39所示。检测时间T可由计数器对频率已知的计数脉冲所得计数值获得，P脉冲数由计数器得到。设计数器脉冲频率为，脉冲发生器每转输出PCMCF个脉冲，则检测时间T/。若在T时间内对P脉冲的计数值为，则可得到M/T法测CFMP得的转速测量值计算公式（R/MIN）60PCFMN（31）本设计中HZ，由于采用4倍频电路，故P41024。FC1062（R/MIN）60214PCMN（R/MIN）97PCTCTDMPMC脉冲发生器脉冲高频脉冲TBCA图39M/T测速原理图FIGURE39M/TSPEEDDIAGRAMM/T法中，不一定要求很准确，本系统中选等于相邻两个自然换相点的间隔，CTC即为333毫秒，这样可以节省定时器，测速时AT89C51单片机在A点响应同步信号中断，将预置常数FFFFH送入计数器并立即启动计数，到达B点后，单片机发出停止测速信号，的计数在B,C点之间停止。到达C点后，单片机读入、的值。预置定时器常数启MCMP动，开始下一次的测速，由于8253是减计数的，故必须将读到的、取反后，才能得CP到、。CP352转向的判别用M/T法只能测得转速的大小，在可逆系统中还需要判别转动的方向，PG脉冲发生器的输出J、K两个信号在相位上错开四分之一个周期，要使判别电路可靠的工作，两个单稳电路的延时都应小于四分之一个周期，通过判别电路由RS触发器的状态可以反映旋转的方向。电路及波形如图310所示。当Q0为反向运行，Q1为正向运行5。单稳单稳JKRSQ送去8155PC口DDDADB正向运行反向运行JKJKDKJKJKDK图310转向判别及波形图FIGURE310SHIFTANDWAVEFORMDISCRIMINATION36数字测速硬件电路的设计可编程计数/定时器8253有两个基本的功能，即定时和计数。除此之外还可以作为频率发生器、分频器、时钟、单脉冲发生器等。这些功能是通过对8253进行编程，写入控制字来实现的，本设计是计数器0和计数器1联合进行转速检测，两个计数器分别对和PM进行计数，D触发器用来计数与脉冲发生器同步由于8353为下降沿计数，故加入反CM1F向器G。AT89C51单片机的端给出启动、停止测速的信号。由于对检测时间T的测量最2P大可能有一个计数脉冲周期的误差，当N不变时，提高T时间内的值可提高对每个测速P脉冲周期测量的精确性。所以本设计采用用了4倍频电路来提高精度，减少测速时间和时间的滞后，改善了动态响应。PG脉冲发生器在有相位互差90的J、K两路来输出矩形波。4倍频电路的异或门G1、G2选用CD4070，J、K两路波形经G1异或后得到C点的2倍频波形为获得4倍频，R1、C1、G2组成一组边沿检测器，将C点的2倍频波形的上升沿及下降沿检测出来，便可获得D点的4倍频波形了。具体电路原理图如图311所示。82531F1CLK0GATE0GATE1D0D7GP13复位脉冲4倍频脉冲发生器频率P12启动、停止测速信号CLRQCPD11CPR1C1JK脉冲发生器MG1G24倍频电路CD图3118253转速检测电路图FIGURE3118253SPEEDDETECTIONCIRCUIT用计数器L定时采样时间，晶振频率为2MHZ，那样根据存入数值的不同采样时问也随之变化。这里设定采样时间为LMS。定时时间到后，申请中断。采用方式2进行计数，主要有三个原因一是因为方式2门控信号GATE的高、低决定了计数器的启、停；二是当GATE端出现上升沿信号或是重新启动时，计数初值会自动重新装入累加器中，使软件程序更加简单；三是当启动计数器后，输出OUT变为高电平，计数执行单元执行减L操作，减到0时，输出端OUT变为低电平，产生中断请求，进入中断程序中读取计数器0中的数值，进行转速的累加和计数。用计数器O对转速脉冲个数进行检测，采用方式0，那样当GAME端出现上升沿信号或是重新启动时，计数初值能自动重新装入计数累加器中；门控信号GATE也决定了计数器的启、停。由于累加器是减一操作，所以计数初值存入最大值00H。根据转速脉冲的发生频率，计数器的工作频率远远高于转速频率，不会出现在检测过程中漏检的现象；在单位采样时间内转速脉冲也不会超过这个存入的最大值。因此，此转速检测系统的设计是合理、可行的4。4数字调节器的设计41数字调节器的设计简介本设计先选用“模拟系统设计法”然后在经过离散化后送到ADC0809A/D转换器送往单片机进行全数字控制。本设计中AT89C51单片机是控制系统的核心，它主要具有数字自动调节功能，这时相当于典型的双闭环模拟系统中速度调节器和电流调节器的作用。它通过一定的算法实现自动调节，当采样系统的频率满足采样定理时，采样系统的特性接近于连续变化的模拟系统，即采样后的离散喜好能不失真的反映原连续信号的变化。所以下面我们先针对模拟系统中的电流调节器、转速调节器进行设计。411电流环的设计电流环的一项重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而不希望系统有超调，或者说超调量较小。从这点出发应把电流环校正成典型I型系统，根据控制对象两个时间常数变化可知典型I型系统的抗干扰恢复时间还是可以接受的因此按照典型I型系统来设计电流环节。电流环的动态结构图及其化简如图41所示。ACRACRACRTOIS11UISTSS1KSUCTSUD0S1/RTES1IDSOITS1A）US/IOITS1UCTSKS/RTSS1（）（ETS1）（B）UIS/K/RSTES1（）（TIS1）C图41电流环的动态结构图及其化简FIGURE41CURRENTLOOPOFTHEDYNAMICSTRUCTUREANDITSSIMPLIFICATION对于晶闸管装置可看成是一个具有滞后的放大环节。其滞后作用是由可控硅装置引起的，在设计中，为计算方便，在远小于系统其它环节时间常数时，可把它看成一阶ST惯性环节。由于电流调节过程比转速过程的反电动势变化快得多。计算时可暂时不考虑反电势的影响