【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 80C31外接27128EPROM作為16K程序存儲(chǔ)器，存放全部控制軟件。用兩片74LS374和四個(gè)PNP中功率三極管以動(dòng)態(tài)掃描方式驅(qū)動(dòng)四位LED數(shù)字，以顯示轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度、電流等數(shù)據(jù)，兩片74LS374采用線選法與80C31接口，地址分別為0DFFFH和0BFFFH。在80C31的P3口上外接三個(gè)按鍵，一個(gè)為啟動(dòng)/停止鍵，用于啟動(dòng)或停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；另兩個(gè)為顯示選擇鍵，一個(gè)用于控制顯示速度設(shè)定值，另一個(gè)用于控制顯示電流值，不按這兩個(gè)鍵時(shí)，顯示實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個(gè)LED發(fā)光管，一個(gè)用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個(gè)用于顯示是否處于運(yùn)行狀態(tài)。使用80C31的雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路圖見附頁1所示。 電流測(cè)量和速度給定值輸入本系統(tǒng)使用ADC0808 8路8位A/D轉(zhuǎn)換器，它的地址為7FFFH。寫入該地址，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，通道地址由AAA0決定。A/D轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生EOC脈沖和中斷。這時(shí)，MCU可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖44 電流測(cè)量框圖如圖44所示，交流電流通過電流互感器變成0～5V電壓信號(hào)，經(jīng)整流和濾波后加到ADC0808的IN0上。速度給定采用電位器輸入，它加到IN1上。在調(diào)整速度給定值時(shí)，可按下速度給定顯示鍵。這時(shí)，四位LED上將顯示對(duì)應(yīng)于電位器輸入的速度給定值，可調(diào)整電位器至顯示值為所需的給定值。對(duì)于需要較高精度的調(diào)速控制系統(tǒng)，可采用10位或者更高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。但這時(shí)，一方面成本將較高，另一方面計(jì)算將大大復(fù)雜，因?yàn)楸仨毑捎?6位計(jì)算，所以在選型時(shí)應(yīng)該多方面考慮。 速度測(cè)量速度檢測(cè)有模擬和數(shù)字兩種檢測(cè)方法。模擬測(cè)速一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。不過模擬測(cè)速方法的精度不夠高，在低速時(shí)更為嚴(yán)重。對(duì)于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進(jìn)制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過接受器將該數(shù)碼送入計(jì)算機(jī)。絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，必須對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分處理。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，如圖45所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開發(fā)或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。圖45 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖上述脈沖序列正確地反映了轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開光柵節(jié)距的1/4，則兩組脈沖序列A和B的相位相差900，如圖46所示。正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相；反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相。采用簡(jiǎn)單的鑒相電路就可以分辨出方向。圖46 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列 若碼盤的光柵數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速分辨率為1/N，常用得旋轉(zhuǎn)編碼器光柵數(shù)有1022044096等。采用倍率電路可以有效地提高轉(zhuǎn)速分辨率，而不增加旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù)，一般多采用四倍頻電路。采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測(cè)速方法有三種：M法、T法和M/T法。1：M法測(cè)速。在一定的時(shí)間Tc內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作M法測(cè)速。把M1除以Tc就得到了旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率f1=M1/Tc,所以又稱頻率法。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生Z個(gè)脈沖（Z=倍頻系數(shù)編碼光柵數(shù)），把f1除以Z就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時(shí)間Tc以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min為單位，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為在上式中,Z和Tc均為常值,因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個(gè)數(shù)M1。高速時(shí)M1大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時(shí)M1將小于1，測(cè)速裝置便不能正常工作。所以M法測(cè)速只適用于高速段。2：T法測(cè)速。在編碼器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為f0的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱為T法測(cè)速。在這里，測(cè)速時(shí)間緣于編碼器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在T法測(cè)速中，準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間Tt是用所得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2計(jì)算出來的，即Tt=M2/f0，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為高速時(shí)M2小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以T法測(cè)速適用于低速段。3：M/T法測(cè)速把M法和T法結(jié)合起來，既檢測(cè)Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，有檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，用來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測(cè)速。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖的頻率為f0，則準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間Tt=M2/f0，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為采用M/T法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉，以減少誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達(dá)時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)允許開始或者停止計(jì)數(shù)。由于M/T法的計(jì)數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于M法測(cè)速，最低速時(shí)，M1=1，自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速。因此，M/T法測(cè)速能適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。綜上所述，本系統(tǒng)的速度測(cè)量采用數(shù)字M/T法測(cè)速。其中利用T1作為定時(shí)器，計(jì)時(shí)Tc時(shí)間產(chǎn)生中斷，，最后由轉(zhuǎn)速中斷程序完成轉(zhuǎn)速的測(cè)量等等。 晶閘管控制晶閘管觸發(fā)采用80C31的定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)。每次把T△的補(bǔ)碼寫入T0中，在T0溢出時(shí)，轉(zhuǎn)到T0中斷處理程序，按脈沖分配表從P1口（～）輸出晶閘管觸發(fā)脈沖。然后延時(shí)50μs，～，從而輸出寬度為50μs的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖經(jīng)CD4049提高驅(qū)動(dòng)電流（CD4049是一個(gè)驅(qū)動(dòng)功能的反相器），再經(jīng)過TIL117光隔離，從LM386低頻功率放大器得到最后的輸出脈沖，這樣可以提高輸出脈沖上升沿陡度，最后此脈沖去觸發(fā)對(duì)應(yīng)的晶閘管。這里由于80C31的P1口在復(fù)位后初態(tài)為1，故采用0為有效輸出位，以保證初態(tài)時(shí)晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。同步校正由80C31的定時(shí)器T0和外部中斷實(shí)現(xiàn)。此同步電路是由LM339構(gòu)成的過零比較器電路和一個(gè)光電耦合器及一個(gè)反相器組成的。交流電源線電壓Vac經(jīng)變壓器變壓，穩(wěn)壓管削波后輸入比較器LM339，比較器輸出再經(jīng)過光電隔離及反相后產(chǎn)生一個(gè)與Vac同相位的方波信號(hào)，輸出的方波信號(hào)加到上，它置為調(diào)變觸發(fā)方式。第5章 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 對(duì)象的數(shù)學(xué)模型單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖51所示。圖51 單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中UGn為速度給定，UGi為電流給定，UFn為速度反饋，UGi為電流反饋，Uk為觸發(fā)器輸入信號(hào)，E為電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)，UDO為晶閘管整流電壓，ID為主回路電流。原始數(shù)據(jù)：直流電動(dòng)機(jī)D的銘牌數(shù)據(jù)：型號(hào)Z232型，額定電壓220V，,額定轉(zhuǎn)速1000r/min, 勵(lì)磁電壓220V,運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)。參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為:電動(dòng)機(jī)電樞電阻: RD=電動(dòng)機(jī)電樞電感: LD=電抗器電阻: RP=電抗器電感: LP=整流變壓器直流電阻: RT=整流變壓器電感: LT=單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)被控對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī),由圖51可知: UDO E= IDRε+LεdID∕dt = Rε(ID+TDdID∕dt) (51)對(duì)式（51）取拉式變換得 ID(s) 1/Rε UDO(s) – E(s) TDs+1 (52)其中, Rε= RD+2 RT +RP +Rr, RR為晶閘管重疊角等效電阻。 Rε、Lε、TD的數(shù)值依次為 Rε=+2++=Lε= LD+2LT+LP =++2 =TD= Lε/ Rε=直流電動(dòng)機(jī)軸上的力矩方程為 M MFZ = CμID CμIFZ = （GD2 / 375）（dn/dt） (53)ID IFZ = （GD2 / 375 Cμ）（dn/dt） = TmdE/ Rεdt (54) 對(duì)式(54) 取拉式變換得 E(s) Rε（ ID IF）(s) Tm s (55)n = E/Ce (56)其中，M為電動(dòng)機(jī)電磁力矩；MFZ為電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩；IFZ為電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流；n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Cμ為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ce為電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)；GD2為拖動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量；Tm=（GD2 Rε）/（375CμCe）為拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。由式(52)、(55)和(56)可以作出電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)框圖，如圖52所示。 IFZUDO 1/Rε ID Rε E 1 + TDs+1 Tm s Ce n 圖52 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖由圖52可以立即得到電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型： （57） 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及采樣周期的選擇確定了被控對(duì)象電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,很容易作出電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖,如圖53所示 。 圖53 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機(jī)電樞電流很快上升，相對(duì)電流來說，速度變化很緩慢。因此，可以認(rèn)為反電勢(shì)對(duì)電流產(chǎn)生的影響很小，令△E=0，則圖53通過結(jié)構(gòu)圖變換，簡(jiǎn)化為圖 54。圖54 簡(jiǎn)化的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖（1） 閘管傳遞函數(shù)一般三相橋式電路晶閘管最大失控時(shí)間在0∽,取其平均值,即T SCR=。本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器最大輸出電壓UKm=,晶閘管最大輸出整流電壓為UDO = 則KSCR==所以晶閘管傳遞函數(shù)為 （58）（2） 電流反饋傳遞函數(shù)電流反饋回路由交流互感器經(jīng)三相橋式整流及T型濾波構(gòu)成,一 般時(shí)間常數(shù)在1∽2ms之間。取TLF = 。,則KLF = ,其傳遞函數(shù)為 （59）注意到T SCR和TLF都很小，可以把他看成是小慣性群，即Tε=T SCR+TLF = + = (s)。這樣晶閘管傳遞函數(shù)和電流反饋傳遞函數(shù)可并為一慣性環(huán)節(jié): + 1將已求結(jié)果代入圖54,即可得到電流環(huán)最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)