【正文】 器周期由12個(gè)振蕩周期組成，工作于定時(shí)狀態(tài)時(shí)，晶振頻率為6MHZ,則1個(gè)機(jī)器周期=12/晶振頻率=12/6106=2us。分辨率：φ=（度）。由于16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器最大時(shí)間常數(shù)為216即為65536，所以最大定時(shí)角度用本機(jī)T0，T1定時(shí)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(shí)，需要采用特殊方式進(jìn)行。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的無靜差，單閉環(huán)與雙閉環(huán)調(diào)速相比采用電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)可以限制啟(制)動(dòng)時(shí)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(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)問相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)地動(dòng)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(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)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(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)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(gè)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)。 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，既要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)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(shí)現(xiàn)串級(jí)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(hào)，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(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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(jì)都是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)和制動(dòng)停車過程圖22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速電流波形Figure 22 Double Closed Loop System startup speed current waveform設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的啟動(dòng)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(shí)的啟動(dòng)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(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流隨時(shí)間變化的波形如圖2．2所示。由于在啟動(dòng)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(gè)階段，因此整個(gè)啟動(dòng)過程分為三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。1）第Ⅰ階段(0～t1)：強(qiáng)迫電流上升階段；2）第Ⅱ階段(t1～t2)：恒流升速階段，即電動(dòng)機(jī)保持最大電流作等加速啟動(dòng)階段：3）第Ⅱ階段(t2～t4)：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(dòng)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(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車。若須加速制動(dòng)，則只能采用電阻能耗制動(dòng)或者電磁抱閘的方式[2]。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)主擾動(dòng)。只要系統(tǒng)能有效地抑制它們所引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降(升)和恢復(fù)時(shí)間，就說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能。l)抗負(fù)載擾動(dòng)。負(fù)載擾動(dòng)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(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降(升)。為了減少動(dòng)態(tài)速降(升)，在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。而對ACR的設(shè)計(jì)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(dòng)。從靜特性上看，單、雙閉環(huán)系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的抗擾效果是一樣的。但是從動(dòng)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(dòng)引起的擾動(dòng)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(shí)間已晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)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(dòng)引起的動(dòng)態(tài)降(升)要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 兩個(gè)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(shí)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(dòng)起及時(shí)抗擾作用；2)啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳啟動(dòng)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(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)恢復(fù)正常[2]。3 直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)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(shí)，計(jì)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(hào)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、小型直流電機(jī)等構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)框圖 如圖31所示。 圖31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Figure 31 System hardware block diagram 同步電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三相同步信號(hào)電路以減小電源頻率波動(dòng)對觸發(fā)器的影響。因?yàn)橛|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(gè)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(gè)自然換相點(diǎn)，送至AT89C51單片機(jī)的端。由于同步信號(hào)跳變?yōu)樽匀粨Q相點(diǎn)，單片機(jī)檢測SSS3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(shí)和輸出控制作用。同步電路如圖31所示。圖31 同步電路圖Figure 31 Synchronous circuit主變壓器及同步變壓器都接成Y—Y—12，同步變壓經(jīng)二級(jí)RC濾波電路濾波出去電源中的干擾，并實(shí)現(xiàn)90度的相移。同步電路一方面將每兩個(gè)相鄰的自然換相點(diǎn)之間的電源狀態(tài)用數(shù)字量SSS3來表示，供微機(jī)分配觸發(fā)脈沖時(shí)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(gè)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)所求的角及電源狀態(tài)便可定相定時(shí)的輸出觸發(fā)脈沖。其電壓波形圖如下圖33所示[6]。圖33 波形圖Figure 33 Waveform 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(hào)，脈沖寬度由軟件定時(shí)控制。觸發(fā)脈沖經(jīng)過信號(hào)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(shí)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(hào)。正反橋控制端約定“1”為選通，“0”為不選通即關(guān)斷。表31 正組橋晶閘管觸發(fā)字碼表Table 31 are set to trigger 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 VT1 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(shí)，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(shí)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(jì)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(gè)16位定時(shí)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(huì)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(jì)算機(jī)中進(jìn)行移相控制的數(shù)字信號(hào)改變一個(gè)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)的控制精度密切相關(guān)。越小，移相控制信號(hào)改變一個(gè)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(gè)重要指標(biāo)。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(dòng)等原因，各相晶閘管的控制角會(huì)出現(xiàn)差異，這個(gè)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?！饕彩怯|發(fā)裝置的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)榭刂平堑牟粚ΨQ性將在輸出電壓中出現(xiàn)低頻諧波成分，這個(gè)諧波成分對于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是不利的，所以應(yīng)盡量避免。3)占用CPU時(shí)間：用計(jì)算機(jī)進(jìn)行晶閘管的移相觸發(fā)控制時(shí)，CPU要進(jìn)行同步信號(hào)的相位判斷，控制角的計(jì)算，輸出觸發(fā)信號(hào)以及其它一些控制操作，這些工作都要占用CPU的時(shí)間，如果這部分時(shí)間過長，將會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。特別是對于計(jì)算機(jī)速度比較慢的計(jì)算機(jī)，這個(gè)問題通常顯得更突出，因此把占用CPU時(shí)間作為觸發(fā)裝置的一個(gè)指標(biāo)。 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(gè)觸發(fā)信號(hào)和正、反橋選通信號(hào)由8155的PA口送出，由外部電路調(diào)制成觸發(fā)脈沖，經(jīng)“功放”電路分別加到六個(gè)晶閘管的門極及正、反橋電子開關(guān)。每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，同時(shí)給上一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度是60176。由8155的PA口產(chǎn)生的六路脈沖時(shí)間間隔60176。，每個(gè)導(dǎo)通120176。圖34 觸發(fā)脈沖輸出電路Figure 34 Trigger pulse output circuit如圖34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?yàn)槊}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(huì)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個(gè)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(hào)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(dòng)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(hào)，那樣晶閘管就會(huì)隨著觸發(fā)脈沖作對應(yīng)的導(dǎo)通動(dòng)作，完成可控整流的要求。本設(shè)計(jì)采用74LS157D觸發(fā)器作為觸發(fā)信號(hào)閘門，實(shí)現(xiàn)硬件立即觸發(fā)，提高移相角的位置精度，并用一個(gè)單穩(wěn)電路對觸發(fā)脈沖的寬度進(jìn)行控制。移相定時(shí)器8253工作于方式0，當(dāng)其延時(shí)結(jié)束時(shí)，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)字碼傳送到Q端。隨著觸發(fā)脈沖的有無，脈沖變壓器也會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生電壓信號(hào)，那樣晶閘管就會(huì)隨著觸發(fā)脈沖作對應(yīng)的導(dǎo)通動(dòng)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(shí)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(shí)又為了使系統(tǒng)更可靠的防止兩組晶閘管可控裝置同時(shí)開放，在正、反組晶閘管可控裝置端設(shè)計(jì)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(shí)工作。 信號(hào)的隔離設(shè)計(jì)信號(hào)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(hào)聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實(shí)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(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系，即實(shí)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(hào)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(gè)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?yàn)樵谌嗳卣鳂蛑?，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，如果要使用光耦進(jìn)行隔離