【正文】 SR的兩個(gè)輸入信號，經(jīng)過數(shù)字調(diào)節(jié)器控制得到電流環(huán)ACR的給定信號，再與電流檢測信號一起作為電流環(huán)的輸入信號。和電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組G—M系統(tǒng)）相比，不僅在經(jīng)濟(jì)和可靠性上都有很大的提高，而且在技術(shù)性能方面也顯示出較大的優(yōu)越性。電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，就是計(jì)算機(jī)取代常規(guī)的電子控制裝備，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)的全數(shù)字化控制。環(huán)流太大甚至于會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，故必須予以抑制。所謂邏輯無環(huán)流系統(tǒng)就是當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的出發(fā)脈沖，使其完全處于阻斷狀態(tài)，確保兩組晶閘管不同時(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路。并采用數(shù)字邏輯電路，以數(shù)字信號形式執(zhí)行封鎖與開放的作用。這兩段延時(shí)時(shí)間就是封鎖延時(shí)tdbl和開放延時(shí)tdt。勢必會(huì)造成逆變顛覆。如果在這之前就開放另一組晶閘管，仍可能造成兩組晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，使電源短路。角是從自然換向點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角。又因?yàn)锳T89C51單片機(jī)一個(gè)機(jī)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。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。為了獲得近似理想的過渡過程，并克服幾個(gè)信號綜合于一個(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)。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)。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。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。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。但是從動(dòng)態(tài)性能上看，卻有較大差別。 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。硬件結(jié)構(gòu)框圖 如圖31所示。同步電路如圖31所示。其電壓波形圖如下圖33所示[6]。從系統(tǒng)擴(kuò)展的8155口輸出觸發(fā)信號。本設(shè)計(jì)采用高分辨率的數(shù)字觸發(fā)器。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。分辨率的大小與系統(tǒng)的控制精度密切相關(guān)。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。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)。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。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。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。使原來已等待在D端的觸發(fā)字碼傳送到Q端。 信號的隔離設(shè)計(jì)信號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)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。測控裝置與現(xiàn)場信號之間，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。如果整流電路是三相半控的，就可以采用光耦進(jìn)行隔離了。微機(jī)使用的數(shù)字量信號輸入/輸出的控制設(shè)備不要求傳遞直流分量，所以脈沖變壓器隔離法在微機(jī)測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[9]。為了檢測直流電動(dòng)機(jī)電流大小和電流是否為零，提高檢測精度和抗干擾能力。原理如下圖：圖35 LEM傳感器原理圖Figure 35 LEM sensor schematicLEM傳感器及其原理：LEM 傳感器的工作原理是基于磁場補(bǔ)償平衡原理的，即初級電流所產(chǎn)生磁場，通過一個(gè)次級線圈的電流所產(chǎn)生磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件始終處在零磁通的平衡工作狀態(tài)。另一路送零電流檢測電路，當(dāng)主回路電流為零時(shí)，三極管T1截止，T2導(dǎo)通，發(fā)光二級管T3導(dǎo)通并發(fā)光，T4受光導(dǎo)通，C點(diǎn)點(diǎn)位為“0”，則L點(diǎn)為“1”，這就達(dá)到零電流檢測的目的。如果過零檢測不準(zhǔn)確，就會(huì)使觸發(fā)脈沖產(chǎn)生錯(cuò)亂，導(dǎo)致晶閘管的誤導(dǎo)通，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)失靈，甚至?xí)龤щ娐分械脑骷．?dāng)二極管兩端承受正向電壓時(shí)，二極管就發(fā)生導(dǎo)通：而晶閘管的導(dǎo)通條件不僅兩端要有正向電壓，而且觸發(fā)極要有能使晶閘管導(dǎo)通的觸發(fā)信號，只有兩者同時(shí)具備，晶閘管才會(huì)導(dǎo)通。為使整流電壓Ud在每個(gè)周期的波形相同，每個(gè)周期的角也必須相同，且必須出現(xiàn)在電源電壓U2的正半波范圍內(nèi)，這就要觸發(fā)脈沖電壓Ug和電壓U2在頻率和相位上必須密切配合，這種相互協(xié)調(diào)配合的關(guān)系稱為主電路和觸發(fā)信號的同步。的大小隨角大小的改變而變化。對于不同的可控整流電路和不同性質(zhì)的負(fù)載，控制角有不同的限制范圍，控制角的改變稱作移相。不同的可控整流電路不同的負(fù)載有不同的移相范圍，該電路的移相范圍是0～180度。在三相全控整流電路中控制角為30度，電壓波形如圖36所示。觸發(fā)脈沖的發(fā)送順序是固定不變的，唯一變動(dòng)的就是控制角的大小，它的改變直接決定了整流電壓Ud的變化。在三相電源中，這個(gè)角度是固定的，其值為30176。本文設(shè)計(jì)時(shí)采用將自然換相角與控制角一起作為定時(shí)時(shí)間，從檢測到過零點(diǎn)以后，系統(tǒng)就將自然換相角與控制角的和作為總的定時(shí)時(shí)間。所對應(yīng)的時(shí)間，還包括的控制角所對應(yīng)的時(shí)間。光電耦合器的種類很多，但工作的基本原理相同。當(dāng)檢測的電壓變?yōu)檎妷簳r(shí)，發(fā)光二極管兩端產(chǎn)生電位差，有電流流過發(fā)光二極管，發(fā)光照射到光敏三極管的基極，光敏三極管導(dǎo)通，那樣就有電流流過電阻R2，8155芯片的PC口被選通。若采用測速發(fā)電機(jī)檢測轉(zhuǎn)速，由于其本身存在死區(qū)和非線性特性，給轉(zhuǎn)速濾波電路帶來誤差，影響精度。M法測速是在一定時(shí)間內(nèi)通過測量光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖數(shù)（以下稱為P脈沖數(shù)）來檢測轉(zhuǎn)速。M/T法測速是通過測量檢測時(shí)間T和在此時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的P個(gè)脈沖來確定被測轉(zhuǎn)速，其測速原理如圖39所示。 （r/min） （r/min）圖39 M/T測速原理圖Figure 39 M / T speed diagram M/T法中，不一定要求很準(zhǔn)確，本系統(tǒng)中選等于相鄰兩個(gè)自然換相點(diǎn)的間隔，這樣可以節(jié)省定時(shí)器，測速時(shí)AT89C51單片機(jī)在a點(diǎn)響應(yīng)同步信號中斷，將預(yù)置常數(shù)FFFFH送入計(jì)數(shù)器并立即啟動(dòng)計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)后，單片機(jī)發(fā)出停止測速信號，的計(jì)數(shù)在b,c點(diǎn)之間停止。電路及波形如圖310所示。這些功能是通過對8253進(jìn)行編程，寫入控制字來實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計(jì)是計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1聯(lián)合進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對和進(jìn)行計(jì)數(shù)，D觸發(fā)器用來計(jì)數(shù)與脈沖發(fā)生器同步由于8353為下降沿計(jì)數(shù)，故加入反向器G。PG脈沖發(fā)生器在有相位互差90176。圖311 8253轉(zhuǎn)速檢測電路圖Figure 3118253 speed detection circuit用計(jì)數(shù)器l定時(shí)采樣時(shí)間，晶振頻率為2MHz，那樣根據(jù)存入數(shù)值的不同采樣時(shí)問也隨之變化。用計(jì)數(shù)器O對轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行檢測，采用方式0，那樣當(dāng)GAME端出現(xiàn)上升沿信號或是重新啟動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)初值能自動(dòng)重新裝入計(jì)數(shù)累加器中；門控信號GATE也決定了計(jì)數(shù)器的啟、停。 4 數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)簡介本設(shè)計(jì)先選用“模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)法”然后在經(jīng)過離散化后送到ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器送往單片機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制。 電流環(huán)的設(shè)計(jì)電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，因而不希望系統(tǒng)有超調(diào)，或者說超調(diào)量較小。其滯后作用是由可控硅裝置引起的，在設(shè)計(jì)中，為計(jì)算方便，在遠(yuǎn)小于系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)時(shí)，可把它看成一階慣性環(huán)節(jié)。在把給定濾波與反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效的移到內(nèi)環(huán)，同時(shí)把給定信號改成 /β,又由于和（電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)）一般都比小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為： （42）則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終可以簡化如圖（c）所示簡化的近似條件為： （43）圖（c）表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型的系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成： （44）式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號改成，再把時(shí)間常數(shù)為1/和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 （45）則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可以簡化成圖（b）為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)責(zé)擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中如圖（b）。模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰，控制信號流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，便于學(xué)習(xí)入門，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜，通用性差，控制效果受到器件性能，溫度等因素的影響。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號，因此與模擬控制系統(tǒng)相比，微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化：1）一般控制系統(tǒng)的空置量和反饋量都是模擬的連續(xù)信號，為了把他們輸入計(jì)算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時(shí)刻對他們進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號，這就是離散化。只要在一定時(shí)間間隔內(nèi)對模擬信號進(jìn)行檢測。連續(xù)的模擬輸入信號按一定時(shí)間間隔T逐點(diǎn)的采集瞬時(shí)值，并保持一個(gè)時(shí)間，從而變成時(shí)間上離散，幅值等于采樣時(shí)刻的輸入信號瞬時(shí)值的方波序列信號，簡稱為采樣信號。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率f應(yīng)該不小于信號最高頻率的2倍，即，這時(shí)，經(jīng)采樣及保持后，原信號的頻譜可以不發(fā)生明顯的畸變，系統(tǒng)可保持原有特性，這樣才能使采樣信號能無失真的恢復(fù)原來連續(xù)信號。因此，在計(jì)算機(jī)控制允許情況下，T應(yīng)選小些為好，考慮到調(diào)速系統(tǒng)要求響應(yīng)快，實(shí)時(shí)控制要求高，通常的采樣周期是電流環(huán)1～。電流調(diào)節(jié)器離散化方程式：式中，所以電流調(diào)節(jié)器離散化方程式：。8253——可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)芯片，具有3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用于測速和脈沖觸發(fā)移相。芯片上的EPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。RST——復(fù)位輸入信號，高電平有效。在編程時(shí)，引腳可接編程電壓（AT89C51的為5V或12V）在編程校驗(yàn)時(shí)，該引腳可以接。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE的下降沿將P0口輸出的低8位地址鎖存在外接的地址鎖存器重，以實(shí)現(xiàn)低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用片內(nèi)振蕩器，片外振蕩源和電容與XTAL1和XTAL2的接法如圖51所示。復(fù)位電路是為了保證RST引腳上能出現(xiàn)10ms以上穩(wěn)定的高電平，能實(shí)現(xiàn)可靠準(zhǔn)確地復(fù)位，其復(fù)位電路如下圖所示。8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能如圖53所示，它主要由數(shù)據(jù)總線緩沖器、讀，寫邏輯、控制寄存器及三個(gè)獨(dú)立的、功能相同的計(jì)數(shù)器0～2組成。信號可允許或禁止讀／寫邏輯的工作。計(jì)數(shù)器O～2：這三個(gè)計(jì)數(shù)器通道的結(jié)構(gòu)是相同的。 ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809是帶有8為A/D轉(zhuǎn)換器，8路多路開關(guān)，以及與微機(jī)計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯CMOS組件。圖54 ADC0809引腳圖Figure 54 ADC0809 pin mapIN7～I(xiàn)N0——模擬量輸入通道本信號有時(shí)簡寫為ST。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號由外界提供，因此有時(shí)鐘信號引腳。D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。I/O口總線（22條）：PA0～PAPB0～PB7分別為A、B口線，用于和外設(shè)之間傳遞數(shù)據(jù)；PC0～PC5為C端口線，既可與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)，也可以作為A、B口的控制聯(lián)絡(luò)線。它常和單片機(jī)的ALE端相連，在ALE的下降沿將單片機(jī)P0口輸出的低8位地址信息鎖存到8155內(nèi)部的地址鎖存器中。當(dāng)=0時(shí)，選中8155的256 B RAM；當(dāng)=1時(shí)，選中8155片內(nèi)3個(gè)I/O端口以及命令/狀態(tài)寄存器和定時(shí)/計(jì)數(shù)器。根據(jù)硬件電路的各個(gè)組成部分相互聯(lián)系，將各部分軟件程序最終整合成總體結(jié)構(gòu)。另一個(gè)中斷源也是低優(yōu)先級，由鍵盤/顯示器接口產(chǎn)生，這樣AT89C51能及時(shí)從鍵盤接受控制命令，及時(shí)將系統(tǒng)狀態(tài)輸出顯示，鍵盤/顯示器接口的中斷信號接到AT89C51的端。2)將顯示緩沖區(qū)分別存入顯示零的段碼3FH。5)將所得的控制電壓信號換算成8253定時(shí)器2中的計(jì)數(shù)初值，來改變控制角的大小。當(dāng)按下確定鍵后，跳出轉(zhuǎn)速設(shè)定程序，同時(shí)將轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行16進(jìn)制的轉(zhuǎn)化。這里采用三個(gè)中斷口，兩個(gè)外部中斷INT0和INT1，一個(gè)內(nèi)部中斷定時(shí)器0中斷。轉(zhuǎn)速檢測的是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)劣。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到后，讀取計(jì)數(shù)器0中的脈沖數(shù)。相角，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120176。時(shí)間發(fā)送一次觸發(fā)脈沖，等6路脈沖發(fā)送完成后，重新開始新一輪的脈沖發(fā)送。但因直流調(diào)速具有寬廣的調(diào)速范圍, 平滑的調(diào)速特性,較高的過載能力和較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩, 使用壽命長，經(jīng)濟(jì)性好。其次從直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式而言采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱VM系統(tǒng), 需要一可控直流電源為直流電動(dòng)機(jī)電樞供電。晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)有可逆調(diào)速和不可逆調(diào)速兩種。8 結(jié)論本文詳細(xì)地介紹了一種基于單片機(jī)的直流調(diào)速裝置，從硬件電路到軟件程序的設(shè)計(jì)都有詳細(xì)的介