【正文】 系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于 ATmega單片機(jī)控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中采用 ATmega16 做主機(jī)， ATmega8做從機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓 及轉(zhuǎn) 速 檢測(cè) ，對(duì)速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，滿足 糖廠的 生產(chǎn)調(diào)速需要，本系統(tǒng) 還 包括 鍵盤(pán)和 LED 顯示 功能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流。 在本節(jié)，首 先要建立糖分離機(jī)數(shù)字全閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，然后用 SIMULINK 進(jìn)行仿真分析。 在這一節(jié)中，采用美國(guó) Mathworks 公司的 MATLAB 軟件中的 SIMULINK 仿真工具來(lái)進(jìn)行糖分離機(jī)數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)。? 之間的關(guān)系為： 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 31 39。 S=2 再將 ? 變換成 39。 180176。另外二相全控橋式電路在任何時(shí)都必須有兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)通回路。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 28 ? 在 090176。 顯示器顯示“ P”時(shí)，可以從鍵盤(pán)上輸入 4 個(gè)十進(jìn)制表示的轉(zhuǎn)速信號(hào)，同時(shí)顯示在 LED 上。在對(duì)重要的電力參數(shù)進(jìn)行采集時(shí)，采用了中值法和加權(quán)平均法兩種數(shù)字濾波方式的結(jié)合，減少?zèng)_擊，使裝置性能更加穩(wěn)定，減少了裝置的誤動(dòng)率。因此，在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件抗干擾技術(shù)加以補(bǔ)充。 采用光電耦 合器。 三 、 系統(tǒng)抗干擾措施 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 25 本裝置所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是弱電與強(qiáng)電設(shè)備，數(shù)字與模擬電路相互混雜的場(chǎng)合，此外它還需與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中各類電器設(shè)備相配合 , 由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種動(dòng)力設(shè)備不斷地起停運(yùn)行，使得現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，存在許多干擾源：系統(tǒng)本身噪聲干擾、電磁干擾、過(guò)壓干擾及環(huán)境干擾等。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 24 A T m e g a 1 6A T m e g a 8C P U 主 控 單 元鍵 盤(pán) 與 L E D 顯 示通 信 接 口P W M輸出電 壓 采 集電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 采 集電 流 采 集精密整流濾波放大光電隔離濾波放大開(kāi) 關(guān) 量 輸 出移相觸發(fā)控制三相全控橋整流通 訊 設(shè) 備開(kāi) 關(guān) 量 輸 入 圖 43 速度 調(diào)節(jié)裝置總體硬件框圖 一、 系統(tǒng)的主 電路 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主電路采用可控硅三相橋式全控整流電路，其應(yīng)用線路如圖 44所示。既發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器各自的作用，又避免了象單環(huán)系統(tǒng)那 樣兩種反饋互相牽制的缺陷，從而獲得了良好的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)品質(zhì)。 五 、聯(lián)鎖保護(hù) 聯(lián)鎖保護(hù) 可 避免 兩組晶 閘管同時(shí)處 于整 流狀態(tài)而造成短路的事故。 在邏輯裝置時(shí)，有兩種 上 述的電平檢測(cè)電路， 一 個(gè)為檢測(cè)轉(zhuǎn)矩極性鑒別器 SJB， 用來(lái)根據(jù)速度給定電 壓 的極性去決定開(kāi)放或封鎖某一組 晶閘 管，使電動(dòng)機(jī)具有相 應(yīng)的 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向。以 T1元件的觸發(fā)電路而言， Y端應(yīng)該接至 T2元件觸發(fā)電路的 X端，因?yàn)?T2元件比 T1元件滯后 60176。寬的方波 S1,S2,S3送到單片機(jī)，S1,S2,S3分別組成 6個(gè)狀態(tài)，即 001， 101， 100， 110， 011， 010單片機(jī)就可以根據(jù)讀入的狀態(tài)判斷當(dāng)前應(yīng)該觸發(fā)的相應(yīng)主電路晶閘管的組號(hào)。000amp。邏輯控制器又包括 ：邏輯判斷電路、延時(shí)電路、連鎖保護(hù)。 電流檢測(cè)電路 電流檢測(cè)電路如圖 33所 示： 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 17 D1 D3 D5D2 D4 D6D7R1C1 C2R2R3T1T R A N S 3321411U 2 AL M 3 2 4GNDGNDOUTA B CR?R E S 2R?R E S 2 圖 33 電流檢測(cè)電路 電流檢測(cè)電壓是通過(guò)一個(gè) 400:1的電流互感器從 主 電源上獲取。 速度反饋環(huán)節(jié)把測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓變換為適合控制系統(tǒng)的電壓信號(hào)。故而，比例系數(shù) Kp必須選擇適當(dāng)，才能取得過(guò)渡時(shí)間少、靜差小而又穩(wěn)定的效果。 同樣， 如 果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很 大 的變化，由 于 采用了頻率響 應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器直流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán) 重故障 時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)地把電流故障反饋到電流控制 回 路 中 去，以便迅速減 小 輸出電 壓 ，從 而 保護(hù) 晶 閘管和 直 流電動(dòng)機(jī) 不 致 因 電流過(guò)大而損壞 。 比如，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速 下 降，平衡狀態(tài)被破 壞， 調(diào) 節(jié) 器輸出電 壓 增加，觸發(fā)脈沖前移 （ ? 變小 )， Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。 調(diào)速系統(tǒng)是采用了 二 組橋式全控整流電路，分別處于整流 (第一象限 )和逆變 (第二象限 )狀態(tài)。 第一節(jié) 直流調(diào)速原理簡(jiǎn)介 一、直流電機(jī)工作原理 我們知道直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程為 ： 2N a s eme N e T NU R RnTC C C????? 31 由 此 可 知 ， 當(dāng)我們改變電樞電 壓大 小，即 可 達(dá)到 調(diào) 速效果 。這樣，既提高了指令執(zhí)行速度，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；又減少了對(duì)外設(shè)管理的開(kāi)銷，相對(duì)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。電網(wǎng)電壓的波動(dòng)無(wú)疑地會(huì) 對(duì)電網(wǎng)中的其它負(fù)載產(chǎn)生不良影響可以在負(fù)載端并聯(lián)電容器抑制電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少無(wú)功功率的沖擊。 二、 整流電路對(duì)電網(wǎng)影 響 的分析 隨著整流裝置 容量的不斷增大和技術(shù)水平的不斷提高，在各個(gè)工業(yè)部門應(yīng)用的整流裝置的數(shù)量正在快速增長(zhǎng)，但是整流裝置對(duì)電網(wǎng)以及電網(wǎng)上的其它負(fù)載的危害也在不斷加大 。控制角 ? 的改變范圍為 0π 。單相可控整流電路可分為單相半控整流電路和單相全控整流電路兩類，這種電路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，但是只適用負(fù)載功率較小的場(chǎng)合。隨著門極電流 IG的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓 UBO不斷降低 。關(guān)斷條件 ： 是晶閘管從導(dǎo)通到截止所需的條件，即在晶閘管的陽(yáng)極施加反向電壓，或者去掉或降低施加在陽(yáng)極的正向電壓，使通過(guò)晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 6 第二章 可控整流電路原理及單片機(jī)的選擇 自從大功率整流二極管以及半控型和全控型晶閘管等電力電子器件問(wèn)世后，由于這些器件具有體積小、重量輕、效率高和控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)，今天工業(yè)上應(yīng)用的絕大多數(shù)直流電源和交流變頻電源都是采用整流二極管和各種晶閘管組成的不可控或可控整流電路和逆變電路。 在工業(yè)控制領(lǐng)域大量使用的是低端的 8 位單片機(jī)。但由于成本高、體積大。 可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制 ： 單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯運(yùn)算功能 、 運(yùn)算速度快 、 精度高， 一般都有大容量的存儲(chǔ)單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，如模糊控制等 靈活性和適應(yīng)性 ： 單片機(jī)的控制方式是由軟件完成的。 分離機(jī) 工作 前， 首先 沒(méi)定 工作 參數(shù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 。此時(shí)防滴門打開(kāi)，加料門按設(shè)定的開(kāi)度打開(kāi)，糖膏流入分離機(jī)內(nèi)， 并 在離心力的作用 下 均勻地附加在篩網(wǎng)壁仁。 糖分離機(jī)是糖廠生產(chǎn)最后一道 工 藝的所需設(shè) 備 ，當(dāng)含有 結(jié)晶 體的甲糖 膏流入分離機(jī)后經(jīng)高速分離，就生產(chǎn)出食用糖。從這個(gè)意義上講，電動(dòng)機(jī)是最常用的運(yùn)動(dòng)源 。無(wú)論是在 工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備中 ， 還是在日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。實(shí)際上，現(xiàn)在國(guó)外已將電動(dòng)機(jī)控制改名為運(yùn)動(dòng)控制。國(guó)外如丹麥DDN系統(tǒng)，英國(guó)的 THOMAS BROADENTamp。 當(dāng) 主 機(jī)升至 1000prm時(shí)，進(jìn)行糖水分離 。當(dāng)分離機(jī) 工作在三段 升速 度范圍 內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)處 于電 動(dòng)狀態(tài) ，當(dāng)電 動(dòng) 機(jī)降 速時(shí)處 于 發(fā)電狀態(tài)，把機(jī)械能變 成電 能回饋 到 電網(wǎng) 中 去 。 無(wú)零點(diǎn)漂移，控制精度高 ： 數(shù)字控制不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。但由于 人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)功能不強(qiáng)， 構(gòu)成不靈活，成本高 ，所以一般只用于電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單控制。這樣， MCS51 系列單片機(jī)得以不斷被升級(jí)改造，先后經(jīng)歷了以 Philips 公司為代表的 MCU 時(shí)代、以 Atmel 公司為代表的 FLASH 時(shí)代和以 Silicon Laboratories 公司為代表的 SOC 時(shí)代。由晶閘管構(gòu)成的整流電路可以在交流電壓不變的情況下，方便地調(diào)整輸出直流電壓的 大小，所以可控整流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)從交流電源到直流可調(diào)電源 的理想方法 。 二、 晶閘管的特性 晶閘管相當(dāng)于一個(gè)由門極電壓控制的無(wú)觸點(diǎn)單向開(kāi)關(guān)。 當(dāng)晶閘管加反向陽(yáng)極電壓時(shí)，其伏安特性與一般二極管的反向特性相似。 三 相半控整流電路一般 只采用三個(gè)晶閘管，只需要三套觸發(fā)電路，不需要寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)，因此在要求不高的場(chǎng)合中，可采用三相半控整流電路。在整流情況下，電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì) E 的極性與整流電壓 Ud的極性相反 。 抑制諧波措施大致有以下幾種方法 ： 增加整流電路的相 數(shù)，可知諧波中最低次的頻率在不斷增高，其幅值也越來(lái)越小，能夠顯著減少諧波的影響 ； 在整流裝置輸入端使用 LC 濾波器進(jìn)行濾波 ； 減小控制角 ? 。電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使電網(wǎng)中諧波的含量大大增加，造成了電力系統(tǒng)的污染。 ATmega16 有如下特點(diǎn) :16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個(gè)通用 I/O 口線， 32 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 11 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口， 8路 10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益 (TQFP 封裝 ) 的 ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè) SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。糖 分離機(jī)使 用 的 直 流 電動(dòng)機(jī)工作在一、二象限。用于串聯(lián)較正和改變系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以及綜合輸入和反饋信號(hào) 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 13 A S R A CR電流檢測(cè)器速度檢測(cè)器U*n△ U UnfUn UifUi*Uk=ΠGTUdS D R三 相 電 源 圖 31 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 上圖中， ASR代表速度調(diào) 節(jié) 器， ACR代表電流 調(diào)節(jié) 器， GT代表 晶閘管 觸發(fā)裝 置 , SDR代表 晶閘 管橋 組。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載 下 降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上述相反過(guò)程進(jìn)行調(diào) 節(jié)， 最后仍能維持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似不變。 PID調(diào)節(jié)器 的實(shí)質(zhì)就是根據(jù) 輸 入的偏 差值 ，按比例、積分、微分的函 數(shù) 關(guān)系進(jìn) 行運(yùn)算， 其 運(yùn) 算結(jié) 果用以輸出控制 。當(dāng) KI較 大 ，積分作用強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間中也可能產(chǎn)生振蕩，且會(huì)使動(dòng)態(tài)性能變差，不過(guò)消除偏差所需的時(shí)間較短 。 其通過(guò)雙同軸 電纜 將其連 接 到調(diào) 節(jié) 板 上 做為速度反饋信 號(hào)。此電流 調(diào)節(jié) 器采 用 限幅形式，在 +10V (? = 0o)以 上 和 0V(? =180o)以 下 限幅，輸出不變化 。 左右。 同步脈沖產(chǎn)生電路作用是： 1）檢測(cè)電源電壓過(guò)零狀態(tài)，供單片機(jī)分配脈沖和控制用； 2）產(chǎn)生同步中斷脈沖，即在電源每相電壓 過(guò)零時(shí)向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，使單片機(jī)的觸發(fā)操作與電源同步，單片機(jī)中斷后，改變定時(shí)器初值，然后再根據(jù)控制角的分區(qū)和電源狀態(tài)，定時(shí)定相觸發(fā)脈沖。所以，在偏移電壓 up一定的情況下，改變控制電壓 ku 即能改變控制角α 的大小，達(dá)到觸發(fā)移相的目的。 導(dǎo)通，當(dāng) T1元件觸發(fā)電路輸出一個(gè)脈沖，同時(shí)給 T6補(bǔ)送一個(gè)脈沖。