（控制理论与控制工程专业论文）直流电机数字测控网络设计与研究.pdf

论文题目：直流电机数字测控网络设计与研究 专业：控制理论与控制工程 硕士生：夏尔宏( 签名) 鍪鱼! 丞 指导教师：杨世兴( 签名)熊j 、 、y 摘要 本文提出了采用下位机现场监控、现场总线通信、上位机集中管理构成直流电机的 测控网络的设计。它建立在由c a n 总线连接的计算机构成的管理主站与微处理器构成 的数字监测控制模块的主从式现场总线网络上，上位机的软件把现代化的微机测控技术 和传统的电机测试理论相结合，采用面向对象的编程技术，用v i s u a lc + + 6 0 作为开发 工具，设计出操作简单、可靠性高、可维护性好、具有交互式的图形界面的测试监控系 统。该软件系统具有阻下功能：( 1 ) 进行程序控制；( 2 ) 监视测试过程：( 3 ) 记录、整理并 分析测试结果，即将测得的数据进行分析处理，然后显示、打印或绘制图表并储存：( 4 ) 在测试过程中，通过控制台界面显示测试信息，可了解整个系统的运行状态。 其中上位机的波形的实时显示模块，相当于一个虚拟的数字示波器。该模块采用 c + + 语言编写，效率比较高，实时性较好，在工程中可以直接使用。下位机采用可编程 逻辑器件构成数字移相触发器，省去数字移相触发器与微处理器之间的d a 转换电路， 提高了抗干扰能力与可靠性。而上位机通信部分采用多线程技术进行数据接收，存储和 用户交互界面管理，提高了系统运行的效率和数据处理能力。 关键词：直流电机；c a n 总线；虚拟仪器；移相触发器 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：d e s i g na n ds t u d yo fd i g i t a lm e a s u r i n ga n dc o n t r o l n e w 棚叁f o rd cm o t o r s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n d c o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e： i n s t r u c t o r ： ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) ad e s i g no fd i g i t a lm e a s u r ea n dc o n t r o ln e t w o r kf o rd cm o t o rh a sb e e np u t s 奄鄹痰i nt h et h e s i s w h o s ef i e l dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gi m p l e m e n t sb ys l a v e m a c h i n e ，c o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t sb yf i e l d b u sa n dc e n t e ra d m i n i s t r a t i o n i m p l e m e n t sb yh o s tm a c 蚴e 。i ts e t su po bam a s t e r - s l a v ef i e l d b u sn e t w o r k c o n n e c t e db yc a n b u s ，w h i c hc o m p o s e do ft h em a s t e rm a c h i n eb a s e do i lc o m p u t e r a n ds l a v es i t eb a s e do nm c u t h ec o n t r o lo fm a s t e rm a c h i n ec o m b i n e st r a d i t i o n a l m o t o rt e s tt h e o r yw i t hm o d e r nm c a s u r t i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo fc o m p u t e r , t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi sp r o g r a m m e dm a i n l yw i t hv i s u a lc + + l a n g u a g ea n d u s i n go b j c c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) m e t h o d s t h es y s t e mh a sam u t u a lg r a p h s u p e r v i s i n gi n t e r f a c e ，a n di th a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l eo p e r a t i o na n d 毯垂l i a b i l i t y a n de a s ym a i n t a i n i n g t h es o f t w a r es y s t e mc a np e r f o r mt h ef o l l o w i n go p e r a t i o n ： ( 1 ) p r o g r a m m i n gc o n t r o l ；( 2 ) m o n i t o r i n gt h ep r o c e s so ft e s t ；( 3 ) r e c o r d i n g , a n a l y z i n g a n dd e a l i n gw i t ht h ed a t ao ft e s t ，d i s p l a y i n ga n ds a v i n gt h eu s e f u ld a t a , f u r t h e r m o r e ， p l o t t i n gt h et e s tc u r v e ；( 4 ) i nt h ep r o c e s so ft e s t ，p r o v i d i n gt h eo p e r a t i o n a li n f o r m a t i o n b yt h ec o n s o l ei n t e r f a c e 。 t h e d i s p l a ym o d e l o fr e a l - t i m ew a v e f o r mi nm a s t e rm a c h i n e ，w h i c hi se q u a lt o av i r t u a ld i g i t a ls c o p ei sc o d e dw i t hc + + l a n g u a g e i tc a nb eu s e dd i r e c t l yi np 抑o j e c t t h ed i g i t a tp h a s e - s h i f t e dt r i g g e ri ns l a v em a c h i n ec o m p o s e do fp r o g r a m m e dl o g i c d e v i c e i th a so m i t t e dt h ed ac o n v e r tc i r c u i tb e t w e e nt r i g g e ra n dm c u i ta l s o p r o m o t e st h ea n tj a m m i n gc a p a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t y t h ec o m m u n i c a t i o np a r to f m a s t e rm a c h i n ea d o p t st h em u l t i t h r c a dt e c h n o l o g yt or e c e i v e ，s t o r a g ed a t aa n du s e r a l t e r n a t i o ni n t e r f a c ea d m i n i s t r a t i o n ，p r o m o t e st h ee f f i c i e n c ya n dd a t ap r o c e s s i n g c a p a b i l i t yo fs y s t e m + k e y w o r d s ：d cm o t o r c a nb u sv i r t u a li n s t r u m e n tp h a s e - s h i f t e d t r i g g e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 娄料技太肇 学位论文独创性说明 y 9 2 3 0 1 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 7。、 学位论文作者签名：发尔吸日期：o 口6 盔岔 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名指导教师签名：橼 三口p f年历月2 曰 1 绪论 1 1 孳l 言 l 绪论 自动控制技术是当代发展最为迅速、应用十分广泛、最引人注目的高技术之一，也 是推动新技术麟命和新产业革命的核心技术。随着现场控制技术的研究和殿用，自动控 制技术已从单变鬣控制发展为多炎爨控制，对自动控制的要求己不仅是茯挎个别变量 f 襄渥覆、转数、毫压等) 弱稳定，瓣跫要求实褒多令交爨豹最霞控裁。分褥与设诗最霞 控制系统己成为现代控锚技术的蒸零内容。随着微型计算枫的出现，特剐怒微型计算机 应用于控制系统，为工业控制带来根本性的变革。 采用高可靠的智能化仪表、集敝控制系统和高级控制策略，在各个层次上实现优化， 己经成为工业自动化和计算机应用的标准模式。集散控制系统是以微处理器为基础的集 中分数控潮系统，窘7 0 年筑趣毽以来，在工监控剡领域褥到了广泛豹应羽。 随着生产邋程静大型纯，控制系统的复杂性匿益增麓，对于复杂竣、分敬的控铡对 象，由于它们往往是同时的、并行的工作，控制对象分布面又很广，因此搬它们联系起 来实现分布控制是现代控制技术的一个重要发展方向。 随着自动控制技术、微电子技术、通信技术等高新技术的发展，集散按制系统正向 全_ 开放、全数字他、全分教式发鼹，传统的d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 已经力不从 ，。耨兴豹戮王渡控摹l 瑗绣憨线为熬旗豹f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 我蛰d c s 是大势 所趋。 从上个世纪4 0 年代起，经过6 0 多年的发展，工业控制系统经历了以下几个阶段【1 1 ： 4 0 年代，笳一代过程控制体系结构p c s ( p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) 基于3 - 1 5 p s i 的 气动信号标准的基地式气动控制仪袭系统。 5 0 7 0 年代，第二饯过程控熬髂系缝穆模整控裁式a c s ( a n a l o gc o n t r o ls y s t e m ) 主要 使用4 - 2 4 m a 梭叛信号标准，_ l 鞋：阶段，自动测量与数攥处理装置主要使霜露较大规模的 化工工业生产中，6 0 年代初s c c ，d d c 系统得以应用。 7 0 年代初，随着小型、微型计算机的出现，自动测控系统进入集中控制阶段，即进 入第三代控制体系结构集中控制式c c s ( c o m p u t e rc o m r o ls y s t e m ) 。 7 0 年代中期以后，激处理器工攮豹逮速发震馊褥过援控割银快进入笈鞠代过程控裁 俸系结构集散羧铡式d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。d c s 技术是大系绫控制理论酶 具体应用，系统控制任务被分解到每个控制单元，系统内的各单元通过计簿机网络进行 组合从而可以藏活地组建集散控制系统d c s 。2 0 余年间，d c s 得到广泛应用与发展， 计算机与计算机网络技术在其中越丁关键的推动作用。 西安科技大学硕士学位论文 i i i i 进入8 0 年代特别是8 0 年代中期以后，工业生产的目标是实现全局优化，工业测控 系统己经向c i m s c i p s ( 计算机集成制造系统，计算机集成过程控制系统) 方向发展，测控 纹表开始鼓模掺他国数字豫、智熊能发曩，夔羞计算枫与诗算援瞬络技术豹飞速发展， 凌代诗算瓤楚耧系统中鹩诗算壤、徽缝瑾器越来越凌遗疆场，瑷代_ 蓬程控稍终系维褐开 始从集散控制向现场控制转化，8 0 簪代末至9 0 年代初，第五代现场控制式f c s 控制体 系结构( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 逐步形成。 1 2 直流电机控制技术的发展 在瑗筏纯豹工照生产过程中，瞧力黉魂占夺极其蘩黉懿逮建。霹霉调逮熬传动系统 而言，可分为煮流调速和交流调速。惑流电动机具有优良的调速特性，调遽平滑、方便， 易于在大范围内嶷现平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁地无 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，至今在 金属切削机床、造纸枫等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调 速系统至今仍然竣广泛适应凄予囊韵按割要袁较裹兹套耱生产部门。 直滚接动方式又分走发电橇一奄渤极传动帮鑫阕管爨流器一电动瓤传韵两辩目，两者 相比，晶闸管嶷流器电动机传动又舆有动作速度快、可靠性高、维护工作嫩小、故障 少、运行效率商、体积小、重量轻和占地面积小等优点。它的缺点是对交流电网的无功 冲击大，因而产生较大的起动压降；嵌的高次谐波会引超交流电网电压正弦波形的畸变， 于扰其它霜电设锯；运 亍功率因数低等等。但热对变瀛嚣采取特臻接线方式，逛抠遥路 霸两缝晶阕管窜袋，采爱矮蓐控丧l 方法霹强蕤赛功率露数，特爨是系统中聚鬟无功替偿 和谐波污染，为此，晶闸管交流交流器供电的直流传动装置具有广阔的前景。 随着晶闸管嶷流器供电传动技术的引进和发展，国内也进行了设计和制造，并取得 了良好的效果。闼前晶闸管元件的密照已经发展到4 0 0 0 v ，3 0 0 0 a 以上，直流快速断路 器的容量已扩展到6 0 0 0 a 以上。 嚣颞控裁鼓零豹发震历史，最镑久鬟采霸手动接朗，攀逶过銎测控麓对象豹狡态与 输出。其后，由于测量装置和各种控铆器的发展，控制方式逐渐由手动向自动控制过渡。 随着工业和军事发展的需要，自动撩制的理论和实践发展都比较快，反馈控制理论趋于 成熟。2 0 世纪5 0 年代末，现代控制理论体系也逐步形成。随着计算机技术和大规模集 成电路的发展，数字控制系统逐渐开始取代模拟控制系统。而信息技术和微处理器的普 及，控到系统鑫袋麓“集孛控制系绫”逐步发震为“集激燮整裁系统”骧及“分数型控 裁系统”。在这释髯景下，直流宅祝控铡系统自羞多劝畿亿、数字证、网络傀和梳电一 体化的方向发展，极大地提高了系统的可靠性和运行效率以及控制的精确性，并可实现 无人值守。 2 1 绪论 1 3 现场总线技术概况 从上世纪5 0 年代至今，控制技术经历了两次飞跃，一次是上世纪五、六十年代的 电气传动控制发展到以模拟信号为主的电子装置和仪器控制技术，第二次飞跃则是七、 八十年代集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的出现，把分散的、单回路的测 量和控制系统利用计算机进行统一管理。d c s 系统用各种输入输出功能卡代替了控制 室仪表，利用计算机高速运算的强大功能实现调节、运算、连锁、报警等功能，对控制 技术的发展起到了极大的推动作用。而现场总线技术的发展和成熟将带来第三次革命， 将是控制领域的主流技术。 现场总线( f i e l d b u s ) 是应用在控制现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多 节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络【3 】。它在制 造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用范围。它将d c s 的3 级结构改革为现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 的2 级结构，将 控制功能分散到现场设备。 现场总线的核心是它的协议，而其协议是根据国际标准化组织的开放式系统互联参 考模型o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r f a e e ) f 5 1 定的。o s i 参考模型最早是为通信技术而开发的， 是一种开放的七层网络协议标准。其具体参考模型如表1 1 。 现场总线的互联结构的应用与o s i 参考模型的应用是一样的，它们都可用面对对象 设计的概念来建立系统模型。通过这些模型，系统设计人员可以对系统的控制功能有更 清晰、全面的理解。 通过现场总线，控制节点相互连接起来。即通过对每台设各的功能建立模型，使之 成为相互独立的功能模块。现场中的控制功能由这些功能块完成，而控制节点间的参数 传递由这些功能块的互联完成。因此，现场总线控制系统即是一个开放通信网络，又是 一种全分布控制系统。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要 内容的综合技术。 现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络。它可与因特n ( i n t e m e t ) 、 局域网( l a n ) 相连，且位于现场控制和网络结构的最底层，因而有人称之为底层网络。 它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议。 西安科技大学硕士学位论文 表1 1 现场总线的0 s t 参考模型 七 六 五 四 三 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 从现场总线的定义和基本要求可以看出，现场总线技术的基本特点是： ( 1 ) 系统的开放性： ( 2 ) 互可操作性和互用性； ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自制性； ( 4 ) 系统结构的高度分散性； ( 5 ) 对现场环境的适应性。 自上世纪9 0 年代初以来，有几种现场总线技术己逐渐形成其影响并在一些特定的 应用领域显示自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对现场总线 的发展已经发挥并将继续发挥较大作用。下面简单介绍几种较为典型的现场总线技术。 ( 1 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是s i e m e n s 公司开发的，在欧洲广泛流行的一种高层次的总线标准通信协 议。p r o f i b u s 主要用于制造业的分布式控制，其数据传输率和网络规模应使用场合不同 而变化。p r o f i b u s 最大的特点是它的灵活性，用户可以在网络中添加或删除站点而不必 中断系统的运行。 ( 2 ) f o u n d a t b i nf i e l d b u s f f 基金会现场总线是由现场总线基金会提供的一种全新概念的通信标准，主要用 于工业过程控制和制造业自动化环境。开发和使用基金会现场总线的目的和意义在于实 现工业设备的互操作性和互替换性，其在标准制定过程中使用了大量的新技术和概念， 如基于面向对象设计技术的功能模块和动态调度器概念等。 ( 3 ) l o n w o r k s l o n w o r k s 是e c h e l o n 公司开发的数字通信协议。该协议支持多种低成本的通信媒体， 如双绞线、电力线、红外线、无线电射频、光纤和同轴电缆等。l o n w o r k 主要用于工厂 自动化、楼宇自动化等，由于它是一种基于嵌入式神经元芯片的总线技术，因此可以很 容易地组成高水准的现场总线系统。当用l o n w o r k s 组成一个客户机n 务器网络管理体 系结构时有极大的潜力。 l 绪论 汹c 溅 控带4 嚣局域网c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽 车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范己被i s o 国陌；标准化组织制订为国 际标准。由于褥到m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s i e m e n s ，n e c 等公司的支持，它广泛应用于离 数控割矮域。c a n 蛰议魄是建立在i s o 茨开放系统互联攘鍪豹鏊穑上，不过，英搂壅 结构只有两朦，即只取o s i 底层的物溅层和数据链路层。放其网络构造简单，性能价格 比高。 c a n 懿谊号费赣采惩短犊结梅，每一鲮的毒效数字节数为8 个，因嚣馋输彝重凌短， 受干抗的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联 系，使总线上的其它节点极其通信不受影响，具有较强的抗干扰黻力。 表1 2 列出了各秘现场总线的特点，在没有明确测试对象与环境以前，不能笼统地说 菜耱憨线魄蒸它慧线买鸯毯势。嚣i 逡，廷有在鹤确灏试对象与嚣凌瑷磊，君蕤袋照表1 2 作出选择。 表1 2 几种总线的特点统计表 1 4 基于c a n 现场总线的测控网络 本文搿蘩讨论静溅狡系统主要针对矗流电税送行溺控，传输距离通常在几百寒颤 内；同时由于测试现场环境相对恶劣，并且要求实时陛要好和外撞节点能力要强。综合 比较表1 2 可以发现，对于本文所要讨论的测控系统，c a n 总线具有以下几个优势： ( 1 ) 在熬矮传辕距凌豹壤援下，传辏速率褥到了德障； ( 2 ) c a n 总线上可戳接接1 1 0 个节点； 西安秭技大学硕士学位论文 ( 3 ) c a n 总线传输信号为数字信号，因此其抗干扰熊力强： ( 4 ) 与其它总线相比，c a n 总线的实时性好，开放性好，普及程度高； f 5 ) 对传输介艨要求不高，适合予瘫瑶测控。 逶_ 蓬一匕述分繇，我秘诀隽：与蓑它葸线携邃c a n 慧线菱适合痊焉到本文掰要设诗 的直流电机测控嘲络中，因此本文选择c a n 总线，在2 3 节中主要讨论c a n 总线。 1 5 本论文主要研究内容及论文结构 论文围绕直流电机的测控展开论述，首先在第一章介绍了直流电机控制技术和现场 慧线援寒豹发鼹帮磺究凌获缀了壤季蠢瞧圣会透。簇二章对系统载缰或窝关键技术骰了论 述，其中包括煮流电机的数字控制，c a n 总线的技术缎范和网络平台煎控系统的软硬 件的设计，第三辩论述了系统的软硬件调试，包括数字控制器的调试，电机器环节的调 试，硬件整体联澜，系统网络平台软件的调试和c a n 总线的通信部分的调试。第四章 通过分析实验数据对系统性能以及理论进行检验。最后第五章是论文的结论。 6 2 系统组成及其关蟪技术 2 。1 设计总体愚慧 2 系统组成及其关键技术 本设计采用：“直流电机+ 晶闸管变流+ 数字调控模t 块：+ c a n 总线通信+ 上位机监 控”构成系统平台。通过c a n 总线适配卡或转换卡，采用总线型拓扑结构，把现场总 线控制系绕唾；l 主筵和麸淤( 溅控装置) 互连起来，并按现场总线的物理层、数攒链路层、 应用层协议，实现网络的功镜。网络总体方案结构圈如图2 1 掰示： 图2 1 网络总体方案结构图 其中主节点隽上位枧，采用c a n 总线适配卡犊入总线，上健褫主要负责数据的接 毅，显示，班及集中管理；两籁节点沟带有各静c a n 接目的溅控模头，这鼙我们主要 设计并制作了直流电机的数字控制器，控制器在完成直流电机的测控工作同时将相关数 据通过总线传给主节点。总线的传输介质为双绞线，最高传输速率为1 m b p s 。通过c a n 总线，默苇患豹疆场设螯与主节点款+ 曼使凝梅戏了一令其套2 缀缝梭懿f c s 瓣终。 由于营流电机蓝溺的信号主要为模拟信号 4 】。丽数字控制器只能处理数字信号，所 以在信号采集的时候，必须进行模数( a d ) 转换。而对于晶闸管交流器电动机传动方式 的直流电枫调速系统，必须具有一个懿闸管的触发嘏路，通过触发电路来实现寂流电机 豹速度控翻。这里我镪慕矮可续程逻辍器 孛捣或嚣湖管翡鼗字黢发器，数字控藿l 器只需 要将控制触发的数字信号直接发给触发器就可以对赢流电机进行控制。而不用像采用传 统模拟触发器需要先将数字控制信号遂行数模转换( d a ) ，然后触发器根据模拟量来对 翕闽管全控糖进行辣冲皴发。传统方式不韪充分发撂擞处理器的缤息处理戆力；d a 转 换；i 起误麓和时间的延遴，影确控制精度；需要专稍的模叛触发装置或者融发芯片，硬 件电路复杂，成本增加。图2 - 2 是从节点的原理框图： 西安科技大学硕士学位论文 图2 2 从节点的原理框图 像这样的直流电机数字控制系统构成了一个从节点，多个从节点最终通过c a n 总 线与主节点进行连接，构成测控网络。 2 2 直流电机数字控制系统的原理及构成 直流电机数字控制系统从原理上分主要由供电主回路、微处理器、数字触发器、电 流、转速检测、a d 转换电路以及c a n 总线通信模块组成。其中供电主回路由直流电 机、平波电抗器、正反两组三相晶闸管全控桥组成。 直流电机转速n 的表达式1 5 j 为： 。：堡二生墨仔m i n 、 e 巾 、。 r 2 1 、 式中：u a 为电枢断电压( v ) ；i a 为电枢电流( a ) ；r 。为电枢电路总电阻( q ) ；中为 励磁通量( w b ) ；c 。为由电机结构决定的电动势常数。 从上式可以看出，直流电机转速n 的控制方法有三种： ( 1 ) 调节电枢电压，从而改变转速。属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求 大范围无级平滑调速的系统； 2 系统组成及其关键技术 ( 2 ) 改变电机主磁通。这种方法只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属 恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小： ( 3 ) 改变电枢电路电阻，在电动机电枢外串电阻进行调速。这种方法只能进行有级调 速，平滑性差、机械特性软、效率低。 改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用；弱磁调速范围不大，往往与调 压调速配合使用：因此，直流电机自动调速系统多以调压调速为主。 改变电枢电压主要有三种方式：旋转变流杌组、静止变流装置( 晶闸管变流装置1 、 p w m ( 脉宽调制) 变换器( 或称直流斩波器) 。 ( 1 ) 旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压。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 ) 采用晶闸管变流装置。供电的直流调速系统，通过改变晶闸管触发控制角n ， 进而改变整流电压u d 的大小，达到调节直流电动机转速的目的。它在调速性能、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。 ( 3 ) p w m ( 脉宽调制) 变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制， 调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称d c d c 变换器。因受大功率晶闸管最大电压、电流定额的限制，它还只能在中、小容量的调速 系统中取代晶闸管直流调速系统。 本设计是针对工业现场的调速装置，因此，要求功率范围宽，调速性能、可靠性、 经济性上都具有优越性，故采用晶闸管一电动机系统。 2 2 1 直流电机转速、电流双闭环调速系统 控制性能的要求：调速、稳速、加减速。一般来说，采用转速负反馈和p i 调节器 的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但在需要对系统动态 性能要求比较高的系统，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为单闭环系统中不能 完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。为了实现在允许条件下的最快起动，关 键是要获得一段使电流保持为最大值i d 。的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物 理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒 流过程。为实现转速和电流两种负反馈分别起作用。在系统中设置了两个调节器，分别 调节转速和电流。转速调节器的输出为电流调节器的输入，电流调节器的输出控制触发 器。形成了转速外环，电流内环的双闭环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统的 组成如图2 3 所示： 9 西安科技大学硕士学位论文 交流输入 图2 3 转速外环，电流内环的双闭环调速系统 l 图中a s r 为转速调节器，a c r 为电流调节器，t g 为测速发电机，t a 为电流互感 器，g t 为触发装置，u 。，u + 。为转速给定和反馈电压，u 。u i 为电流给定和反馈电压。 转速和电流两个调节器一般都采用p i 调节器，图2 3 两个调节器的输出都是带限幅作 用的，转速调节器a s r 的输出限幅电压u + 。决定了电流给定电压的最大值，电流调节 器a c r 的输出限幅电压u + i m 限制了晶闸管整流器的最大输出电压。 2 2 2 直流电机双闭环调速系统数字控制硬件的设计 6 1 转速，电流l 卜 a 爿洒磊磊 采样调理电路h | d i s p 聋线编 八a d uc 8 1 2 h lc a n 控制器 程接口r 1 厂 收发器 键盘b刮1 6 0 2 票盟 图2 4 运算控制核心结构框图 针对本课题和实验室现有条件，我们采用集成1 2 位a d c 、8 k f l a s h 、具备在线下 载( i s p ) 功能的a duc 8 1 2 微处理器来做运算控制核心。外接液晶，键盘，以及c a n 0 2 系统组成及其关键技术 总线接口芯片和数字触发器。其结构框图如图2 4 所示。 ( 1 ) a duc 8 1 2 的芯片引脚排列7 1 p 1 o ，a o c o 丌2 p 1 1 a d c l t 2 e x p 1 2 ，a d c 2 p 1 3 a d c 3 a v d d a g n d c r e f v r e f d a c 0 d a c l p 1 4 a d c 4 p 1 5 a d c 5 1 s s p 1 6 a d c 6 辫0 3tr-景。妻,lllz n 芒 垦 受 o d y u o - j u c 疗 p 2 7 ，a 15 ，a 2 3 p 2 6 ，a 14 ，a 2 2 p 2 5 a 3 ，a 2 1 p 2 4 a 12 ，a 2 0 d g n d d v o d x t a l 2 x t a l l p 2 引a 11 a 19 p 2 2 ，a 10 ，a 1 8 p 2 1 ，a 9 ，a 7 p 2 o ，a 8 a t 6 d 1 ，m o s i 图2 5a d g c8 1 2 的芯片引脚排列 ( 2 ) a d uc8 1 2 的i s p 电路1 8 j a d u c 8 1 2 微处理器为5 1 兼容内核，片内集成了高性能的自校准多通道1 2 位a d c ， 8 k 字节f l a s h ，6 4 0 字节e 2 p r o m ，2 5 6 字节r a m ，并具有包括看门狗定时器、电源监 视器和a d cd m a 功能，为多处理器接口和i o 扩展提供了3 2 条可编程的y o 线、1 2 c 兼容的s p i 和标准u a r t 串行口i 0 等。 由于a di j c8 1 2 具有片内8 k b 的f l a s h 和i s p 的功能，因而不需要任何硬件仿真器 就可以对a dpc8 1 2 的应用系统进行调试开发，通过标准的u a r t 串行接口便可以实 现用户代码的下载。但必须p s e n 引脚通过外部电阻拉至低电平，只要p s e n 引脚通过 芝nn l价zo。，e迁n丑 o t 节乜 凸z o o o o o 西安科技大学硕士学位论文 外部电阻拉至低电平，上电复位，手动复位后，a d1 tc8 1 2 都可以进入编程模式，我们 可以使用a d 公司的w s d 软件进行用户代码的下载，如图2 6 所示。 图2 6a d u c8 1 2 的1 s p 示意图 ( 3 ) 电流检测电路9 1 为了准确地取出电流反馈信号，而且能使主回路与控制回路相互隔离，本设计采用 3 只穿心式电流互感器作为电流检测元件，如图2 7 所示： abc jl ， 一 1 日1 c zzz l1 0 0 k = 一 _ _ i 一 l - 1 0 1 a fi o o j 一 扎16 i - ) z z 图2 7 电流检测电路 ( 4 ) 转速检测电路 1 0 1 本设计中的转速检测采用直流测速发电机。直流测速机实质上是一台直流发电机， 在恒定励磁下，测速机产生的电动势正比于轴上转速，所以只要将它与被测转速轴连接， 就能得到反应转速大小的电动势信号，该电动势信号与轴上转速之间有比较准确的线性 关系。将测速发电机输出的电压信号经r 1 r z c 组成的滤波分压电路后接入到电压跟随电 路进行隔离。电路如图2 8 所示： 2 系统组成及其关键技术 图2 8 转速检测电路 ( 5 ) c a n 总线接1 ：3 电路 电路主要由三部分所构成：独立c a n 通信控制器s j a l 0 0 0 、c a n 总线收发器8 2 c 2 5 0 和高速光电耦合器6 n 1 3 7 。s j a l 0 0 0 的a d o a d 7 连接到a d 1 tc 8 1 2 的p 0 0 p 0 7 口，c s 连接到7 4 l s l 3 8 的对应引脚上。s j a l 0 0 0 的r d ，w r , a l e 分别与a d1 tc8 1 2 的对应 引脚相连。i m 接a d u c 8 1 2 的中断0 。s j a l 0 0 0 的t x 0 ，r x 0 和收发器8 2 c 2 5 0 连接。 t j a l 0 5 0 的c a n h ，c a n l 通过5q 电阻后与c a n 总线连接【1 2 】，如图所示： 、傥啪 v c cv a d u c 8 1 2 s j a l 0 0 0 一，。 6 n 1 3 7 i 阳0 5 l2 4 t x 0f 雅 1 隅7 上一l 阳1 d 11 x i 5 9 0 i l6 r 一 阳2 4 8 2 f i ,嚣r x n 一”茹恬 纠砌c 札悼_ 3 j 刊 阳3 加! 珏一 萑蓟麓 阳4 t t2 1 t d 4 r x l 斗叫3 7 l。1 州=一a p 0 5 4 6 2 8 f o 6 4 5 1 裟c 1 9 0 t j l 7 4 4 2肼1 1 0 1 磊i 卜k _ 阳7 v d d l j - 2 0 1 33 0 p l m 2 55 v 齿 司；11 ；b 卧 职 2 4 6肋脚 8 i 怎蚶 l b 4 23 耵l v s s i丽 1 8 1 6 l 卫v s s 2坷 i n t o 丽丽v s s 3 地址映射电路 ! 图2 9c a n 控制器与收发器电路原理图 ( 6 ) 数字触发器【1 3 】 下图为三相全控晶闸管的触发脉冲相序关系： ；题缸 图2 1 0 三相全控晶闸管的触发脉冲相序关系 西安科救大学硕士学饭论文 i i q 三相全控羲由6 只爨凌管组成，共鞠极组铡寒共嬲极缓餐| 的签3 只晶阑管程互换滚， 在电源豹1 个厨期内获得6 次换流静躲动波形。三搁全控桥式整流电路在任何射刻必须 保证有两个不同组别的晶闸管同时导邋才能构成回路。换流只在本组内进行，每隔1 2 0 。换流一次。出于共阴极缀与共阳极缀的换流点相隔6 0 。，所以锊隔6 0 。有个元件换 流。露组痰器晶浸警静麓发躲洚程垃麓隽1 2 0 。羧在嚣一楣懿薄个元箨瓣戆发辣渖稳 位差为1 8 0 。，而相邻两脉冲的相位差魁6 0 。在晶闸管整流电路中，各晶闸管的触发脉 冲必须与加在晶闸管上的交流主电源电压有相对固定的相位关系( 即各管的触发时刻与 主电源电匮瓣菜一令霾是憋摆位点之闼辐差一个控制热程) ，怼应运一魅发时刻的脓渖豫 为同步脉冲。根据同步脉、舜的不同，触发方式分为缀对触发和耩对触发方式。绝对触发 方式是指每一触发脉冲的形成时刻均由同步基准决定，这在三相桥式电路中就需要有六 个同步基准交流电压；而棚对触发方式仅需一个同步基准。当第一个脉冲由同步基准产 生螽，霉淤第一令簸发躲砖终为下一个麓发瑟净懿麓准。在三麓疆式毫薅中，涎程邻皴 发脉冲之间相差6 0 。电角度。本系统采用相对触发方式。 通过触发脉冲分析不雅发现，不管电路的移相触发角为多少，若以a 相电聪的过零 点终为同步点，赠扶同步点开始鲍一个周期3 6 0 。内，必然产生6 次输出脉冲( 游戈双窄 脉冲，剐每次同对有两旃输出) ，繇每6 0 。肉登然产生1 次躲、饽输出，僵怒每次在第 一个6 0 。威该输出哪两路，取决于移相角的大小，此后每隔6 0 。输出两路脉冲。因此 将一个周期划为6 个区域，每区为6 0 。荠分别编号，设脉冲发出时刻距每区超始点的 蹙度尧a ( 移稠角) ，麓8 3 0 。( 稔援霹d 在第一菠嚣) ，在鼹曩步点g = 3 0 4 + q 处，向晶阍管a + ，b - ( 1 和6 号) 发触发脉冲；蓿3 0 。 1 5 0 。时( 称此时n 在第四范嘲) ，则在第四区向a + ，b ( 1 和6 号) 发触发脉冲，而在第 一个6 0 。隧阙应绘b + ，a 。f 3 帮4 鼍) 发魅发豫羚，_ l 龟薅g 一g 1 5 0 。摄据该思 路确定第一个6 0 。区间输出脉冲的晶阐管编号，以店每隔6 0 。给耜应两个潞阐管提供 脉冲输出。通过该设计思路很好地解决了不同移相角范围触发脉冲的输出问题。 由三樱晶闸管数字移糨全控触发魄路工作原理w 以构画出图所示的功能橇图。在本 设计孛经搦a i t e r a 公司懿e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 一1 5 可缡稷逻辑器俘耪v h d l 语害缡程设诗 功能模块【1 “。可编程芯片的工作电压为5 v ，频率为1 2 5 m h z 。该部分电路要完成的功 能是：将单片机向其寄存器写入的移相数据作为计数初值，以过零点相对应的脉冲信号启 动计鼗器，计数溢出磊产生移相熬冲+ 经过脉净展宽、於发和调制等处理爱输感绘脉；串 功率放大电路。 2 系统组成及其关键技术 图2 11 三棚晶闸管穆相触发器功能原理框圈 整个移楣触发器的设计思路为：当输入数蠡使熊端置高电平，移相角度戳窜行数据方 式输入到1 0 位移位寄存锁存器中，当l o 个输入时钟周期后，数据众部送入并被锁存，同时 计算出相应的移相角n 角。这时，同步信号( s y n ) 被作为移相计数器的启动信号。一旦 弱步售号戆一令上舞滔至l 亲，齐始襄动移稳诗鼗嚣；姿这交。囊瓣，癌动熬；孛诗鼗器，产 生移相脉冲p 1 p 6 。触发器外部接口和功能如表2 1 所示： 表2 1 兰相晶闸管移相触发器外部接口 ( 7 ) 三裙同步电路 为保谈艇发踩砖与主弱路交流魄滚其舂藕嗣爨复频率，魅黢电路必籁输入同步信 号，同步信号经整流变联器次级直接嫩出，如图2 1 2 所示：通过电阻电容组成的限流 移相网络秽相3 0 。后，由光祸隔离传输到次级，形成触发电路所需的同步信号。 西安科技太学硕士学位论文 圈2 。1 2 三相同涉穰路 v a v b v c 2 2 3 直流电机双闭环调速系统数字控制算法“” 由于盛滚调速系统的电滚环和转遮环所要求鲍响应缀快，因此要求控制软传在极短 时闻内完藏秘个阕耳的经号采祥、数字滤波、p i 运舞和数字簸笈。丽其中采释箍麓豹选 择起着重要的作用。本节以直流电机逻辑无环流控制器设计为例，讨论如何实现直流电 机调速系统中电枢电流、电机转速、可逆系统无环流控制以及触发脉冲的产生。 ( 1 ) 魄枢电渡控奄l 黪法“” 首先，纛流电机谲遮系统中，电流给定通常是转速调节器的输出，电流疑馈信号经 a d 转换获得。电流调节器根据给定与反馈信号的麓值对晶闸管的控制角进行控制，从 丽实现对嘏枢电流的控制。用来实现魄流控制的算法很多，下面讨论常用的p i d 调节算 法。 饰) = 鬻= k v 万1 哪) ( 2 2 ) 对上式褒教纯、z 变按压，簿至数字调节器懿z 蕊递函数 盼鬻= 即篙+ 竽”z s ， 进而得到数字增量式p i d 算式： 科女= 甜女一甜 一i = 定p 【( 窖女一g 一1 ) + 争t + ( g 女一2 e 女一1 k - 2 ( 2 4 ) 式z x “；。= * t 一；2 ：，r ，c e p t e * 一t ，1 i ；8 t _ ! e e t 2 9 t 一，_ g t 一：，；2 ，4 。努，。受。 1 6 ；。；一。；。；三垒丝鎏查垒叁叁堡些耋二；。；。； 爨系数；聱；髭，鲁茺积分系鼗；爱# 一等必徽分系数：f 戈聚襻躅蘩；霉为积分常 数；l 为微分常数。由式可知，根据前后3 次采样偏差值就可求出血。，从而节省了大 量的存储空间；p 、i 、d 三部分相互独立，用它编程可清楚看出锫部分参数变化对系统 经蔻戆影嚷。 合爿一坼( 1 + 号+ 争) 。占一一酢( 1 + 2 争) ，c = 坼争则得到式