单片机在糖厂直流调速系统中的应用设计说明

1、 . 第一章绪论第一节 选题背景在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机。我国生产的电能大约有60%用于电动机。可见，电动机与人们的生活息息相关、密不可分。我们知道，动力和运动是可以相互转换的。从这个意义上讲，电动机是最常用的运动源。对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。实际上，现在国外已将电动机控制改名为运动控制。对电动机的控制一般可分

2、为简单控制和复杂控制两种：简单控制是指对电动机进行启动、制动和顺序控制，这类控制可通过继电器、可编程控制器(PLC)和开关元件来实现；复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压和电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确。以前对电动机简单控制的应用比较多，但是现在人们对电动机控制的水平要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为应用主流，其应用领域极为广泛。例如：军事和宇肮方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态的控制等；工业生产中的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器入、塑料机械、印刷机械、纺织机械、新型制衣机械、泵和压缩机、工业轧机等设备的控制；办公和商务设备中的磁带机、绘

3、图仪、扫描仪、打印机、 机、复印机等设备的控制；家用电器中的DVD、DC、DV、音响、洗衣机、冰箱、空调、电动由行车、家用汽车等设备的控制。这些设备中绝大多数采用的是直流电动机。糖分离机是糖厂生产最后一道工艺的所需设备，当含有结晶体的甲糖膏流入分离机后经高速分离，就生产出食用糖。因此糖分离机是生产成品糖的关键设备。目前大多数国糖厂使用的糖分离机都是六七十年代产品。国外如丹麦DDN系统，英国的THOMASBROADENT&SONS公司的制糖机技术含量高，能耗小，生产成本低，但直接购买国外设备，价钱则明显偏高，且备件不易购买，所以我们走国产化道路，在吸收国外产品优点同时，自行研发糖分离机。

4、下面将简单介绍一种糖分离机TF-1350型糖分离机。第二节 TF-1350型糖分离机简介一、 TF - 1350型糖分离机生产工艺当需要分糖时，控制系统给主机加电，计算机对分离机的工作条件自动循回检查，如果检查正常，系统进入工作准备状态，由控制台启动主机，电机以50prm速度旋转并清洗筛网。进行下料时、电机转速升至180prm。此时防滴门打开，加料门按设定的开度打开，糖膏流入分离机，并在离心力的作用下均匀地附加在筛网壁仁。此刻测厚系统根据糖层的厚度发出测厚信号，关闭主门。在关闭加料门的同时，电机升速，升速过程伴随蜜洗、水洗过程。当主机升至1000prm时，进行糖水分离。分离时间结束主电机快速制

5、动降速至50prm，进入卸料过程，卸料完毕，开始下一次分糖准备。TF-1350型糖分离机生产工艺曲线图1-1。图1-1 TF-1350型糖分离机生产工艺曲线TF - 1350型分离机的工艺流程要求糖分离机要有良好的动态响应，即应有足够的动态稳定性和快速性，要求起、制动和调速迅速平稳，有较小的动态速度误差，可靠性高，这样就可以提高砂糖一级品率和降低能源消耗。二、TF一1350型糖分离机控制系统TF-1350型糖分离机系统工作原理如图1-2图1-2 TF-1350型糖分离机控制系统框图整个系统由计算机管理控制。分离机工作前，首先没定工作参数，计算机根据所设定的参数进行实时控制。工作参数是根据制糖工

6、艺和原科成分与煮糖工艺提供的糖膏粘稠等一系列参数综合设定的。 主要参数如下：卸料速度50prm 卸料时间20s上料速度 180prm 下料限定时间20-30s 可预置分离速度1000prm 分离时时间10-60s 可预置洗水时间 10-20s 分蜜时间20-30s这些参数实际也是控制直流电机驱动糖机工作的主要参数三、双闭环直流调速系统分离机主轴电机为 220kW直流电机，采用双闭环直流调速系统。当分离机工作在三段升速度围时，系统处于电动状态，当电动机降速时处于发电状态，把机械能变成电能回馈到电网中去。系统采用速度和电流双闭环系统，实现了高精度快速调节。双闭环直流调速系统原理框图如图1-3。图1

7、-3 双闭环直流调速系统框图第三节 选题的科学依据、意义一、 单片机对电动机控制所起的作用以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在单片机己经开始取代模拟电路作为电机控制器。它有如下特点： 1、使电路更简单：在模拟电路中，为了实现控制逻辑需要采用许多电子元件，电路比较复杂，采用单片机后，绝大多数控制逻辑可以通过软件实现。2、可以实现比较复杂的控制：单片机有更强的逻辑运算功能、运算速度快、精度高， 一般都有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如模糊控制等3、灵活性和适应性：单片机的控制方式是由软件完成的。如果需要修改控制规律，一般不需要改变系统的硬件电路，只需要修改程序即可。

8、在系统调试和升级的时候，可以不断尝试选择不同的参数，非常方便。4、无零点漂移，控制精度高：数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大或小，都可以保证足够的控制精度。5、可多机联网工作，提供人机界面：新型单片机多嵌有各种总线，可以方便地进行联网通信，实现多机联网工作:还能够和上位机进行通信，提供可视化人机界面，方便进行控制和调节。二、 单片机和工控机、PLC应用比较除了采用单片机作为电动机的控制器外，可以作为电动机控制器的新型设各还有多种，例如工业控制计算机、可编程控制器(PLC)和数字信号处理器(DSP)等。工业控制计算机功能最为强大，它有极高的速度、强大的数学逻辑运算能

9、力、丰富的接口功能和方便的软件环境。但由于成本高、体积大。所以一般只用于大型控制系统。PLC则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算。但由于人机界面和网络功能不强，构成不灵活，成本高，所以一般只用于电动机的简单控制。单片机介于工业控制计算机和PLC之间，它有较强的控制功能和低廉的成本。人们在选择电动机控制器时，常常是在满足设计需求的前提下，优先选择低成本的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。从最近的统计数字可以看出，世界上每年有25亿片各种单片机投入使用，单片机是目前世界上使用量最大的微处理器。在工业控制领域大量使用的是低端的8位单片机。从上世纪70年代开始，在我国应用的

10、8位单片机经历了Z80时代和MCS-51时代。现在最初的MCS-51单片机己经逐步退出了应用，但由于其生产厂商Intel公司采取了技术开放政策，其它厂商可以生产指令系统兼容的芯片。这样，MCS-51系列单片机得以不断被升级改造，先后经历了以Philips公司为代表的MCU时代、以Atmel公司为代表的FLASH时代和以Silicon Laboratories公司为代表的SOC时代。片上系统(SystemOnChip,SOC)是追求系统最大包容的集成器件，具有极高的综合性。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制和制造庞大复杂的电路板，只需要综合时序设计，直接在SOC中调用嵌的各种通用器件。然后通

11、过系统仿真之后就可以直接交付厂家印制电路板。由于绝大部分的系统构件都在系统部，整个系统特别简洁，不仅减小了系统的体积与功耗，而且极大提高了系统的可靠性和鲁棒性。第二章 可控整流电路原理与单片机的选择自从大功率整流二极管以与半控型和全控型晶闸管等电力电子器件问世后，由于这些器件具有体积小、重量轻、效率高和控制灵敏等优点，今天工业上应用的绝大多数直流电源和交流变频电源都是采用整流二极管和各种晶闸管组成的不可控或可控整流电路和逆变电路。近几十年来电力半导体制造与应用技术发展迅速。目前己经大规模生产和使用各种类型的电力电子器件，单个普通晶闸管的容量已达12000V和1000A以上。由晶闸管构成的整流电

12、路可以在交流电压不变的情况下，方便地调整输出直流电压的大小，所以可控整流技术是实现从交流电源到直流可调电源的理想方法。第一节 晶闸管的工作原理和特性一、 晶闸管的工作原理晶闸管的最大特点是具有截止和导通这两种稳定状态。它的工作原理可以用两个条件加以说明：导通条件和关断条件。导通条件：是晶闸管从截止到导通所需的条件，即在晶闸管的阳极施加正向电压，同时在门极施加正向电压。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。关断条件：是晶闸管从导通到截止所需的条件，即在晶闸管的阳极施加反向电压，或者去掉或降低施加在阳极的正向电压，使通过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需的最小电流。在晶闸管的阳极施加交流电压，只是电

13、压在正半波时，晶闸管才有可能导通；而电压在负半波时，晶闸管就会关断。而且电源电压在过零时，就会因为正向电压太小而使晶闸管关断。二、 晶闸管的特性晶闸管相当于一个由门极电压控制的无触点单向开关。实际应用中的晶闸管是在一定条件下按需要不断地进行导通和关断，其导通和关断两个状态是由其上的阳极电压、阳极电流、门极电压和门极电流共同决定的。如不在门极施加正向电压，只让晶闸管承受正向阳极电压UA,则晶闸管处于正向阻断状态，只流过很小的正向漏电流。当UA从零开始逐渐上升时，阳极电流了，也从零逐渐上升，但其数值很小，上升也很缓慢。只是当UA超过临界极限即正向转折电压UBO时，则漏电流急剧上升，晶闸管由关断变成

14、导通。随着门极电流IG的增大，正向转折电压UBO不断降低。晶闸管导通后的伏安特性与二极管的正向特性相似，即通过较大的阳极电流，晶闸管本身的压降却很小。导通期间，如果门极电流降为零并且阳极电流降到维持电流IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。当晶闸管加反向阳极电压时，其伏安特性与一般二极管的反向特性相似。晶闸管承受反向电压时，晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流通过。反向电压增加时，反向漏电流略有增加，但是总的来说很小。当反向电压增加到一定限度后，反向漏电流急剧增加，会导致晶闸管反向击穿而损坏。第二节 可控整流电路简介一、 三相桥式全控整流电路简介可控整流电路基本可分为单相可控整流电路、

15、三相可控整流电路以与由此发展来的大功率6相、12相整流电路等几类。单相可控整流电路可分为单相半控整流电路和单相全控整流电路两类，这种电路简单、调整方便，但是只适用负载功率较小的场合。当负载功率较大时，考虑到三相负载的平衡，应采用三相可控整流电路。三相可控整流电路也分为三相半控整流电路和三相全控整流电路两类。三相半控整流电路一般只采用三个晶闸管，只需要三套触发电路，不需要宽脉冲或双脉冲触发，因此在要求不高的场合中，可采用三相半控整流电路。本课题要求适应负载的围比较宽，所以采用三相桥式全控整流电路。图2-1 三相桥式全控整流电路如图 2.1 所示，三相桥式全控整流电路是由一组共阴极的三相半波可控整

16、流电路与一组共阳极的三相半波可控整流电路串连而成，控制角完全一样。在感性负载时有：输出整流电压Ud的波形是两组半波整流电压的波形叠加。通过改变晶闸管的控制角，可以获得的直流电压。控制角的改变围为0-。直流电动机负载除了本身的感性阻抗外，还有一个反电动势E。因此晶闸管在施加触发脉冲后可导通的必要条件是，电动机的反电动势E和电感中的感应电动势eL的代数和应小于变压器二次绕组的瞬时电压。在整流情况下，电动机反电动势E的极性与整流电压Ud的极性相反。对于感应电动势eL的极性，当电流在增加时，eL的极性与Ud的极性相反；当电流在减小时，eL的极性与Ud的极性一样，当电流达到极值时，eL为零。由于整流电路

17、输出电压的波形是脉动的，所以输出电流的波形也是脉动的，可以看成一个恒定的直流分量和一个包含高频成分的交流分量组合。因为负载只需要直流分量，为了消除负载电流中的交流分量，一般在电枢回路中串联一个平波电抗器，保证整流电流的波形在较大围比较光滑。对于直流电动机负载，过大的交流分量会使电机的换相恶化和损耗增大，因此应该在直流侧串联平波电抗器，使输出电流的波形比较光滑。二、 整流电路对电网影响的分析随着整流装置容量的不断增大和技术水平的不断提高，在各个工业部门应用的整流装置的数量正在快速增长，但是整流装置对电网以与电网上的其它负载的危害也在不断加大。在整流电路中，变压器原边的电流在大多数情况下，即使在最

18、理想的情况下也是一定形状的方波或阶梯波，电流的波形和幅值取决于整流电路的形式和负载电流的平均值，也与控制角有关。高次谐波电流会引起电网电压波形的畸变，这个畸变了的电压波形会影响电网上的其它负载，因此必须予以处理。抑制谐波措施大致有以下几种方法：1、增加整流电路的相数，可知谐波中最低次的频率在不断增高，其幅值也越来越小，能够显著减少谐波的影响；2、在整流装置输入端使用LC滤波器进行滤波；3、减小控制角。整流装置输出的电压发生变化时，若输出的负载电流不变，则变压器原边的电流基本不变。原边的电压也基本不变，表明整流装置的视在功率基本不变。显然，当输出的直流电压较低时，直流侧的功率变低了，而整流装置的

19、视在功率不变，表明整个系统无功功率增大了。由此可以得出，电网电压的波动可以近似地认为是无功功率的变化。电网电压的波动无疑地会对电网中的其它负载产生不良影响可以在负载端并联电容器抑制电压波动，提高系统的功率因数，减少无功功率的冲击。各种晶闸管和其它电力电子器件的迅速发展与广泛应用，对于各个工业部门提高生产技术水平、改善生产过程和提高经济效益都有很大的作用。但是必须同时看到，随着各种电力电子设备应用数量的不断增多和容量的不断增大，对供电电网造成的影响和危害也与日俱增。电力电子设备的广泛应用，使电网中谐波的含量大大增加，造成了电力系统的污染。变流装置实质上是一个非线性系统，交流侧电流是变流装置对直流

20、电流进行调制的结果，直流侧电压是变流装置对交流电压进行调制的结果。两个结果相互作用，变流装置两端的高次谐波就是在这种情况下产生的。第三节 AVR单片机一、 AVR单片机的特点AVR单片机废除了机器周期，同时抛弃了复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法，采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），又可预取指令实现流水作业，故可高速执行指令。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器与相应控制逻辑）。这样，

21、既提高了指令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能；又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。二、 ATmega16单片机图2-2 ATmega16引脚图ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以与单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的

22、JTAG 接口，支持片调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以与六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以与中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状

23、态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言编译器、宏汇编、程序调试器/ 软件仿真器、仿真器与评估板。第三章 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统采用模拟电路组成整个系统。本章将简单介绍直流调速原理和双闭环调速，然后就系统各组成部分，如速度环、电流环和晶闸管脉冲触发系统

24、进行详细分析，最后研究双闭环直流调速系统实际运行效果与存在的问题。第一节 直流调速原理简介一、直流电机工作原理我们知道直流电动机机械特性方程为： 3-1由此可知，当我们改变电枢电压大小，即可达到调速效果。直流调速系统就是采用了晶闸管调压原理，调压调速在整个调速围有较大硬度且调速围很宽。直流电动机具有四象限运行特性。糖分离机使用的直流电动机工作在一、二象限。当减速时系统处于逆变状态(第二象限)，能将电动机机械能转变为电能回送到电网上。这部分原理在以后会详细论述。二、晶闸管调速原理我们知道各相波形的交点为自然换相点。当控制角改变时，三相桥式全控整流电路输出的平均电压(Ud)也随之变化。调速系统是采

25、用了二组桥式全控整流电路，分别处于整流(第一象限)和逆变(第二象限)状态。其工作方式也将在后文给出详细论述第二节 双闭环调速原理如图 3- 1 为 双闭环直流调速系统原理图。系统外环是速度环，环是电流环，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串行联接。用于串联较正和改变系统静态和动态特性以与综合输入和反馈信号图3-1 转速、电流双闭环调速系统图上图中，ASR代表速度调节器，ACR代表电流调节器，GT代表晶闸管触发装置, SDR代表晶闸管桥组。一、 速度环工作原理在主电机上安装一直流测速发电机，发出正比于主电机转速的电压，此电压Unf与给定电压 U*n相比较，其偏差Un送到速度调节器ASR中去，

26、如欲调整，可以改变给定电压。例如提高U*n，则有较大Un加到ASR输入端，ASR自动调节GT，使触发脉冲前移(减小)，整流电压Ud提高，电动机转速上升，与此同时，Unf也相应增加。当等于或接近给定值时，系统达到平衡，电动机在给定数值下以较高的转速稳定转动。如果电动机负载或交流电压发生变化或其它扰动，则经过速度反馈后，系统能起到自动调节和稳定作用。比如，当电机负载增加时，转速下降，平衡状态被破坏，调节器输出电压增加，触发脉冲前移（变小)，Ud提高，电动机转速上升。当其恢复到原来数值时，Unf又等于给定电压，系统又达到平衡状态。如果扰动不是来自负载而是来自交流电网，比如交流电压下降，则系统也会按上

27、述过程进行调节，使电动机转速维持在给定值上运行。同样道理，当电动机负载下降，或交流电压提高时，系统将按与上述相反过程进行调节，最后仍能维持电动机转速近似不变。转速调节器ASR作用如下：1) 使转速n跟随给定电压Un*变化，保证转速稳态无静差2）对负载变化起抗干扰的作用3）输出限幅值决定电枢主回路的最大允许电流值Idm二、电流环工作原理电流调节器也有两个输入信号。一个是速度调节器输出反映偏差大小的主控信号，一个是由电流互感器测出的反映主回路电流反馈信号，当突加速度给定个很大的输入值，其输出整定在最大饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程中始终保持在最大转矩和最大加速度，使起、制

28、动过渡时间最短。如果电网电压发生突变(如降低)时，整流器输出电压也会随之变化（降低），引起主回路电流变化（减小)，由于快速性好，不经过电动机机械环节的电流反馈环的作用，立即使调节器的输出变化(增大)，则也变化（变小)，最后使整流器输出电压又恢复(增加)致电原来的数值，这就抑制了主回路电流的变化。也就是说，在电网电压变化时，在电动机转速变化之前，电流的变化首先被抑制了。同样，如果机械负载或电枢电流突然发生很大的变化，由于采用了频率响应较好的快速电流负反馈，当整流器直流侧发生类似短路的严重故障时，电流负反馈也与时地把电流故障反馈到电流控制回路中去，以便迅速减小输出电压，从而保护晶闸管和直流电动机不

29、致因电流过大而损坏。其中电流调节器的作用：1）对电网电压波动起抗干扰作用2）启动时保证获得允许的最大电流了Idm3）在转速调节过程中，使电枢电流跟随给定电压变化4）当电机过载甚至堵转时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速的过流安全保护，如故障消失，系统能自动恢复工作。三、PID调节器PID调节器是Proportional(比例)， Integral(积分)，Differential(微分)三者缩写，是连续系统中成熟、广泛应用的调节方式。PID调节器的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改

30、变PID 的结构。取其中的一部分环节构成控制规定。在TF-1350型调速系统中，速度调节器和电流调节器均采用比例积分调节。在模拟系统中，PID算法的表达式为: 3-2式中P(t) 调节器的输出信号Kp调节器的比例系数TI 调节器的积分时间TD调节器的微分时间PID 中 ， KI, KP , KD系数作用如下：(1)比例系数KP越大，则过渡过程越快，控制结果的稳态偏差也越小，但KP越大，也容易产生振荡。故而，比例系数Kp必须选择适当，才能取得过渡时间少、静差小而又稳定的效果。(2)从积分系数部分可知，如KI小(积分时间大)，积分作用较弱，积分速度慢。这时，系统的过渡时间不会产生振荡，但消除偏差所

31、需时间也就较长，使过渡时间加长，不能较快达到稳定状态。当KI较大，积分作用强，这时系统过渡时间中也可能产生振荡，且会使动态性能变差，不过消除偏差所需的时间较短。(3) KD越大，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强，KD越小，它反映偏并e(t)变化的作用越弱，微分部分显然对系统稳定有很大作用。第三节 直流调速系统装置分析直流调速系统双闭环调节装置包含速度环(外环)，电流环与检测装置。下面，主要就速度环和电流环进行详细的分析。一、速度环分析速度环是双闭环直流调速系统的外环，它主要包括测速装置、速度调节器直流电动机。速度反馈环节把测速发电机输出电压变换为适合控制系统的电压信号。1、测速装置直流调速系

32、统采用与动力电动机同轴旋转的直流发电机做为测速电机。直流发电机输出电压与电动机转速成线性关系，可用发电机输出电压代表电动机转速。其通过双同轴电缆将其连接到调节板上做为速度反馈信号。2、速度PI调节器PI调节器的原理电路图，如图3-2所示调节器的传递函数 3-3当我们调节R2，C2，的值，可得到不同的积分时间常数，即T2值T2= C2微法* R2（千欧）*103 3-4当调整RI，C2的值可得到调节的传递系数KI 3-5在TF1350型糖分离机中，R2=390，C2=10F在电路的输入端还反并联了一对二极管D1、D2，使调节器输入到运算放大器的最大差值电压不超过二极管的压降值即0.5-0.6伏左

33、右，从而可起到保护作用。图3-2 速度调节器原理图二、电流环分析电流环包括电流检测电路、电流调节器、电动机部分，这样也构成了一个闭环反馈系统。电流反馈环节由霍尔器件与运算放大器组成，用以检测可控硅直流侧的电流信号，以获得与变流器电流成正比的直流电压信号和过流信号。下面主要分析电流检测电路与电流调节器。1、电流检测电路电流检测电路如图3-3所示：图3-3 电流检测电路电流检测电压是通过一个400:1的电流互感器从主电源上获取。经过整流桥进行整流经过C1，D7，C2滤波，R2、R3分压后，经过运算器放大，可送入电流调节器作为系统的反馈电流检测值。2、电流PI调节器电流调节器传递函数为： 3-6调整

34、R2、C2值能调整电流调节器的传递函数。此电流调节器采用限幅形式，在+10V (= 0o)以上和0V(=180o)以下限幅，输出不变化。在TF1350型糖分离机中：R2=39C2=1F图3-4 电流调节器原理图第四节 晶闸管触发装置调速系统采用逻辑无环流调速系统，用2组12只400A晶闸管作为整流逆变元件。晶闸管触发装置是根据电流调节器输出的Uk值来决定桥式晶闸管输出或逆变的平均电压，根据给定的控制信号的极性和主电路的情况来决定哪一组SCR导通、哪一组SCR封锁，以与什么时候进行切换。直流调速系统晶闸管触发装置可分为：电平检测电路，逻辑控制器。电平检测电路又可分为：零电流检测器和转矩极性鉴别器

35、。逻辑控制器又包括：逻辑判断电路、延时电路、连锁保护。一、触发器原理根据三相桥式全控整流电路对触发电路的要求，采用同步信号为锯齿波的触发电路，电路原理图如图3-5所示。设计时采用恒流源充电，输出为双窄脉冲(也可为单窄脉冲)，脉冲宽度在8°左右。本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。此外，还有双窄脉冲形成环节。图3-5触发器原理图(1) 同步信号与主回路的相位关系同步问题是指触发脉冲与主回路电源同步。为了使主电路三项全控桥的各相触发脉冲与晶闸管阳极电路保持严格的相位关系，控制系统有专门的同步脉冲产生电路。同步脉冲产生电路作用是：1）检测电源电压过零状态，供

36、单片机分配脉冲和控制用；2）产生同步中断脉冲，即在电源每相电压过零时向单片机申请中断，使单片机的触发操作与电源同步，单片机中断后，改变定时器初值，然后再根据控制角的分区和电源状态，定时定相触发脉冲。同步变压器BT和主回路整流变压器接在同一交流电源上，具有一样频率。主回路整流变压器为Yo/Y-12联接组，同步变压器为Y/Y-6，Y/Y-12联接组。选择T1的同步电压为-uTa，其余T2T6的同步电压见表1。表1 晶闸管三相全控桥中晶闸管的同步信号电压被触发的晶闸管T1T2T3T4T5T6主回路电压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步信号电压-uTa+uTc-uTb+uTa-uTc+uTb同步

37、电压经过电压比较器变成180°宽的方波S1,S2,S3送到单片机，S1,S2,S3分别组成6个状态，即001，101，100，110，011，010单片机就可以根据读入的状态判断当前应该触发的相应主电路晶闸管的组号。(3) 移相控制环节控制信号经R7、偏移信号up经R8、锯齿波同步信号经R6在T4基极进行叠加，并对锯齿波同步信号进行垂直控制。当合成电压Ub40.5V后，T4由截止转为导通，T4集电极电位由正跳变到近似为0，并通过脉冲形成环节产生触发脉冲。所以，在偏移电压up一定的情况下，改变控制电压即能改变控制角的大小，达到触发移相的目的。(4) 脉冲形成和放大当T4由截止变为导通时

38、，电容C3放电产生负脉冲，使T5管截止，从而使T6导通产生触发脉冲，经脉冲变压器输出。为满足三相全控桥整流电路提出的双窄脉冲要求，在线路中引入了补入、补出的线路，此时，只要把触发器X端接至前面触发器Y端，把触发器Y端接到后面触发器X端即可。这样每个触发单元一个周期输出两个窄脉冲(相互间隔60°)，只供给相对应的晶闸管元件。以T1元件的触发电路而言，Y端应该接至T2元件触发电路的X端，因为T2元件比T1元件滞后60°导通，当T2元件触发电路输出一个脉冲时，也给T1补送一个脉冲。同理，T1元件X端应该接至T6元件触发电路的Y端，因为T6元件比T1元件超前60°导通，当

39、T1元件触发电路输出一个脉冲，同时给T6补送一个脉冲。二、电平检测电路它的主要任务是将速度调节器和电流检测器来的模拟量转为数字量，然后输入到逻辑装置中进行运算，以决定开放哪一组SCR，封锁哪一组SCR。系统中采用带正反馈的运算放大器做为电平检测电路，如图3-6所示：图3-6 逻辑装置的电平检测电路原理图当放大器输出U0为负时，通过正反馈（2点电位高于3点电位）使其输出至深度负向饱和值。反之，当输出为正值，通过正反馈使其输出至深度负向饱和值。因此输出只有高电平和低电平两种状态。在逻辑装置时，有两种上述的电平检测电路，一个为检测转矩极性鉴别器S，用来根据速度给定电压的极性去决定开放或封锁某一组晶闸

40、管，使电动机具有相应的转矩和转速方向。在触发装置时，因为电机总处于正转状态，所以转矩极性鉴别器值总为正值。另一个电平检测电路称为零电流检测器L，用来检测电枢电流是否为零。如果有电枢电流，检测器输出为0，无电枢电流，检测器输出为1，二极管D可负向限幅如图3-6所示。三、 逻辑判断电路逻辑判断的任务是根据两个电平检测器的输出信号UT和UZ经运算后，正确地发出切换信号UF和UR，UF和UR均有1和0两种状态，逻辑判断真值如下表：（信号为“1”时开放脉冲，“0”态时封锁脉冲）UTUZUFUR111010100010010101011001四、延时电路在逻辑判断电路发出切换指令UF之后，必须经过延时，这

41、样才能实现安全换向，与非门的输入端加二极管VD和电容C，就可使与非门的输出由1到0的动作获得延时。因为当输入由“0”变到“1”时，必须先使电容充电，使电容端电容充到开门电平时，输出才由“1”变到“0”。电容充电到开门电平的时间则为延时的时间，改变电容的大小就可获得不同的延时。对三相桥式电路，常取5ms-7ms。五、联锁保护联锁保护可避免两组晶闸管同时处于整流状态而造成短路的事故。第四章 双闭环数字直流调速系统的设计本章将从硬件、软件、控制方法上详细讨论双闭环数字直流调速系统的设计。第一节 双闭环数字直流调速系统概述双闭环数字直流调速系统构成的糖分离机系统原理图和双闭环数字直流调速系统原理图分别

42、如图4-1和图4-2所示。图4-1 双闭环数字直流调速系统构成的糖分离机系统原理图本系统采用转速、电流双闭环的控制结构，其原理框图如图4-2所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，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去控制可控硅整流器的触发装置。从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是环，按典型I型系统设计；速度调节环在外面，成为外环，按典型II型系统设计。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PID调节器。这样组成的双闭环系统，在突加给定的过渡过程中表现为一个恒值电流调节系统，在稳态和接近稳态运行中又表现为无静

43、差调速系统。既发挥了转速和电流两个调节器各自的作用，又避免了象单环系统那样两种反馈互相牵制的缺陷，从而获得了良好的动态与静态品质。图4-2 双闭环直流调速系统原理图第二节 数字双闭环直流调速系统硬件设计 调速系统由两个AVR单片机模块组成，其中一块为ATmega8做从机，一块ATmega16做主机，他们之间通过串行总线通信。速度调节器的主要任务是：将输入的电气信号，经各自的信号处理与变换电路对信号滤波、隔离放大适配到A/D转换的量程。再通过软件计算得到发电机的运行工况、电压系统参数、调节器输出参数等全部信息。最后，将输出参数输出并控制发电机的电压。图4-3为硬件原理总体框图。单片机模块实现了速

44、度调节器、电流调节器功能和速度采样功能，并实现数字触发器、逻辑调节器功能。单片机模块还有键盘、显示功能，主要完成触发脉冲信号传送与显示结果，实现人机交流。图4-3 速度调节装置总体硬件框图一、系统的主电路设计系统主电路采用可控硅三相桥式全控整流电路，其应用线路如图4-4所示。选用KP20A/800V可控硅整流元件。图4-4系统主电路图可控硅虽然有许多优点，但是它承受过电压和过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会把器件损坏。为了使器件能够可靠地长期运行，必须针对过电压和过电流发生的原因采用恰当的保护措施。为此，在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧过电压保护；在直流负载侧并联电阻和电容构

45、成直流侧过电压保护；在可控硅两端并联电阻和电容构成可控硅关断过电压保护；并把快速熔断器直接与可控硅串联，对可控硅起过流保护作用。二、控制电路控制电路主要包括触发器、输入器、速度调节器、电流调节器、检测电路等，这些控制电路都集成在ATmega16单片机中。所以控制简单方便，而且稳定性好，精确度高。如图3-5所示。三、系统抗干扰措施本装置所处的实验环境，是弱电与强电设备，数字与模拟电路相互混杂的场合，此外它还需与工业现场中各类电器设备相配合, 由于工业现场各种动力设备不断地起停运行，使得现场环境恶劣，存在许多干扰源：系统本身噪声干扰、电磁干扰、过压干扰与环境干扰等。大量的干扰源虽不能造成硬件系统的

46、损坏，但常使整个系统不能正常运行，致使控制失灵，甚至造成重大事故。因此在整个系统的构成前后我们做了多方面的抗干扰工作，以保障它的稳定运行。单片机系统中的主要抗干扰手段，一般分为硬件抗干扰和软件抗干扰。硬件抗干扰措施：硬件抗干扰的设计硬件抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。我们设计的电路板除了考虑使用了常规的抗干扰方法，针对实际情况，具体设计如下：1、装置的核心部分采用双CPU冗余结构，提高装置的可靠性。2、充分考虑电源对单片机的影响，对主动器件设置了各自独立的电源。3、单片机输出的电路经过特殊处理克服了抖动等现象。4、采用光电耦合器。在跳闸出口，虽然

47、继电器本身己有隔离作用，但是为了使继电器驱动电源与微机电源之间不要有电的联系，以防止线圈电感回路切换产生干扰影响微机工作，在开关量输出通道采用了光电耦合器。光电藕合器的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲与各种噪声的干扰，从而使过程通道的信噪比大大提高。其原因如下：(1) 光电藕合器的阻抗很小，一般为100欧到1000欧之间，而干扰源的阻却很大，通常为105109欧，因此干扰源在光电藕合器输入端的分压很小。(2) 干扰噪声虽有较大的电压幅值，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使干扰有很高的电压幅值，但由于它不能给发光二极管提供足够的工作电流从而能够被

48、抑制掉。(3) 光电耦合器是在密封条件下实现输入回路与输出回路光耦合的，故不会受到外界光的干扰。(4) 光电耦合器输入回路与输出回路之间分布电容极小，一般只有0. 5 2pF，而且绝缘电阻很大，通常为10111012欧姆，因此回路一边的干扰很难通过光电耦合达到另一边。 软件抗干扰措施：尽管采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因很复杂，且具有很大的随机性，难免保证系统完全不受干扰。因此，在硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干扰技术加以补充。作为硬件措施的辅助手段，软件抗干扰方法具有简单、灵活方便、耗费硬件资源少的特点。包括指令冗余、软件陷阱、监视定时器等。针对干扰对系统软件的影响，控制器

49、软件编程时从减少冲击、防止程序跑飞等方面给出抗干扰措施。具体措施如下：1、采用软件看门狗，防止程序跑飞而陷入死循环。2、采取了“软件冗余”的办法，对于条件控制过程，对条件的一次采样、处理和控制输出改为循环的采样，处理和控制输出。这种方法对于具有良好的抗偶然因素干扰的作用。3、采用软件滤波方式。在对重要的电力参数进行采集时，采用了中值法和加权平均法两种数字滤波方式的结合，减少冲击，使装置性能更加稳定，减少了装置的误动率。第三节 数字双闭环直流调速系统软件设计一、主程序设计主程序流图见图4-5。主程序作为后台程序，电机运行时，主程序一直在查询电机是否进入起动模块或停车处理。电机控制方式切换时转速值

50、的确定，主要是根据控制功能的正确实现和控制的快速性而决定。自检好故障自动检测，它对系统出现的软、硬故障进行自动检验并给予指示。自检可分为开机自检，周期性自检和按键命令自检，自检容可以包括CPU、RAM，ROM、总线、查件、A/D、D/A转换器、I/O接口等。这里仅就程序中用到的开机EPROM自检加以说明，检验程序将EPROM的第一个单元字节读到工作单元中，然后依次与EPEOM的后续字节相异或，直到与最后一个单元字节异或，使得EPROM的校验结果为全“1”（“FF”），工作单元检验结果为FFH，则说明EPROM容为正确，否则显示器显示EPROM出错。图4-5 主程序流图 显示器检验：通过将LED

51、所有的数码管全部熄灭一段时间后，又将全部数码管点亮一段时间，以检验数码管是否正常工作。 显示器显示“P”时，可以从键盘上输入4个十进制表示的转速信号，同时显示在LED上。按确定键后，将此转速信号作为给定转速信号。同时，显示器上显示“d”，提示键入转动方向。若按取消键，则此转速信号取消，LED上显示“n”此时可重新键入转速信号。 起动模块流图如图4-6所示。其中速度环、电流环子程序采用PID调节器，计算模块和数字逻辑切换程序块见第二章所述。二、PID算法模块 在图4-7给出增量式PID控制算法流程图。三、移相角的计算和输出软件模块设计 我们知道可控桥式电路输出电压平均值公式 41 其中，Ud为晶

52、闸管输出电压，为移相角，Ud0为不可控整流输出电压。在0-90°，晶闸管处于整流状态；在90°-180°，晶闸管处于逆变状态。移相定时是通过定时器完成的，由电流PID调节器运算得出的角移相时间存入定时器后，定时器开始工作，延时结束后，便可实现对主电路三相全控晶闸管的控制。图4-6 启动模块流图表4-1 晶闸管触发字码表电源状态S1 S2 S3P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0触发器导通号101100001E1H1，6100000011C3H1，2110000110C6H3，2010001100CCH3，4011011000D8H5，400111000

53、0F0H5，6 表4-1为晶闸管触发字码表表示触发应对的晶闸管，“0”表示不触发，触发信号均由锁存器74LS374产生。 由前面的同步检测电路可知，在一个电压周期存有6个同步控制信号，每个信号间隔 60°，则部定时器最大不能超过60°。另外二相全控桥式电路在任何时都必须有两只晶闸管同时导通，才能形成导通回路。因此，本触发器采用双窄脉冲触发，即一个触发某一只晶闸管的同时，给前一只晶闸管补发一个触发脉冲。 CPU有INTO中断启动定时器定时，定时器的初值由电流调节器通过并行口给定。给定控制角在0°-180°之间。单片机软件自动对每相脉冲的分配划分区间。在移相

54、控制时，将0°- 180°的角移相围划分为3段，并设定相应的段标号S。 0°60°，段标号S=0 60°120°，S=1 120°180°，S=2再将变换成，S=1时，=+60，S=2时，=+120，图4-7 增量式PID控制算法流程图于是无论处于哪一段，对的移相只需对定时即可，定时的起点规定为各自然换相点，然后再根据段标号S来确定要触发的晶闸管。这样，最大定时时间为3.33ms（对应60°），各相触发脉冲的延时在时间上不会重叠。定时器的预置时间常数TD上之间的关系为： 4-2经以上分析可得出定时器延时角

55、计算流程图如图4-8。图4-8 移相角计算流程图第四节 双闭环直流调速系统的仿真 在工业设计中，通常采用仿真设计，仿真设计包括软件仿真和硬件仿真。仿真软件设计通常建立好系统模型，然后用软件或软件工具描述系统的状态，以达到研究、设计的目的。物理仿真常采用与实际系统相类似的物理模型进行研究。软件仿真往往只要有一台计算机，编写相应的程序或利用相关的仿真软件即可达到目的。 在这一节中，采用美国Mathworks公司的MATLAB软件中的SIMULINK仿真工具来进行糖分离机数字双闭环直流调速系统的仿真与设计。 MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，这集科学计算、自动控制、信号处理、图象处理、神经网络与一体，具有极高的编程效率。MATLAB软件的诞生，使控制系统的分析与设计问题变得简单了，它为控制系统的设计和仿真提供了强有力的工具，必将使传统的方法产生一场