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A056 dq 数字化 闭环 可逆 直流 PWM 调速 系统 研究

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浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）题 目：全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统的研究作 者： 章宏方 系 （部）： 信息与电子工程系 专业班级： 工业电气自动化 指导教师： 叶文通 职 称： 讲师 2006年06月01日I系毕业设计（论文） 摘 要 当今，自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。 微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术。在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理，并给出了软、硬件实现方案。该方案以89C52微机为核心，分别采用了8255, 8253, 8279, ADC0809, 741914等芯片与一些外围电路。通过实时测试与调节电动机的转速/电流，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。关键词：直流可逆调速，数字触发，PWM，数字控制器 Abstract Today, autocontrol systems have been widely used and deleloped in every Walk of life, while DC speed regulation as the artery in the area of electric drive systems acts the main effect in modernization production. DC speed regulation is mainly made up of control unite, power unite and DC motor. For a long time，DC motor has possessed the main role in the area of electric drive field because of its neatly adjust, easy method and smooth timing in wide rage, also, its control performance is very good.With the rapid development of microcomputer, it is widely used in the control field. This paper reserches reversible DC-PWM timing system with a dual-converter and dual-closed-loop. Beginning with the theory of the DC timing system, this article has build up the maths model of the reversible DC-PWM timing system with Central a dual-converter and dual-closed-loop，discussing a microcomputer with DC-drive. Based new method that 0n the overall review of control object, the emphasis is put on the part of control system, which includes the discussion of hardware and software, control policy and algorithm, etc. In the hardware, it fully utilizes the advantage of microcomputer that are abundant interface and fast speed so as to realize the control of the system.This paper analyzes the working principles of the system and some key technical issues of the application based on the IGBT apparatus, which include drive circuit,snubber circuit,protection and controlling the quantity of heat, and so on.In the aspect of microcomputer control, it has discussed the principle of number touch off、number velocity testing、current/velocity controller、number PWM modulator and presents the hardware/software scheme to achieve it. This scheme is based on the core of 89C52 single chip, using the chips of 8255/8253/8279/ADC0809/74191 and some peripheral circuits. By real time testing dand adjusting the motors velocity/current, this timing system can get quick and exact timing result.Keywords: reversible DC timing system, number touch off, Pulse-Width Modulation, number controller 目 录 第1章 引言.1 1.1电气传动技术发展现状. .1 1.2微机控制电机的发展和现状.1 1.3电机微机控制系统的特点.2 1.4本课题在实际应用方面的意义和价值.2第2章 单闭环控制直流脉宽调速系统. 4 2.1单闭环直流调速系统简介. 4 2.1.1直流电动机的调速方案. 4 2.1.2调速系统的静态指标. .5 2.2开环系统机械特性和闭环系统静特性.6 2.3采用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统.7 2.4比例积分单闭环脉宽控制系统(无静差系统).8 2.5本章小结 .9第3章 微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计. 11 3.1转速、电流双闭环调速系统及其静特性.11 3.1.1问题的提出.11 3.1.2转速、电流双闭环调速系统的组成.12 3.1.3稳态结构图和静特性.13 3.1.4各变量的稳态工作点和稳态参数计算.14 3.2双闭环脉宽调速系统的动态性能.15 3.2.1动态数学模型.15 3.2.2起动过程分析.15 3.2.3动态性能和两个调节器的作用.17 3.3电流调节器和转速调节器的设计.18 3.3.1电流调节器的设计.18 3.3.2转速调节器的设计.19 3.4可逆PWM变换器.20 3.4.1可逆PWM变换器上作原理.20 3.4.2 IGBT缓冲电路. 23 3.5脉宽调速系统的开环机械特性.24 3.6脉宽调速系统的电流脉动量和转速脉动量.25 3.6.1电流脉动量.25 3.6.2转速脉动量.28 3.7脉宽调制器和PWM变换器的传递函数.31 3.8电力晶体管的开关过程、开关损耗和最佳开关频率. 31 3.8.1开关过程.31 开通时间.31 关断时间.32 3.8.2开关损耗.33 3.8.3最佳开关频率.33 3.9本章小结.34第4章 双闭环可逆直流PWM调速系统的硬件设计.35 4.1双闭环可逆直流PWM调速系统简介.35 4.2双闭环可逆直流PWM调速系统总体设计.36 4.3主要芯片的选择 .36 4.3.1单片机的选择.36 4.3.2 8253可编程定时器/计数器芯片.37 4.3.3 8279 可编程键盘、显示接口芯片.37 4.3.4 A/D转换芯片ADC0809.38 4.4高精度数字测速电路 .38 4.4.1 M/T法测速原理.39 4.4.2数字测速硬件电路.40 4.5键盘/显示接口.40 4.6全数字PWM调制器.42 4.7泵升电压限制电路. 43 4.8本章小结.44第5章 调速系统的软件设计.45 5.1软件设计的基本要求.45 5.2软件的结构设计.45 5.3软件的编制.47 5.3.1微机头文件的设置.47 5.3.2主程序设计.47 5.3.3数字电流调节器和数字转速调节器的算法及软件实现.49 5.4系统的软件抗干扰措施 .53 5.4.1模拟输入信号的噪声滤波 .53 5.4.2防止程序运行失常的软件措施 .54 5.4.3软件冗余技术 .55第6章 硬件电路的改进.56第7章 总结.58参考文献.59致 谢.60附录A 系统硬件原理图.61附录B 系统程序清单.62 67第1章 引言1.1电气传动技术发展现状电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电机种类的不同分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简称交流传动)、步进电机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传动)等等。众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术己广泛应用于国民经济的各个领域。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用己久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了一次大的跃进。同时，控制电路己经实现高集成化、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，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电气传动技术的研究和应用己达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍然处于主要地位。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，直流传动系统己经广泛使用微机，实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，直流传动控制采用微机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。1.2微机控制电机的发展和现状微机，出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在己普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统。为了提高性能，在先进的数控交流伺服系统中，己采用高速数字化处理芯片(DIGITAL SIGNAL PROCESSOR，简称DSP)，其指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令。1.3电机微机控制系统的特点 目前，很多电机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的发展方向。在微机控制系统中，通常是既有模拟信号，也有数字信号；既有连续信号，也有离散信号。由于计算机的CPU只能识别和处理数字信号，而且只能一次次离散地处理，所以计算机处理外界信息时总要有一个采样过程，电机微机控制系统必然是一种采样控制系统。 电机采用微机控制，还具有以下特点: (1)硬件比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化。 (2)可以分时操作；一台微机可以起多个控制器的作用，为多个控制回路服务；也可控制多个电机，完成较多功能。 (3)计算机具有记忆和判断功能，系统的控制方式由软件决定，若要改变控制规律，一般不必改变系统的硬件，只需按新的控制规律编出新的程序即可；且可在运行中随时根据不同的电机上作状态，选择最有利的系统参数、系统结构及控制策略等；使系统具有很强的灵活性和适应性。 (4)计算机的运算速度快，精度高。它有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此有可能实现复杂的控制规律，如采样参数辨识优化控制等现代控制理论所提供的控制算法，以达到较高的控制质量。 (5)数字量的运算不会出现模拟电路中所遇到的零点漂移问题，被控量可以很大，也可以很小，都较易保证足够的控制精度。 (6)信息处理能力强，可以完成各种数据的处理，及时给操作人员提供有用的信息和指示。正因为有上述优点，电机微机控制的理论及应用发展得非常迅速，新产品不断涌现和普及。1.4本课题在实际应用方面的意义和价值电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速己发展到一个很高的技术水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。 采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广；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动，制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格比，所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。近年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机良好的启动、制动性能，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用.现阶段，我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用，国外先进的控制器价格昂贵，研究及更好的使用国外先进的控制器，具有重要的实际意义和重大的经济价值。第2章 单闭环控制直流脉宽调速系统在现代化工业生产中，生产机械都不停地运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。2.1 单闭环直流调速系统简介2.1.1 直流电动机的调速方案由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式为 （2-1）由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种：1. 改变电枢回路总电阻R 如图2-1，总电阻R越大，特性线斜率越大，机械特性越软。若负载转矩为TL，对应所需的电枢电流为IaL，则负载大小不变时总电阻越大，转速越低。由于电阻耗能大，机械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。 图2-1 变电阻调速特性 图2-2 弱磁调速2.减弱电机励磁磁通Q 普通电动机在额定磁通下运行，铁芯己接近饱和，不能再增加磁通而只能减小。如图2-2，Q减小，n。增大，特性线斜率也增大。弱磁调速虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。3.改变电动机端电压调速 如图2-3，额定励磁保持不变，理想空载转速n。随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。 图2-3 改变电枢电压调速特性变电压调速要有可调的直流电源。根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控硅变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，将交流电通过整流提供直流电源，实现脉冲调压调速。随着电力电子全控器件的成熟，采用全控电力晶体管IGBT、 MOSFET等全控式电力电子器件组成的直流脉宽调制(PWM)型的调速系统近年来己发展成熟，用途越来越广。2.1.2调速系统的静态指标第一个指标为调速范围D，它是拖动系统在额定负载转矩时能够提供给生产机械的最高转速与最低转速之比。 （2-2）另一个指标为静差率s，它是电动机由理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速n。之比。 (2-3)它表示负载变化引起调速系统的转速偏离原定转速的程度。系统的调速特性越硬，s越小，说明系统的稳定性能越好。另外，转速越低，静差率越大，故调速系统静差率指标以最低转速对应的数值为准。在考虑生产机械对转速相对性(即静差率)的要求后，电动机最低转速受到了限制，也即调速范围受到限制。采用降压调速时，调速范围、静差率及转速降三者关系为： (2-4)2.2开环系统机械特性和闭环系统静特性在这里为了分析简单，不单独讨论开环系统，由简单闭环系统引出开环系统的特性。 图2-4 闭环调速系统如图2-4的转速闭环调速系统，如果把闭环系统的反馈回路断开，就成了开环系统，则上述系统的开环机械特性为 (2-5)而闭环时的静特性可写成 (2-6)其中n0op和n0cl，分别表示开环和闭环系统的理想空载转速 ；nop和ncl分别表示开环和闭环系统的稳态速降；。比较式(2-5)和(2-6)可以得出以下结论。（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降分别为 它们的关系是 (2-7)显然，当K值较大时，ncl比n0op小得多，即闭环系统的特性要硬得多。( 2 ) 如果比较同一n。的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为 和当开环和闭环系统的稳态速降相等(即n0cl = n0op)时， (2-8)( 3 ) 当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。如果电动机的最高转速都是，而对最低速静差率的要求相同，则开环时， 闭环时， 考虑式(27)可得 (2-9)要取得上述优越性，只要闭环系统设置放大器即可。总之，闭环系统可以获得比开环系统硬得多的特性，从而保证在一定静差率的要求下，能够提高调速范围。在闭环系统中降低速降的实质是：在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速就降下来了；闭环系统有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了，通过比较和放大，提高脉宽调制的输出电压Ud，使系统上作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。2.3 采用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统 采用比例调节器的单闭环控制脉宽调速系统的动态结构图如图2-5a所示。当Un* = 0时，只有扰动输入量Idl，这是的输出量即为负载扰动引起的转速偏差(即动态速降) n，可将动态结构图画成如图2-5b的形式。a）一般情况b) Un*=0图2-5 采用比例调节器的闭环有静差调速系统结构图利用反馈连接等效变换法则，可得 (2-10)于是 (2-11)突加给定时， 利用拉氏变换的终值定理可求出负载扰动引起的稳态误差： (2-12)上式说明采用比例调节器的闭环控制系统是有静差的。2.4 比例积分单闭环脉宽控制系统(无静差系统)用比例积分调节器控制的闭环调速系统当Un* = 0时的动态结构图如图2-6所示。图2-6 比例积分调节器控制的闭环调速系统结构图和前面的推导方法一样，在这里， (2-13)则稳态速率为 （2-14） 因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。显然，只要调节器中有积分成分，系统就是无静差的。还可以得出如下的结论：只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，这个恒值扰动便不会引起稳态误差。如果积分环节出现在扰动作用点以后，它对消除静差是无能为力的。严格说来，“无静差”只是理论上的，因为积分或比例积分调节器在稳态时电容两端电压不变，相当于开路，运算放大器的放大系数理论上无穷大，所以才能在输入电压Un* = 0时，使输出电压Uct为任意值。实际上，这时的放大系数是运算放大器本身的开环放大系数，其数字虽大，还是有限的，因此仍存在着很小的Un，也就是说，仍有很小的静差n，只是在一般精度要求下可以忽略不计而己。2.5本章小结本章讨论了改变电枢电压来实现调速控制是直流调速系统的可行方案。简要介绍了直流调速系统的两项重要调速指标：调速范围D与静差率s。系统的静差率是指最低转速时的静差率。系统的调速范围是指满足一定静差率条件下的调速比。两项指标同时关联，只有同时提出才有意义。开环调速系统可实现较大范围的转速平滑调节，但静态速降大，机械特性不硬，当对调速精度有较高要求时不能满足具有一定静差率的调速范围的要求，需引入转速负反馈，这样将负载扰动引起的静态速降减小为原系统的1/(1+K)，因而在一定静差率的调速范围扩大(1+K)倍，或者说在一定调速范围内减小了静差率。作用在闭环系统反馈环内主通道上的各个环节上的扰动都会受到闭环反馈调节作用的抑制，这些扰动作用最终造成的转速变化量都将被减小。有静差调速系统其控制量与偏差成正比，只能减小偏差而不能消除它，其根本原因是采用了比例调节器。若换为PI调节器，则系统的控制量与调节过程中偏差对时间的积累成正比，稳态时偏差为零，依靠积分调节器的记忆作用保持一定的控制量，这样便成为无静差的调速系统。 第3章 微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR, MOSFET、IGBT等电力电子器件组成的直流脉冲宽度(PWM)型的调速系统近年来己经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统(V-M系统)相比，在很多方面具有较大的优越性：(1)主电路线路简单，需用的功率元件少；(2)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；(3)低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；(4)系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；(5)主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；(6)直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。3.1转速、电流双闭环调速系统及其静特性3.1.1问题的提出由前面的分析可知，采用转速负反馈和PI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。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起、制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截至负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形如图3-1所示。当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下，希望充分利用电机允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形见图3-2，这时，起动电流呈方形波，而转速是呈线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。图3-1 带电流截至负反馈得单闭环调速系统启动过程图3-2 理想快速启动过程实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图3-2所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键要获得一段使电流保持为最大值Idm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就应该得到近似的恒流过程。问题是希一望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转矩负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳定转速后，又希一望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢?双闭环调速系统可以解决这个问题。3.1.2转速、电流双闭环调速系统的组成为了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，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，如图3-3所示。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM调制器。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。3.1.3稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图3-3所示。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和：输出达到限幅值；不饱和：输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是为零。图3-3 双闭环调速系统稳态结构图 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。(一)速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此 Un*=Un=n和 Ui*=Ui=Id由第一个关系式可得： （3-1） 从而得到图3-4静特性的n0 - A段。 与此同时，由于ASR不饱和， Ui*Uim*，从上述第二个关系式可知：Id Idm。这就是说，n0 - A段静特性从Id = 0(理想空载状态)一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流Idnom的。这就是静特性的运行段。 (二)转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 （3-2）式中，最大电流Idm是设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(3-2)所描述的静特性是图3-4中的A-B段。这样的下垂特性只适合于nn0的情况。因为如果nn0，则UnUn*，ASR将退出饱和状态。图3-4 双闭环调速系统静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截至负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。3.1.4各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图3-4 可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 （3-3） （3-4） （3-5） 上述关系表明，在稳态上作点上，转速n是由给定电压Un*决定的，ASR的输出量Ui*是由负载电流Idl决定的，而控制电压Uct的大小则同时取决于n和Id ,或者说，同时取决于Un*和Idl。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数： （3-6）电流反馈系数： （3-7）两个给定电压的最大值Unm和Uim是受运算放大器的允许输入电压限制的。3.2双闭环脉宽调速系统的动态性能3.2.1动态数学模型考虑到双闭环控制的结构可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图3-5所示。图中和分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电机的动态结构图中必须把电流Id显露出来。 图3-5 双闭环脉宽调速系统的动态结构图3.2.2起动过程分析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起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压Un*由静状态起动时，转速和电流的过渡过程如图3-6所示。由于在起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，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别以I、II、III。图3-6 双闭环脉宽调速系统启动时转速和电流波形第I阶段0t1是电流上升的阶段。突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Ud0 、Id都上升，当IdIdl后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压Un = Un*Un数值较大，其输出很快达到限幅值Uim*，强迫电流Id迅速上升。当IdIdm时，UiUim*，电流调节器的作用使Id不在迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。 第II阶段t1t2是恒流升速阶段。从电流升到Idm开始，到转速升到给定值 n* (即静特性上的no)为止，属于恒流升速阶段，是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于是开环。系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定(电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节环的结构和参数)，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长(图3-6)。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，Ud0和Uct，也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压Un = Un*-Un必须维持一定的恒值，也就是说Id应略低于Idm。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不饱和的。第III阶段t2以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速己经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电机仍在最大电流下加速，必然会使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压Ui*立即从限幅值降下来，主电流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于负载电流Idl，在一段时间内，转速任继续上升。到Id = Idm时，转矩Te=Tl，则dn/dt = 0，转速n到达峰值(t=t3时)。此后。电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小于Idm的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量以Ui*，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。3.2.3动态性能和两个调节器的作用(一)动态跟随性能如上所述，双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应该强调有良好的跟随性能。(二)动态抗扰性能1.抗负载扰动由图3-5动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。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)，必须在设计ASR时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。2.电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。例如图3-7a的单闭环调速系统，电网电压扰动Ud和负载电流扰动Id都作用在被负反馈包围的前向通道上，仅静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的位置不同，还存在着及时调节上的差别。负载扰动Idm作用在被调量n的前面。它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器ASR上得到反映。电网电压扰动的作用点离被调量更远，它的波形先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，己经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环(图3-7 b)，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后，才在系统中起作用。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。a)b)图3-7 脉宽调速系统的动态抗扰性能 a) 单闭环脉宽调速系统 b) 双闭环脉宽调速系统(三)两个调节器的作用 1.转速调节器的作用 (1)使转速n跟随给定电压Um* 变化，稳态无静差。 (2)对负载变化起抗扰作用。 (3)其输出限幅值决定允许的最大电流。 2.电流调节器的作用 (1)对电网电压波动起及时抗扰作用。 (2)起动时保证获得允许的最大电流。(3)在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Ui*变化。(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全饱和作用。如果故障消失，系统能够直动恢复正常。3.3电流调节器和转速调节器的设计我们现在采用一般系统调节器的上程设计方法具体设计双闭环调速系统的两个调节器。由工程设计法可知，设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环逐步向外扩展。在这里，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.3.1 电流调节器的设计图3-8 电流环的动态简化结构图由双闭环系统动态结构图可看出外环通过反电动势E对内环产生影响，但是由于实际系统中处于外环的系统机电时间常数Tm比内环的时间常数大得多，机构经ACR对内环效正后其输出量Ia (t)的动态过程变化很快，而反电动势E的变化过程E（t）相对来说是缓慢的。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变。因此在设计电流环时可以简化计算略去反电动势E对内环地影响，将电流闭环的动态结构简化为单位负反馈形式并将脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间T与电流反馈滤波时间Toi两个小的时间常数所对应的两个小惯性合并为一个小惯性时间环节，即Ti=T+Toi，于是得到如图3-8的电流简化动态结构图。 电流环即可设计成典型I型系统也可设计成典型II型系统，一方面取决于对电流环的动态要求，并且典型I系统的跟随性能优于抗扰性，而典型II型系统的抗扰性优于跟随性。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环效正成典型I系统。另一方面电流环还有对电网电压波动及时调节的作用，为了提高其抗扰性能，有希望把电流环效正成典型II系统。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比Tl/ Ti10时，典型I系统的抗扰恢复时间还是可以接受的，因此，效正成典型I型系统，显然采用PI调节器，其传递函数为： （3-8）电流调节器的参数包括Ki和i，为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，取i = Tl 。按二阶最佳系统效正，在一般情况下，希望超调量%5%时，查表得阻尼比=0.707 ，Ki Ti = 0.5，因此 （3-9）3.3.2 转速调节器的设计由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型I型花或是典型II型化，在一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为： （3-10）若典型I型化且=0.707 , Ki Ti = 0.5，则=2。若典型II型化h=5, m=0.1，则=5/6。由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数Ton与电流环等效时间常数Ti，合并为转速环小惯性时间常数Tn。由于要求转速对负载扰动无静差，则在ASR中必须含有积分环节，取ASR为PI调节器，因此转速环必然按典型II型系统设计。若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速环的动态结构图如图3一9所示，这里有 （3-11）图3-9 转速调节闭环等效动态结构图可见，上图已具备典型II型系统的标准形式，ASR调节器的参数按以下各式计算即可 （3-12） （3-13） （3-14）3.4 可逆PWM变换器3.4.1 可逆PWM变换器工作原理 可逆变换器主电路的结构形式有H型、T型等多种类型，现在选用常用的H型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。本设计选用双极式H型PWM变换器。 图3-10绘出了双极式H型PWM变换器的电路原理图。4个IGBT选用德国西门子公司生产型号为SKM 50GB123D，二极管选用MOTOROLA公司生产的超快恢复功率二极管，型号为MUR200 40CT，反向恢复时间小于50ns基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ub1，和Ub4 ；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1。它们的波形如图3-11所示。在一个开关周期内，当0tton时，Ub1和Ub4为正，晶体管VT1和VT4饱和导通；而Ub2和Ub3为负，VT2和VT3截止。这时，+Us加在电枢AB两端，Uab = Us电枢电流id沿回路1流通。tontT/2，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时ton2对将降低tr好处不大。图3-17 纯电阻负载时晶体管的开关过程时间曲线关断时间从基极电压变负开始，到电流Ic哀减到零，晶体管完全截至的时间称作晶体管的关断时间toff。关断时间包括存贮时间ts和下降时间tf，即toff=ts +tf 。在存贮时间内，由于基区存有少数载流子，发射结仍处于正偏置，晶体管的工作点一直位于饱和区，Ic没有明显的减少。存贮时间ts可用下式计算 （3-53） 式中，K2为晶体管截至时的负向过驱动系数。如果增大K1，则存贮时间ts也增加:若增大K2，则导致ts减小。一般K2选择载12的范围内比较合适。若截至驱动电流Ib2是理想脉冲电流，则晶体管退出饱和区后关断时集电极电流的下降过程为 （3-54）初始条件是t=0时，Ic(0)Ics，代入上式得 （3-55）当t=tf时，Ic0.05Ics，代入上式，得到下降时间为 （3-56）如果增大k2，则下降时间减小，如果电流Ib2不是阶跃变化的，则下降时间增大。3.8.2 开关损耗 PWM变换器的功率损耗应包括饱和导通损耗、截至损耗和开关过程中的动态损耗三部分。饱和导通时，管压降只有0. 7V,截至时，漏电流只有几毫安，损耗都很小，应此动态损耗是开关工作时的主要损耗。晶体管的开关过程包括开通过程和关断过程。开通过程主要是集电极电流的上升时间tr,关断过程包括存贮时间ts和下降时间tf在存贮时间内，晶体管仍处于饱和导通状态，电流Ics虽大，但管压降很小，因而功率损耗不大，和下降时间内的损耗相比也可以忽略不计。因此动态损耗主要是ts和tf两段时间内的开关损耗。由于在开关过程中Ic和Uce的变化规律与负载有关，所以开关损耗也因负载而异。对于一般情况下，大多都是带续流二极管的电阻一电感负载，在这种情况下电流Ic的增大和减小都是在Uc=Us的条件下进行的。当电流仍按线性规律变化时，一个开关周期内的动态损耗为 （3-57）每秒动态损耗为 （3-58） 动态开关损耗仍与开关频率和开关时间成正比，在(tr+tf)和f都相同的情况下，动态损耗时纯电阻负载时的三倍。由于在电机拖动系统中，负载除电阻和电感外，还有电动势，动态损耗没有变化。这是因为在开关过程中续流二极管将负载短接，晶体管的集电极电压仍为Us。3.8.3 最佳开关频率 由前面的分析表明，PWM变换器的开关频率越高，则电枢的脉动越小，而且也容易连续，从而能提高调速系统低速运行的平稳性。同时电流脉动小时，电动机的附加损耗也小。因此，从这些方面来看，PWM变换器的开关频率越高越好。但从开关损耗上看，随着频率的提高，晶体管的动态开关损耗便会成正比增加。从PWM变换器传输效率最高的角度上看，能使总损耗最小的开关频率才是最佳开关频率。参考文献中给出，对于双极式变换器，最佳开关频率为 （3-59）在确定开关频率时，除必须考虑电流的连续性和总损耗最小等因素外，最好能使开关频率比调速系统的最高工作频率(通频带)高出十倍左右，使PWM变换器的延迟时间T(=1/f)对系统动态特性的影响可以忽略不计。3.9 本章小结 转速、电流双闭环调速系统的两个调节器串级连接，转速反馈环为外环，电流环为内环。速度调节器的输出即为电流给定，其输出限幅值即为最大电流给定值。调整限幅值的大小或调整电流反馈系数就可方便地改变最大电流lam 。在起、制动过程中，速度调节器很快进入饱和，输出限幅值为电流环提供了最大电流给定，电流调节器为PI调节器，在它的调节作用下使电流保持在最大值，这时系统实际上为一个恒值电流调节系统。由于电流环的调节作用使系统的起、制动过渡过程中电流的波形接近于理想的最佳过渡波形。当转速超调后，速度调节器退出饱和，对转速起主要调节作用，电流环成为电流随动系统。电流反馈环使得系统的抗干扰能力增强，作用在电流环前向通道上的一切扰动作用，如电网电压扰动等，受到电流环的及时调节所抑制，使转速不受或少受扰动的影响。电流内环还起到改造转速外环中调节对象结构及参数的作用，加快了转速环的调节响应过程。在静特性上，转速环的调节作用保证了系统无静差，电流环的作用使系统具有较理想的挖土机下垂特性。双闭环调速系统动态效正的设计与调试是先按内环(电流环)后外环(转速环)的顺序进行的，因为在动态过程中可以认为外环对内环几乎没有影响，而内环是外环的一个组成环节。从快速起动系统的要求出发，可按典型I型系统设计电流环。由于要求转速无静差，因此转速环按典型II型系统设计双闭环可逆直流PWM调速系统电枢电流的最大脉动量与电源电压Us成正比，与电枢电感L和开关频率f成反比，即idmax= 当开关频率足够高时，转速脉动量很小，也就是说，电枢PWM电压的交变分量对转速的影响是及其微小的。在确定PWM变换器开关频率时，除必须考虑电流的连续性和总损耗最小等因素以外，最好使开关频率比调速系统的最高工作频率高出十倍左右，使PWM变换器的延迟时间T对系统动特性的影响可以忽略。 第4章 双闭环可逆直流PWM调速系统的硬件设计4.1 双闭环可逆直流PWM调速系统简介本系统采用一个8位单片微机89C52作主控制器，自行设计的全数字化脉宽调制(PWM)器和转速测量等环节都实现全数字化的微机控制电动机双闭环可逆直流PWM调速系统。系统采用高分辨率数字触发器和高精度数字测速装置。系统原理框图如图4-1所示，其内环是电流反馈及控制环，外环是电动机转速反馈及控制环，内环和外环的调节都是由89C52微机软件完成数字PI控制规律的运算。图4-1 微机控制双闭环直流调速系统原理框图 由图4-1可知，系统中设置的转速和电流两个调节器，不是将它们的输出加在一起象单环系统那样共同作为PWM调制器的控制电压，而是将两个调节器实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM信号发生器的控制电压。从闭环反馈结构看，电流调节器在里面，是内环:转速调节器在外面，成为外环:这就形成转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，两个调节器一般都采用PI调节器。 采用这种双闭环调节器结构能恰当发挥电流截至负反馈和转速截至负反馈的作用。从静态特性上看，单独的电流负反馈有使静特性变软的趋势，但是还有转速反馈环包在外面，当转速调节器不饱和时，静态特性上由电流负反馈产生的速度降落，完全被转速调节器的作用消除了；又由于转速调节器采用的是PI调节器，整个系统将是一个无静差的调速系统。从动态响应过程看，突加设定转速或启动过程中，转速调节器很快达到饱和，这时电流环不起作用，系统成为恒流系统，在大转速偏差情况下实现了最短时间控制，直到转速超调后，转速PI才发挥作用，使转速渐趋稳定。这样组成的双闭环系统，在“突加给定”的暂态过程中表现为一个恒电流调节系统，在稳态和接近稳态时由表现为无静差调速系统，从而获得了良好的动态品质。在加上微机控制系统能采用高分辨率的数字触发器和高精度数字测速装置，可以更好的满足高性能工业传动的要求，因此普遍应用于对稳速精度、速度分辨力和快速响应要求较高的传动装置。4.2双闭环可逆直流PWM调速系统总体设计在本设计中，系统的主电路是晶闸管三相不可控整流桥，将交流电整流成直流，并通过滤波供给给直流电动机，直流电动机额定功率为185W、额定电压220V、额定电流为1.1A、额定励磁电压为220V、额定励磁电流小于0.16A、额定转速为1600r/min。转速的检测采样数字测速器，它是用微机读取与电动机联轴的光电编码器输出的脉冲数，经微机计算后得出转速值。为了提高微机的运算速度，89C52微机使用12MHz的晶振频率。整个系统的硬件原理（见附录大图）。下面将对系统中各个硬件的功能和工作原理作简要介绍。4.3主要芯片的选择4.3.1单片机的选择在详细的系统分析、实用性、经济性分析的基础上，选用了MCS-51系列的89C52单片机，其结构框图如图4-2所示。 图4-2 MCS-51单片机结构框图其主要特点是：.一个8位CPU；.128字节RAM数据存储器；.21个特殊功能寄存器；.4个8位并行I/0口，其中p0、p1为地址/数据线，可寻址64KB ROM和64 KB RAM；.一个可编程全双工串行口；.具有5个中断源，两个优先级；.两个16位定时器；.一个片内振荡器/计数器；.一个片内振荡器及时钟电路。4.3.2 8253可编程定时器/计数器芯片 MCS-51内部只有两个16位定时器/计数器，在数字测速电路中需要计数器，选用了一个可扩展8253芯片。其逻辑结构如图4-3所示。 8253内部具有3个独立的16位定时/计数器，每个计数器有三根I/0线；CLK为时钟输入线，为计数脉冲输入端；OUT为计数器输出端，当计数器减为零时，OUT输出相应信号；GATE为门控信号，用于启动或禁止计数器操作。 控制寄存器用来寄存操作方式控制字，每个计数器都有一个单独的控制寄存器，只能写入不能读出。8253与单片机的接口控制逻辑简单，D0D7为双向、三态数据线，是单片机与8253之间的数据传输线，, 为数据读、写控制线，A0、A1是地址选择线，是片选线。在单片机应用系统中，由,A0、A1给出16位地址码。图4-3 8253逻辑结构4.3.3 8279可编程键盘、显示接口芯片8279是一种通用的可编程键盘/显示器接口芯片。它能接收和识别来自键盘阵列的输入数据并完成预处理，还能显示数据和对数码显示器件进行自动扫描控制。是实现CPU与键盘、LED数码显示器之间进行信息交换的一种专用芯片。8279与MCS-51单片机的接口非常简单，因而在单片机应用系统中得到了广泛的应用。8279芯片有40条引脚，由单一+5V供电。主要由以下几个部分组成： (1)I/0控制和数据缓冲器； (2)控制和定时寄存器及定时控制部分； (3)扫描计数器； (4)回送缓冲器与键盘去抖动控制电路； (5) FIFO(先进先出)寄存器和状态电路； (6)显示器地址寄存器和显示RAM。DB0DB7：双向数据总线。A0：命令状态或数据选择线。A0=1，表示从DB0DB7线上传送的是命令或状态字:A0 = 0表示位数据。, 为读、写信号线。 IRQ：中断请求线。 SL0SL7：扫描线。可进行译码扫描，也可进行编码扫描，需要使用4/16译码器。 RL0RL7：回送线。内部有上拉电阻，从此线上得到键盘的回扫信号。OUTA0OUTA3、OUTB0OUTB3：显示器刷新寄存器输出，与扫描线同步。4.3.4 A/D转换芯片ADC0809ADC0809是8位逐次逼近性A/D转换器。带8个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。启动信号为脉冲启动形式。ADC0809内部设有时钟电路，故CLK时钟需外部输入，fclk允许范围500KHz1MHz，典型值为640KHZ。每一通道的转换需66-73个脉冲，大约100110us。其内部结构图如图4-4所示。图4-4 ADC0809的内部结构4.4高精度数字测速电路转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范围内获得高精度和快速的数字测速，本设计使用每转1024线的光电编码器作为转速传感器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比列关系，微机对该频率信号采用M/T法测速处理。4.4.1 M/T法测速原理M/T法测速原理是在对光电编码器输出的测速脉冲数m1进行计数的同时，对时钟脉冲的个数m2也进行计数。图4-5 M/T法测速原理图 测速时间Td由测速脉冲来同步，即由图4-7硬件电路实现Td等于整m1个脉冲周期。设从图4-5上a点开始，计数器分别对ml和m2计数，到达b点，预计的测速时间Tc到，微机发出停止计数指令，但因为Tc不一定恰好等于整数个编码起输出脉冲周期，所以计数器仍对时钟脉冲计数，自到c点时，可以利用下一个转速脉冲上升沿(即c点)触发数字测速硬件电路使时间计数器停止计数。这样，m2就代表了m1个测速脉冲周期的时间。设时钟脉冲频率为f0，光电编码器每转发出P个脉冲，则电动机转速的计算公式为： r/min （4-1）在本系统中，由于选用f0=2MHz, P=1024= ，所以转速计算公式有： r/min （4-2）为了在低速测量时能使测速器在相当短的Td时间内任能包含较多个测速脉冲的高精度测速值，除了尽可能选择较大P值的光电编码器外，还可以利用光电编码器输出的相位上互差90的两路矩形脉冲信号经过4信频电路后再送入计数器。这样，转速n的计算式应改为： r/min （4-3） 4.4.2 数字测速硬件电路数字测速硬件电路如图4-6所示。途中8253的0号、1号计数器分别对ml和m2进行计数，D触发器F1用来使m2的计数与测速脉冲计数同步，由于8253为下降沿计数，故使用反向器G,启动测速和停止测速信号有89C52单片机的软件向P1. 2口输出，P1. 3口用于测速电路软件输出复位脉冲信号。图4-6 M/T法数字测速硬件电路为实现ml和m2同步计数，8253的0号和1号计数器使用方式2工作。上电初始化进入这种方式后，可用GATE电平对计数过程进行监控。当89C52单片机在图4-5上s点时刻向P1. 2口输出高电平，发出启动测速信号，即置GATE0为高电平，0号测速脉冲计数器立即从初始值开始计数直至在图4-5上b点时刻向P1. 2口输出低电平，即发出停止测速信号，迫使计数过程停止。这样从测速启动点s到停止点b时间间隔内，GATE0为高电平，则输入8253 CLK端口的测速脉冲计数值即为m1。在图4-6中，时钟计数器的GATE1与D触发器输出的Q端相接。当P1. 2口输出高电平开始测速后，要等随后的第一个输入测速脉冲上升沿进入D触发器的触发脉冲CP端，Q才变为高电平，此后2MHZ时钟脉冲开始计数，相当于图4-5中a点时刻。同样当P1. 2口输出低电平停止测速，时钟脉冲要等到图中c点才停止计数，此时时钟的计数值m2刚好是整m1个测速脉冲的时间间隔。4.5键盘/显示接口8279是一种通用的可编程键盘/显示器接口芯片。它能接收和识别来自键盘阵列的输入数据并完成预处理，还能显示数据和对数码显示器进行自动扫描控制。是实现CPU与键盘、LED数码显示器之间进行信息交换的一种专用接口芯片。8279与MCS-51单片机的接口非常简单，因而在微机应用系统中得到了广泛的应用。8279的接口方法如图4-7所示。图中，89C52外接88键盘，16位显示器。8279的数据总线接89C52的PO口。8279键盘部分提供具有而键锁定或N键巡回方式的64键键盘矩阵。,SL0SL2通过外接3-8译码器(74LS138)来选择行。列值由RL0RL7进入8279，这8条返回线的信号经8279缓冲锁存。如果某键按下，该键在阵列中的地址，以及换档键(SHIFT）和控制键（CNTL）的状态送入8279的FIFO的RAM中。FIFO的RAM最多可存放8个字符。当检测到某键按下时，8279的中断请求变为高电平。同时IFO状态字改变以反映存放在FIFO中的字符数。A0A3和B0B3为段控输出(高电平有效)，外接驱动器后连至LED各段。对于7段LED来说，A3为最高位，B0为最低位。SL0SL3为位控输出，经译码器驱动后，连至LED可控制16位显示器，其扫描速度则由内部定时器决定。为了便于操作和符合人们的习惯，8279采用传感器阵列式工作方式，作为键盘和拨盘的输入接口。改系统选用2x8阵列，各键的功能设置如下:0号键:空键；1号键:确定键；2号键:显示切换键；37号键:加速设定键；8号键:停车键；1115号键:减速设定键；其他为备用键。图4-7 89C52与8279接口连接框图显示器是8位LED数码管，它包括1位状态符号显示和4位数据显示，都采用动态显示方式。由于8279接口芯片在初始化后就能自动实现对传感器阵列进行扫描和刷新显示，所以89C52微机既能及时地从传感器阵列接受控制命令和各种数据，及时地对调速系统状态和转速值进行处理，又不会因为这些功能而加重微机CPU的负担。为了节省中断源和充分利用执行同步脉冲中断服务程序执行的间隙时间，此处89C52单片机可改用查询方式读取8279传感器阵列的状态信息。节省下来INT1中断源可用作后面将介绍的“改进的双通道M/T法数字测速”读计数值中断。读8279传感器阵列状态信息由由中断方式改为查询方式后，8279的中断请求信号端子IRQ是悬空的如果此时状态信息发生变化，它就得不到清除中断的硬件信号。为防止新的状态信息进不了8279状态寄存器，可采取软件方法清除中断，只要每读完一次传感器阵列状态，89C52单片机向8279写一次清除中断的控制字，就能保证所后的新状态信息能进入8279状态寄存器，当89C52下一次查询时就能读入最新状态信息。4.6全数字PWM调制器在晶体管功率放大和电源电路中，脉冲宽度调制器(Pulse Width Modulate)以其功耗低、效率高得到了越来越广泛的应用。模拟电路构成的PWM调制器通常由三角波(或锯齿波)发生器和比较器组成，这种电路适用于控制信号为模拟信号的场合。当前，计算机控制正逐步取代传统的模拟控制，后期生产的用于控制的单片微型计算机如80C552往往在片内集成有PWM调制器，而早期的微机如我国己广泛使用的8051系列则无此功能。如采用上述的模拟PWM调制器，则需要通过D/A转换器把数字量转换成模拟量，才能与这种调制器相接，不但不方便，而且一般还需要进行零点调整。本人根据控制系统的特点，设计了一种数字式PWM调制器，可以直接与计算机输出口连接，电路简单，制作容易，成本低廉，无需调整，非常适合微机控制场合。该PWM调制器工作频率可达100KHZ,可零输出和满载输出。 图4-8 全数字PWM调制器原理图 图4-9 PWM调制器波形图当输入8位2进制代码d时，应产生的PWM信号如图4-9 Q所示，一个PWM的脉冲周期为256个时钟脉冲周期，则高电平宽度应为d，低电平宽度应为256-d,即占空比为d/256*100%，考虑到输入为8位2进制代码，几乎难以用一般简单触发器或555一类的时基振荡电路实现。所以考虑用数字电路如图4-8：计数器(或定时器)、触发器和少量辅助电路实现。输入一个比PWM频率高256子音的基准脉冲cp，对cp记数，计d个脉冲，在d个cp周期内输出高电平，接着计(256-d)个脉冲，输出(256-d) cp周期的低电平。计数器为8位可预置加/减计数器，在输出为高电平时进行减计数，计d个脉冲后，计数器计数值为0,输出借位信号co, co使触发器发生翻转，并同时使计数器预置数值为d，触发器发生翻转后(即输出为低电平)，计数器在触发器控制下，作加计数，在计(256-d)个后计数器计数值为255,输出co进位信号，co信号促使触发器电平再次转变为高，并使计数再次置为d，从而进行下一轮的计数，电路实现具体如下：8位计数器由2个4位双向可预置计数74191级联而成，低位co信号输到高位的cp信号端，即为异步接法。高位的co信号为电路总co信号接到计数器的置数端LD, co信号反相后即为触发器的时钟信号，触发器用一个D触发器7474, D端与端相接(构成T触发器Q端即PWM信号正输出Q,即为PWM互补输出Q, Q端与计数器的加/减计数器的控制端U相联，控制计数器的加减计数。现在对全数字PWM调制器进行仿真实验。这是PWM调制器输出仿真PWM信号如图4-10所示，其正波形正好是一个周期的四分之一，与实际相符。图4-10 全数字式PWM调制器仿真PWM信号4.7泵升电压限制电路当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，贮存在电机和负载传动部分的动能将变成电能，并通过PWM变换器回馈给直流电源。一般直流电源由不可控的整流器供电，不可能回馈电能，只好对滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。如果要让电容器全部吸收回馈能量，将需要很大的电容量，或者迫使泵升电压很高而损坏元器件。在不希一望使用大量电容器(在容量为几千瓦的调速系统中，电容至少要几千微法)从而大大增加调速装置的体积和重量时，可以采用由分流电阻Rpar,和开关管VTpar,组成的泵升电压限制电路，如图4-11所示。图4-11 泵升电压限制电路当滤波电容C的端电压超过规定的泵升电压允许值时，VTpar导通，接入分流电路，把回馈能量的一部分消耗在分流电阻中。对于更大的功率的系统，为了提高效率，可以在分流电路中接入逆变器，把一部分能量回馈到电网中去，电路如图4-12所示。 图 4-12 泵升电压限制能量回馈电路4.8本章小结本章较为详细地介绍了用89C52单片微机作主控器，脉宽调制触发与转速测控都实现全数字化的双闭环可逆直流PWM调速系统，它采用了高分辨率数字触发器、高精度数字测速装置和高性能的数字脉宽调制器，电流与转速反馈控制环的控制器都由微机来实现，它按PI控制规律完成数字化的控制运算。此系统结构新颖，具有独创性，使用元器件集成程度高，是一个静态与动态性能指标都高于常规调速系统的新型全数字化调速系统。为了不使系统受到电网的电压波动和频率波动的影响和隔离从电源线进入的传导型干扰，在电路中实行了光隔离。为了使脉宽调速系统的电动机减速或停车时，贮存在电机和负载传动部分能量产生的“泵升电压”使系统不能正常上作或损坏元器件，设计了泵升电压限制电路，使系统的可靠性大大提高。第5章 调速系统的软件设计为了使微机控制系统各种硬件设备能够正常运行，有效实现各个控制环节的实时控制和管理，除了要设计合理的硬件电路，还必须要有高质量的软件支持。因此，用汇编或其他高级语言编写电机微机实时控制系统的应用程序，是整个系统设计中十分重要的内容。本系统用89C52单片机代替了直流电动机双环调速装置中的电流和转速控制器。整个控制程序由主程序、外中断服务程序、PI运算程序及各种辅助程序组成，程序总长小于4K字节，运行一遍的时间小于3. 33ms 。5.1软件设计的基本要求(1) 实时性 电机控制都是快速的实时控制，所以它的软件是实时性控制软件。所谓实时性是指微机在一定的时间限制内，完成一系列的软件处理过程，例如对电机的被控参数(转速、转角、电流、电压等)的反馈信号进行采样、计算、逻辑判断。按规定的控制算法进行数值计算，输出各种控制信号，以及对突然出现的故障报警和处理等。上述各种处理，若超出一定的时间，就失去了意义。对于一些复杂的控制过程，为了满足实时性的要求，往往要对控制软件的每条指令精打细算，必要时甚至只好适当牺牲控制精度，以简化的控制算法换取系统的实时性。(2) 可靠性 软件的可靠性是指在软件运行过程中避免发生故障的能力，以及一旦发生故障后的解脱和排除故障的能力。因此，为了提高软件的可靠性，软件设计时应考虑电机在运行过程中可能出现的一切非正常情况，如超速、超载等超限运行。而且若系统一旦出现故障，如传感器损坏而无信号输入，微机的硬件线路损坏而无控制信号输出等情况，或按错按键、输入错误参数等误操作，或发生程序运行时受外界严干扰而“走飞”等情况，也应 有一定的对策，不应给装置造成严重的损失。(3) 易修改性 一个好的完整的控制软件，都不是一次设计和调试完成的。常常是边设计边调试，经过逐次修改和不断完善，最终才满足所要求的功能和特性。因此软件在一开始总体设计时，必须要有良好的结构设计，以有利于提高软件在反复调试、修改和补充过程中的效率，且保证最终完成的软件仍具有简洁明了的结构。5.2软件的结构设计实际的应用程序一般都有一个主程序(包括若干功能模块)，若干个子程序(每个中断程序一般作为一个功能模块，也可以包括多个功能模块)，以及若干个子程序，共计三大部分构成。按照任务的定义，每个功能模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如测量、计算、显示、打印、键盘扫描、输出控制等。图5-1 电机控制系统总体逻辑功能流程图程序设计的第一步是设计总体(逻辑功能)流程图，如图5-1所示。总体流程图主要反映所设计程序的思路，给出主程序、中断程序和子程序的框架结构、任务按排。其具有以下优点:具有标准的符号集:能够比较自观的描述程序的结构，使得一个大而复杂的程序，也比较容易读懂:能强调关键的判断点与计算机语言没有直接联系。总体流程图不仅反映了软件设计者的逻辑思路是否合理，也决定了该程序能否实时、正确和可靠地完成控制任务。因此，总体流程图地设计是程序设计地关键部分。从程序总体结构来看，对主程序、中断程序和子程序进行分上。将软件按实时性要求的高低把整个软件分为两大类:一类是执行软件，它的实时性比较强，强调算法的效率，而且与硬件配合有关(如外中断申请，定时/计数器的外启动，A/D或D/A转换的启动等)。例如本系统设计的定时系统、采样测量、控制运算、控制输出等执行程序，通常要和硬件中的中断触发电路配合。这些执行软件，常常就构成了响应的中断服务及其调用的子程序。另一类是监控(管理)软件，它起组织调度的作用专门用于谐调各执行模块与操作者的关系，这类程序对实时性要求不高，主要考虑总体谐调，要求逻辑严密，而且要尽量使操作者使用方便。监控程序常常有称之为后台程序，一般就是指软件中的主程序及其调用的子程序，如系统上电初始化程序、键盘扫描程序、显示程序，打印程序，也包括不必与硬件时序配合的短小执行程序，执行软件(前台)和监控(后台)软件之间一般通过中断和中断返回的形式进行切换。5.3软件的编制5.3.1微机头文件的设置 用C语言来编写代码具有较强得可读性，较高的效率和更好的可移植性。在微机系统中，对芯片内部的数据存储器、RAM和I/0端口采用统一编址进行识别。每个特殊功能寄存器、RAM以及I/0端口都有唯一得地址。为便于理解，C语言源程序中将单片机中得特殊功能寄存器、RAM以及I/0端口用文字表示。但在程序执行时，CPU对它们仍然根据统一编址来识别，这就需要将源程序中得特殊功能寄存器、RAM以及I/0端口文字说明汇编程序能够编译的地址，这是通过调用头文件的方式完成的。 同样，对单片机的外围设备的管脚说明和数据关系，比如A/D转换的数据类型，串口的引脚定义文件中断的描述，都需要在头文件中定义。和C语言的编程方式相同，为了提高开发效率，常将常用的一些功能函数做成一个头文件，供系统开发时调用。 本设计采用的编译器提供了对89C52单片机特殊功能寄存器、RAM以及I/0端口文字说明的头文件，事件说明函数以及大量的功能函数库，供开发者选用。在程序开头，首先要把这些文件包含进来: #include #include5.3.2主程序设计当程序较大且较复杂时，对完成具体任务相当有用的程序设计方法是:模块程序设计，自顶向下程序设计，结构化程序设计。结构化程序设计是指程序的设计、编写和调试都采用一种规定的结构形式进行，这样可使编制的程序清晰易读，调试也较方便。但对电机的微机控制系统来说，由于软件的容量往往不是很大，因此较少使用。主程序主要功能是:上电初始化，设堆栈指针，89C52和主要芯片初始化，查询传感器的状态并按查到的命令键设置相应的控制命令标志位，故障检测报警以及等待外中断。本系统软件设计采用了流程图设计方法，根据前述的结构设计原理，绘出了系统的主程序流程图如图5-2及其C语言程序如下:主程序: void main (void)/主程序 / /unsigned char i; signed int uy,ur;/定义变量，ur为 unsigned char iy; char xdata gyp;/定义外部变量指针，用于对外部变量操作/*-初始化-*/ P12=0;P13=0;P13=1;/停止.，复位转速计数 p=COM;*p=0xdl; do ACC=*p;/*显示总清除命令*/ while (clflag=1);/*等待清除结束*/ p=COM;p=0x00;p=0x2a; /*8279键盘、显示方式，时钟分频*/ EX0=1;IT0=1;/开外中断，用于8279键盘，取键值 TMOD=0X02;TH1=0;TLI=0;TH0=6;TL0=6;/置定时器上作方式，T0用于定 /采样，T1用作看门狗，监视程序运行 TR0=1;TR1=1;ET0=1;ET1=1;EA=1;/启动定时器，开总中断 p=AD;*p=0;/启动ADC p=M8253;*p=0x02;p=0x42;/置8253上作方式/*-*/ while (1)/主程序循环 fTLl=0;TH1=0;/喂狗，即不让定时器1溢出产生中断，若程序正 /常执行，定时器1溢出前必会执行该指令， /否则定时器1溢出产生中断程序复位 if (vte) /是否有新的转速计数值返回uy=uv (m1, m2);/转速计算if(dispb=0)disp (uy) ; /如果当前显示状态为转速，则刷 /新显示uy=vPID (ur, uy);/速度PIDvte=0; /vte置0，表示数据己处理if (ite)/是否有新的电流AD值返回 p=PWM;*p=iPI(uy, iy);/电流PID，并输出 ite=0; /ite置0，表示数据己处理 if (keye)/是否有新的键值返回 EX0=0;keye=0;/键值处理，暂时关键盘外中断 switch (key) case 0:break; case 1:if(dispb)ur=nk;break;/输入确定，即启动键 case 2:dispb=!dispb;if (dispb) disp (nk);break;/显示切换键case3: if(dispb)if(nk22767)nk=nk+10000;disp (nk);break;/输入加10000case4: if(dispb)if(nk31767)nk=nk+1000;disp (nk)break;/输入加1000cases: if(dispb)if(nk32667)nk=nk+100;disp (nk);break;/输入加100case6: if(dispb) if(nk32757)nk=nk+10;disp (nk);break ;/输入加10case7: if (dispb) if (nk (-22767) nk=nk-10000;disp (nk);break;/输入减10000casel2: if (dispb) if (nk (-31767) nk=nk-1000; disp (nk);break;/输入减1000casel3: if (dispb) if (nk (-32667) nk=nk-100; disp (nk);break;/输入减100casel4: if (dispb) if (nk (-32757) nk=nk-10; disp (nk);break;/输入减10casel5: if (dispb) if (nk (-32767) nk-; disp (nk); break;/输入减1default: break; EX0=1;/ 键值处理完，重开关键盘外中断 图5-2 系统程序流程图5.3.3数字电流调节器和数字转速调节器的算法及软件实现因为，系统用计算机控制来实现对直流调速的控制，有很多原来由硬件完成的工作现在用程序来实现，如双闭环调速系统中的电流和转速环节的比例积分调节过程在本系统中用程序来实现。这两个环节的控制的实现是十分重要的。按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称为PID调节器。它的结构简单，不一定需要系统的确切数学模型，参数易于调整，在长期应用中己积累了丰富经验。将它移植到计算机控制系统，通过软件予以实现，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果，所以人们常常采用数字PID调节算法，并根据经验和实验，在线整定参数，具有很强的灵活性和适应性。随着微机控制技术的发展，数字PID算法可以很容易得到修正而比模拟PID调节器的性能更完善。如果T为采样周期，用离散采样时刻点 iT表示连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，可得离散(数值)型控制的近似计算公式： （5-1）式中 u i 第i个采样时刻的输出值 ； e i 第i个采样时刻的系统输出偏差，也即PID调节器的输入值； e i-1 第i-1个采样时刻的系统输出偏差； u0 开始进行PID控制时原始的控制值。在实际电机控制系统中，控制量u的输出值要收到元器件或执行机构性能的约束(如电源的限制、放大器饱和等)而限制在有限范围umax，umin内，即如果微机通过PID算法得到的控制变量。在上述范围内，那么PID控制可以达到预期的效果。一旦超出上述范围，那么实际执行的控制量就不再是计算值，由此就引起不期望的效应，这类效应通常称为饱和效应。这类现象在电机启动、停车过程中，以及负载或给定值发生突变时，特别容易发生。在这里分析一下这类积分饱和作用对PID控制带来的影响及其抑制。如果由于给定值从0突变到1，引起偏差的阶跃，而按式(5-1)所示PID算法算出的控制量。超出范围，那么实际上控制量只能取上限值umax，而不是计算值。此时系统输出虽然仍在不断上升，但由于控制量受到限制，其增长要比没有限制时慢，其偏差e将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，而使式(5-1)的积分项有较大的累计值。当输出y超出给定值1后，开始出现负偏差，但山于此时积分项的累计值己很大，还要经过相当一段时间后，控制量u才脱离饱和区，这样会使系统出现明显的超调。这种饱和作用是由积分项引起的，故称作积分饱和。在实际的调速控制系统中，在实现转速控制时电枢电流有上限值，所以存在着一个大输入信号下的恒流(电流上限值)加速问题，这样要求转速控制运算具有非线性特性。为了实现快速、无超调、无静差的速度控制性能，目前在速度控制方面提出了许多算法或控制策略，常用的控制思想是把大信号输入的恒流加速过程与稳定运行分开处理，可采用积分分离PID算法，即当转速给定Ug n与转速反馈U f n之差e i小于某一数值时采用PID算法，而当e i 大于等于时不再进行积分运算一减少转速的饱和超调。为了克服积分饱和作用，本设计采用了积分分离的有效修正算法，这种方法的实质是:当被控量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，以免积分饱和作用使系统的稳定性减弱，超调量加大；当被控量接近设定值时，才加入积分作用，以消除静差。该方法在开始时不进行积分，直至偏差绝对值小于预定的门限值时，才进行积分累计。这样，一方面防止了一开始有过大的控制量，另一方面即使发生饱和，因积分累计值小，也能较快退出，可减少超调。该算法当系统偏差在门限外(大偏差)时，相当于即调节器，而当偏差进入门限范围内时，积分起了作用，能达到消除系统静差的目的。其速度PI调节器算法流程图如图5-3及其电流PI和速度PI调节器程序。图5-3 积分分离法的速度PI调节器算法流程图速度PI调节器子程序：char vPID (unsigned char r, unsigned char y)/*速度PID, r为给定量，y为反馈量*/ static signed char ek_1, k, ui_1，Ii;/定义静态变量ek_1暂存上次/e (k-1)值，k用计算 ek auto signed char ek,u_i; ek=r-y;/计算ek u_i=Kp*ek+Kd*(ek-ek_1); if (abs (ek) uMAX) u_i=uMAX; else if (u_i=uMIN) u_ i=uMIN; return u_i;电流PI调节器子程序：char iPI(unsigned char r, unsigned char y)/*速度PID, r为给定量， y为反馈量*/static signed char ek_1,k，Ii;/定义静态变量ek_1暂存上次 /e (k-1)值，k用计算ekauto signed char ek,i_i;ek=r-y;/计算eki_i=IKp*ek+IKd*(ek-ek_ 1);if (abs (ek) iMAX) i_ i=iMAX; else if(i_i=iMIN) i_i=iMIN; return i_i:速度PID程序中的参数Kp， Ki ，Kd和电流PID程序中的参数Ikp、Iki、Ikd 可以灵活调试，达到预期的效果。在数字PID中，采样周期相对于系统的时间常数来说，一般时很短的，此时可以通过上程设计方法分别算出速度PID的三个参数Kp, Ki , Kd和电流PID的三个参数Ikp、Iki、Ikd。也可以试凑法和实验经验法来确定，这里不在赘述。5.4系统的软件抗干扰措施由于控制系统工作在高电压、大电流的环境中，需要克服环境中的各种脉冲，频率和高温对它的影响，上作环境比较恶劣。要控制电路的可靠输出，在硬件软件上都采取了一系列可靠措施。在输入和输出通道上都采取了光电隔离，控制板采用金属盒屏蔽，仅留出电源和信号输入输出口:并将控制盒悬空，尽可能的减少环境对它的影响。 但系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，软件抗干扰也是防止和消除整个应用系统故障的重要途经。软件抗干扰技术是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后，设法补救的一种方法。相对于硬件抗干扰来说，软件抗干扰是一种被动措施。在此系统中，由于电磁干扰较大，所以在整个软件设计中，例如对模拟输入信号的噪声干扰采用了数字滤波技术。5.4.1模拟输入信号的噪声滤波在模拟系统前向通道中，电压、电流、给定参考信号存在较大的干扰，造成在单片机A/D采样时，采进来的数会出现一些异常值，影响系统的正常上作。为避免这种现象，在程序编写中采用了数字滤波技术。如惯性滤波环节，即为RC低通滤波器。其关系式可写成 ( 5-2 ) 式中y(t)为RC电路输出电压值，x(t)为RC电路输入电压值。若按上式进行是自滤波，就要对输入模拟电压进行采样，对上式离散化，记xk =x（kT），yk =y(kT)，式中T为采样周期，K为整数。当T足够小时，式(5-2)中的微分用差分代替，可得离散化的差分方程： ( 5-3 ) 式中 x(kT) 采样时刻输入值； y(kT) 采样时刻输出值； y (k一1)T 为前一次采样时刻输出值； D=RC 为数字滤波时间常数。整理后可得 （5-4）若令 ，得 （5-5）且 a+b=1 ( 5-6 )当采样周期足够小时，有 ( 5-7 )于是可计算滤波器的截止频率为 (5-8)在程序中，对输入采样，采取了多项电压、电流数字滤波措施。程序见附录。5.4.2防止程序运行失常的软件措施1)设置看门狗定时器该定时器用来有效的监视微机的程序运行。当系统出现某种异常，如外来干扰或内部电磁噪声引起地址总线的紊乱或程序计数状态的改变，导致程序跑飞时，监视定时器可以使系统自动复位，并重新初始化，恢复程序的正常运行。系统复位程序初始化特殊功能寄存器用于程序跑飞后，定时器1溢出复位初始化，利用它可有效地实现程序防飞功能。其程序清单如下：void syrest(void) interrupt 3 using 2/看门狗，系统复位程序初始化 /殊功能寄存器用于程序跑飞后，定时器1溢出复位初始化 EA=0; ACC=255; PO=ACC; P1=ACC; P2=ACC; P3=ACC; ACC=0; IE=ACC; B=ACC; PSW=ACC; TCON=ACC; SCON=ACC; TMOD=ACC; PCON=ACC; pcc=dog;(*pcc)();/执行软件复位代码dog，pc回复02)设置程序指针陷阱在每个子程序后面或程序断后，使用汇编语言，插入5条指令NOP, NOP,NOP, NOP, LJMPMAIN(其中MAIN是初始化程序开始地址)。在片地空白处(特别是后面地空白处)，每32个字节放指令LJMPMAIN。设置了指针陷阱后，一旦微控器受干扰，使程序指针混乱，执行了一段程序后，就会落入陷阱中，执行LJMPMAIN指令，回复到初始化程序开始处，从而避免死机。5.4.3软件元余技术为了抗干扰，所以对于开关信号的输入、输出，采样软件冗余技术来保证输入、输出开关信号的真确性。 1)输入信号的重复检测方法； 2)对于开关信号的输入，要循环地读输入口状态的寄存器，这样可以防止读入的开关量错误；3)设置当前输出状态寄存单元，当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时，系统及时查询寄存器单元的输出状态信息，并及时纠正错误状态。第6章 硬件电路的改进 前面介绍的微机控制直流调速系统主要硬件电路:M/T法数字测速电路，电路简单，对于一般要求的数字调速系统是合适的。但是它是在连续采样过程中，M/T测速、测时都使用了8253同一组计数器，结果是当前采样周期计数若未结束，下一次采样计数就不能进行，造成不必要的转速采样时间间隔:此外它还要由软件发指令对测速计数的启动和停止进行控制，增加了程序量。采样软件发指令去控制停止计数，在程序中是很难保证各种情况下读取的计数值都在计数结束之后。这是因为要等停止计数指令发出后的下一个测速脉冲上升沿到来后，时间脉冲计数才会真正停止，这样就要延时一段时间，延时的长短由跟转速有关，是随机的，不易估计，如果采用图6-1所示的双通道M/T法数字测速硬件电路，就可以克服上述弊端。 该电路使用2片8253定时/计数器(8253 （l）及8253 （2）)的0号和1号共4个计数器分别构成测速、测时的双通道，两个通道的计数器是交替使用:一个通道的2个0号计数器计数，则另一通道的2个1号计数器己停止计数，等待89C52的CPU去读取计数值。两个通道交替测速计数是由同步脉冲和测速脉冲触发F1、F2、F3三个D触发器组成的门电路，通过两个输出端3Q ,3分别控制计数器的GATE0和GATE1自动完成。89C52的P1.7口与3Q相连，用于让CPU判断当前采样周期哪个通道正在计数，哪个通道计数己结束，可以读取计数值。当P1.7=1（高电平)表示0通道2个计数器正在计数，此时对1通道2个1号计数器，CPU 可以读取上次采样周期的计数值。 本系统使用两个外部中断：INT0同前仍用作同步脉冲采样中断；INT1改为用于计数结束后读M/T法测速计数值。因为采样M/T法，测速与计时一定要同步，这个同步信号由同步脉冲后的第一个转速脉冲的上升沿产生，由于这种上升沿发生的时间是随机的，采样中断方式可以保证每次测速读数计数值都在计数结束后进行。由于读计数值的程序很短，所以安排INT1为高优先级，INT0为普通级比较合理。 图6-1硬件电路的工作原理如下：当上电RST后，3个D触发器的输出1Q, 2Q, 3Q端全部为低电平。当第一个同步负脉冲来到时，2S端变为低电平导致2Q (1D)反转为高电平，紧接着第一个来到的测速脉冲的上升沿就能使1Q反转为高电平，即在3CP端产生一个上升沿使3Q反转为高电平，在当前采样过程内使0通道开始计数。此时3反转为低电平，表示通道1已停止计数，同时1反转为低电平，向89C52的发出一个中断申请，说明通道1的计数器已结束计数，可以读计数值。此时与非门G的2个输入端都已是高电平，与它的输出端相连的2CP变为低电平。由于同步负脉冲的宽度为0.045ms，数值很小，当第一个测速脉冲下降沿到来时，2S端已回复到高电平。此时测速脉冲的下降沿在2CP端产生上升沿触发，使2Q (1D)端回复到低电平。随后第2个测速脉冲的上升沿使1Q反转为低电平后，此时F1与F2两个D触发器的输出电平都Y已回复到初始RST后的状态。由于与非门G的输出已被1Q的低电平钳位到高电平，1Q与1D也都是同一低电平，随后的测速脉冲再也不能改变3个D触发器的输出电平，直至下一个同步脉冲采样间隔内至少有2个测速脉冲，同步脉冲到来后的第一个测速脉冲的上升沿就能使触发器F3的输出端在一个同步脉冲周期内自动反转一次，实现了双通道M/T法计数器无间歇交替计数和读数，提高了测速读数的准确性和可靠性。由于测速计数的启动和停止无需软件控制。一个同步脉冲周期（ 3. 3ms ）就可以测速一次。缩短了测速时间。能满足快速调节系统的动态要求。在低速情况下，一个同步脉冲采样间隔内可能没有2个或2个以上的测速脉冲，因此在软件编制时，就要考虑一个同步脉冲周期(3. 3ms)内如果没有INT1中断出现，就要作强制性处理，以保证程序以适当方式继续运行。一般而言，数值测速总有一个下限，低于下限，就要在硬件或软件上作适当的处理，以免在启动过程中发生问题。图6-1双通道M/T法数字测速硬件电路第7章 总 结 本文对电流、转速双闭环直流可逆PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流可逆PWM调速系统的数学模型并对电流控制器与转速控制器的设计进行了探讨，然后在微机实现上讨论了数字触发、数字测速、转速与电流控制器的原理并给出了软件、硬件实现方案。 现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又不断地有技术指标及其苛刻特殊应用系统要求。随着微电子技术、电力电子技术和计算机技术地飞速发展，以及控制理论地完善、仿真上具地日渐成熟，给电机控制行业带来了很多机遇和发展契机。使用高性能的微机解决电机控制器不断增加的计算量和速度要求，使其功能强大、维修方便、适用范围广又非常经济。 虽然，在研究的过程中克服了很多困难，解决了不少问题，提出创新思路，但由于研究环境的限制，本研究只是处于初级阶段。它将是一个有益而大胆的探索，为以后的研究工作开了一个好头，相信将来会有很多成果出现。 限于篇幅，本文未涉及以下几个方面的内容： 1.电动机负载较轻时电流断续时可采用自适应调节器。 2.自动控制理论中的复杂推导。 3.额定转速以上的弱磁调速系统。 4.典型系统的介绍。 5.系统参数、电流调节器和速度调节器的定量计算。 通过对你课题的研究我有以下几个方面的收获： 1.学习与掌握了微机机的基本原理及其各种应用，对它的各种硬件接口与软件方法有了较深入的认识和了解。 2.对开关电源的上作原理和设计方法有了较深入的了解。 3.对自动控制系统的动、静态性能及其控制有一定的认识。 4.掌握了用C语言及其编程。 5.掌握了不少软件的应用如PROTEL, SPICE, MATLAB, VISIO、汇编语言等。由于本人学识有限，以后的工作中需要我花费更多的时间学习各种新知识，向自己的老师及同学请教。本文完成稍微仓促，会有不少缺陷，望老师批评指正。参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版利，20002莫正康.电力电子应用技术.北京:机械工业出版利，20013余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术.西安:西安电子科技大学出版利，20004吴金戊，沈庆阳，郭庭古等.8051单片机实践与应用.北京:清华大学出版利，20025高鹏，安涛，寇怀诚等.Protel 99入门与提高.北京:人民邮电出版利，20046王晓明.电动机的单片机控制.第一版.北京:北京航空航人大学出版社，20027廖晓钟.电力电子技术与电气传动.北京:北京理工大学出版社，20008乔忠良.全数字直流调速装置及工程应用.太原理工大学学报，20009梁合庆.从C到嵌入式C编程语言.北京:北京航空航人出版社，200010公茂法.单片机接口实例集.北京:北京航空航人出版社，199911宋宏远，杨人怡.单片微型计算机原理及应用.重庆:重庆大学出版社，199012姚世文.自动控制元件及其线路.北京:国防工业出版社，198013江晓安，董秀峰，杨颂华.数字电路.西安:西安电子科技大学出版社 200214Tjokro S,Shah S L,Adaptive PID Control,Proceedings of the 1985 American Control Conference,198515Tsutomu Ohrnae,A microprocessor-controlled high accuracy wide range16 Speed regulator for motor drives,IEEE Trans. Vo1.IE-29No.3,1982致谢 在我完成此次论文的日日夜夜里，我的导师叶文通老师对我的论文倾注了大量的心血和汗水，叶老师以他渊博的知识和丰富的实践经验，给了我莫大的帮助，叶老师严谨的治学态度和个人休养更是我学习的榜样。在此对叶老师表示我真挚的敬意! 并祝老师身体健康，工作愉快，生活幸福！感谢同组同学李建新和华建斌对我的帮助和支持！感谢父母及全家人对我学习上的支持和精神上的鼓励！对曾指导和帮助过我的各位领导、老师、朋友、同学一并表示最衷心的感谢！感谢所有帮助和关心我的朋友!谢谢！附录A 系统硬件原理图附录B系统程序清单#include#include#define COM 0xf2fc /*8279命令/状态口地址*/#define DAT 0xf2ec /*8279数据口地址*/#define PWM 0xf6f4 /*PWM地址*/#define AD 0xf014 /*0809地址*/#define Mlh 0xf2f0/*转速计数值ml高位地址*/#define M2h 0xf2f1/*转速计数值m2高位地址*/#define M8253 0xf2f3 /*8253命令口地址*/#define Kp 1/*速度PID控制P的系数*/#define Ki 1/*速度PID控制I的系数*/#define Kd 0 /*速度PID控制D的系数，为o I PI算法*/#define IKp 1/*电流PID控制P的系数*/#define IKi 1/*电流PID控制I的系数*/#define IKdO/*电流PID控制D的系数，为o I PI算法*/#define uMAX 127/*定义转速高限*/#define uMINC127)/*定义转速负高限*/#define iMAX 127/*定义电流高限*/#define iMINC127)/*定义电流负高限*/#define VPRE 0.001/*速度门限精度* /#define IPRE 0.001 /*电流门限精度*/#define iai 1#define ibi 1#define vai 1#define vbi 1 unsigned char code table18= x3f,0x06, x5b, x4f, x66, x6d, x7d, x07, x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,00,0x40;/*定义显示段代码0-F, 00为灭显码，0x04为一代码*/unsigned char idata diss8卜16,16,16,16,16,16,16,16;/*显示缓冲Ix:，初始化为16, 即不显示*/sbit clflag=ACC7;sbit P12=P12;/*定义P12为P1.2口，即转速计数电路的启停控制端*/sbit P13=P1八3;/*定义P13为P1.3口，即转速计数电路的启停控制端*/bit vte,ite;/*定义采样标志位，vte为1时说明定时中断己将转速计数值取回，ite 为1时说明定时中断己将电流AD值取回*/unsigned char data key;unsigned int idata ml,m2;/*转速计数值返回缓存*/unsigned char idata adc;/*电流AD值返回缓存*/signed in