【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動．就需要每個光耦之間沒有任何聯(lián)系，也就是要需要至少4個獨立的電源給其供電，那樣在任何一個控制系統(tǒng)中都很難做到。如果整流電路是三相半控的，就可以采用光耦進行隔離了。所以最后決定用脈沖變壓器替代光耦隔離。脈沖變壓器可實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離，因為脈沖變壓器的匝數(shù)較少，而且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁芯的兩側(cè)，分別電容僅幾PF，所以可作為脈沖信號的隔離器件。脈沖變壓器隔離法傳遞脈沖輸入/輸出信號時，不能傳遞直流分量。微機使用的數(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測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[9]。 電流檢測電路的設(shè)計本設(shè)計采用磁補償式霍爾電流傳感器來進行電流反饋信號的檢測通過ADC0809進行 模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片機中?；魻栯娏鱾鞲衅魇且环N比較好的隔離式強電流檢測裝置，它不僅能測量靜態(tài)，動態(tài)的參數(shù)，還具有動作頻率寬。電隔離等優(yōu)點，給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了不少方便。為了檢測直流電動機電流大小和電流是否為零，提高檢測精度和抗干擾能力。本設(shè)計采用北京萊姆電子公司的BJLEM電流傳感器。這種傳感器是非接觸式傳感器，它由原邊電路。聚磁環(huán)，位于空隙中霍爾器件，次級線圈，放大電路組成。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償平衡原理的，即初級電流所產(chǎn)生磁場，通過一個次級線圈的電流所產(chǎn)生磁場進行補償，使霍爾元件始終處在零磁通的平衡工作狀態(tài)。具體工作過程是：當(dāng)初級電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個強大的磁場，稱為初級磁場，這一磁場被導(dǎo)磁體磁環(huán)聚集，并在霍爾元件輸出霍爾電壓，此電壓經(jīng)過放大后獲得補償電流（又稱次級電流），次級電流流過導(dǎo)磁體磁環(huán)上的次級線圈產(chǎn)生了次級磁場，它補償了上述初級磁場，霍爾元件便處于零磁通的平衡工作狀態(tài)。由于上述動態(tài)平衡過程極快，從宏觀上看，次級電流通過測量電阻在任何時刻均能檢測出來，器大小波形是與初級電流完全相對應(yīng)的。 電流檢測電路的硬件設(shè)計當(dāng)傳感器檢測的電流經(jīng)過測量電阻時，產(chǎn)生電壓，經(jīng)雙極性轉(zhuǎn)換電路變換成0～5V電壓送到了ADC0809進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至ATC89C51。另一路送零電流檢測電路，當(dāng)主回路電流為零時，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點點位為“0”，則L點為“1”，這就達到零電流檢測的目的。零電流檢測和電流反饋通道的硬件電路如圖36所示。圖36 電流反饋通道電路圖Figure 36 channel current feedback circuit 過零檢測的意義過零檢測在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中是最為重要的。過零檢測是否準(zhǔn)確直接決定了控制系統(tǒng)的好壞。如果過零檢測不準(zhǔn)確，就會使觸發(fā)脈沖產(chǎn)生錯亂，導(dǎo)致晶閘管的誤導(dǎo)通，嚴重時會導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)失靈，甚至?xí)龤щ娐分械脑骷?。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，尤其是采用可控整流器作為改變直流電源電壓的方法時，過零檢測就是其必不可少的部分?？刂瓶煽卣髌鱽砀淖冎绷鞫说碾姌须妷?，主要是控制晶閘管的導(dǎo)通，什么時候開始觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，直接影響整流電壓的大小．根據(jù)之前所述，晶閘管的導(dǎo)通角越小，整流電壓就越大。晶閘管不同于二極管，主要是因為它的可控性。當(dāng)二極管兩端承受正向電壓時，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，只有兩者同時具備，晶閘管才會導(dǎo)通。根據(jù)其這一特性，它在工業(yè)生產(chǎn)中，得到了廣泛的應(yīng)用，也使電力電子技術(shù)發(fā)展的更加成熟、更加完善。從晶閘管承受正向電壓的wt=O時刻算起到晶閘管導(dǎo)通時刻的電角度。用表示，稱作控制角。為使整流電壓Ud在每個周期的波形相同，每個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。晶閘管每周期導(dǎo)通的電角度以216。表示，216。稱作晶閘管的導(dǎo)通角或?qū)щ娊?，?dǎo)電角216。的大小隨角大小的改變而變化。在電路中，216。=，改變控制角的大小，就能改變晶閘管在U2正半波的導(dǎo)通時間，也就達到了改變負載電壓ud波形和平均電壓Ud大小的目的。這就是直流調(diào)壓。對于不同的可控整流電路和不同性質(zhì)的負載，控制角有不同的限制范圍，控制角的改變稱作移相。角增大，整流平均電壓Ud減小，=0176。時，整流電壓最大Ud=Udm。當(dāng)Ud從最大值下降到零時，所對應(yīng)的控制角的變化范圍，稱作該電路的移相范圍。不同的可控整流電路不同的負載有不同的移相范圍，該電路的移相范圍是0～180度?，F(xiàn)已最簡單的晶閘管工作電路為例作詳細說明，具體如圖35所示。圖35 晶閘管電路波形圖Figure 35 thyristor circuit waveforms當(dāng)檢測到零點電壓后，延時控制角對應(yīng)的時間，晶閘管開始導(dǎo)通，在其兩端承受負相電壓時，晶閘管自動關(guān)斷?？刂平窃叫?，導(dǎo)通的區(qū)域面積越大，輸出電壓就越大。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。圖36 晶閘管三相整流波形圖Figure 36 Threephase thyristor rectifier waveform 在三相整流電路中，控制角的起點不再是過零點，而是相對延后30176。的自然換相點。從自然換相點開始定時控制角所對應(yīng)的時間后，開始發(fā)送六路觸發(fā)脈沖，脈沖觸發(fā)順序為T1T6～T1T2～T2T3～T3T4～T4T5～T5T6～T1T6，依次循環(huán)下去，每路脈沖間隔60176。，觸發(fā)脈沖的發(fā)送順序是固定不變的，唯一變動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。根據(jù)整流電壓公式：，因此控制角的定時時刻就尤為重要，即自然換相點。但在實際的檢測過程中，自然換相點不容易檢測到，即便檢測到準(zhǔn)確性也不是很高。而我們把自然換相點與過零點之間的區(qū)域，稱作自然換相角。在三相電源中，這個角度是固定的，其值為30176。所以我們就可以利用這一點，把檢測自然換相點換成檢測過零點，然后再延時30176。角所對應(yīng)的時間。那么我們就可以很容易得到自然換相點，也就是控制角的起始點，然后再定時控制角所對應(yīng)的時間，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進行整流控制。本文設(shè)計時采用將自然換相角與控制角一起作為定時時間，從檢測到過零點以后，系統(tǒng)就將自然換相角與控制角的和作為總的定時時間。這樣可以簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計，使系統(tǒng)控制更簡便。 在本調(diào)速裝置中。對于控制角的定時與上述理論相一致，不同的是在檢測到過零點后，定時時間不光是自然換相角30176。所對應(yīng)的時間，還包括的控制角所對應(yīng)的時間。兩者一起定時，無論從硬件上還是軟件上都簡便了很多。等到整個定時時間結(jié)束后，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進行整流控制。在過零檢測電路中，采用了光電耦合器作為檢測元件，主要考慮的就是光電耦合器體積小，價格低，占用空間小等優(yōu)點。光電耦合器的種類很多，但工作的基本原理相同。它由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。當(dāng)發(fā)光二極管通以一定的電流時，它會發(fā)光。該光照射到光敏三極管的基極上就使它的發(fā)射極C和集電極E導(dǎo)通：當(dāng)發(fā)光二極管沒有電流流過時，沒有光照射到光敏三極管的基極，C、E極截止。當(dāng)檢測的電壓變?yōu)檎妷簳r，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。在過零檢測電路中A、B、C相在各點的波形如圖38所示[9]。圖38 過零檢測電路中各相過零輸出波形Figure 38 zerocrossing detection circuit output waveform of each phase zero 數(shù)字測速電路的設(shè)計在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性直接影響系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性。若采用測速發(fā)電機檢測轉(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。因此本設(shè)計采用每轉(zhuǎn)1024線的脈沖發(fā)生器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的脈沖列頻率與電機轉(zhuǎn)速有固定的比例關(guān)系。單片機對該頻率按M/T法進行處理后，便可在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速響應(yīng)的數(shù)字測速值。 M/T測速原理一般采用的數(shù)字式測速方法有M法和T法，但這兩種測速方法的測速范圍都受到限制。M法測速是在一定時間內(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。T發(fā)測速則是通過測量光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)出的一個脈沖即P脈沖的周期來檢測速度。因M法在低速時，和T法在高速使精度都不高，且分辨率也低，綜合這兩種測速法德長處，可采用M/T測速法。M/T測速能在寬的被測轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到高的分辨能力和滿意的測速精度且檢測時間變化不大。M/T法測速是通過測量檢測時間T和在此時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的P個脈沖來確定被測轉(zhuǎn)速，其測速原理如圖39所示。檢測時間T可由計數(shù)器對頻率已知的計數(shù)脈沖所得計數(shù)值獲得，P脈沖數(shù)由計數(shù)器得到。設(shè)計數(shù)器脈沖頻率為，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出P個脈沖，則檢測時間T=/。若在T時間內(nèi)對P脈沖的計數(shù)值為，則可得到M/T法測得的轉(zhuǎn)速測量值計算公式： （r/min） （31）本設(shè)計中=HZ，由于采用4倍頻電路，故P=41024。 （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)中選等于相鄰兩個自然換相點的間隔，這樣可以節(jié)省定時器，測速時AT89C51單片機在a點響應(yīng)同步信號中斷，將預(yù)置常數(shù)FFFFH送入計數(shù)器并立即啟動計數(shù)，到達b點后，單片機發(fā)出停止測速信號，的計數(shù)在b,c點之間停止。到達c點后，單片機讀入、的值。預(yù)置定時器常數(shù)啟動，開始下一次的測速，由于8253是減計數(shù)的，故必須將讀到的、取反后，才能得到、。 轉(zhuǎn)向的判別用M/T法只能測得轉(zhuǎn)速的大小，在可逆系統(tǒng)中還需要判別轉(zhuǎn)動的方向，PG脈沖發(fā)生器的輸出J、K兩個信號在相位上錯開四分之一個周期，要使判別電路可靠的工作，兩個單穩(wěn)電路的延時都應(yīng)小于四分之一個周期，通過判別電路由RS觸發(fā)器的狀態(tài)可以反映旋轉(zhuǎn)的方向。電路及波形如圖310所示。當(dāng)Q=0為反向運行，Q=1為正向運行[5]。圖310 轉(zhuǎn)向判別及波形圖Figure 310 shift and waveform discrimination 數(shù)字測速硬件電路的設(shè)計可編程計數(shù)/定時器8253有兩個基本的功能，即定時和計數(shù)。除此之外還可以作為頻率發(fā)生器、分頻器、時鐘、單脈沖發(fā)生器等。這些功能是通過對8253進行編程，寫入控制字來實現(xiàn)的，本設(shè)計是計數(shù)器0和計數(shù)器1聯(lián)合進行轉(zhuǎn)速檢測，兩個計數(shù)器分別對和進行計數(shù)，D觸發(fā)器用來計數(shù)與脈沖發(fā)生器同步由于8353為下降沿計數(shù)，故加入反向器G。AT89C51單片機的端給出啟動、停止測速的信號。由于對檢測時間T的測量最大可能有一個計數(shù)脈沖周期的誤差，當(dāng)n不變時，提高T時間內(nèi)的值可提高對每個測速脈沖周期測量的精確性。所以本設(shè)計采用用了4倍頻電路來提高精度，減少測速時間和時間的滯后，改善了動態(tài)響應(yīng)。PG脈沖發(fā)生器在有相位互差90176。的J、K兩路來輸出矩形波。4倍頻電路的異或門GG2選用CD4070，J、K兩路波形經(jīng)G1異或后得到C點的2倍頻波形為獲得4倍頻，RCG2組成一組邊沿檢測器，將C點的2倍頻波形的上升沿及下降沿檢測出來，便可獲得D點的4倍頻波形了。具體電路原理圖如圖311所示。圖311 8253轉(zhuǎn)速檢測電路圖Figure 3118253 speed detection circuit用計數(shù)器l定時采樣時間，晶振頻率為2MHz，那樣根據(jù)存入數(shù)值的不同采樣時問也隨之變化。這里設(shè)定采樣時間為lms。定時時間到后，申請中斷。采用方式2進行計數(shù)，主要有三個原因：一是因為方式2門控信號GATE的高、低決定了計數(shù)器的啟、停；二是當(dāng)GATE端出現(xiàn)上升沿信號或是重新啟動時，計數(shù)初值會自動重新裝入累加器中，使軟件程序更加簡單；三是當(dāng)啟動計數(shù)器后，輸出OUT變?yōu)楦唠娖?，計?shù)執(zhí)行單元執(zhí)行減l操作，減到0時，輸出端OUT變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷請求，進入中斷程序中讀取計數(shù)器0中的數(shù)值，進行轉(zhuǎn)速的累加和計數(shù)。用計數(shù)器O對轉(zhuǎn)速脈沖個數(shù)進行檢測，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時，計數(shù)初值能自動重新裝入計數(shù)累加器中；門控信號GATE也決定了計數(shù)器的啟、停。由于累加器是減一操作，所以計數(shù)初值存入最大值00H。根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖的發(fā)生頻率，計數(shù)器的工作頻率遠遠高于轉(zhuǎn)速頻率，不會出現(xiàn)在檢測過程中漏檢的現(xiàn)象；在單位采樣時間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖也不會超過這個存入的最大值。因此，此轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的設(shè)計是合理、可行的[4]。 4 數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計 數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計簡介本設(shè)計先選用“模擬系統(tǒng)設(shè)計法”然后在經(jīng)過離散化后送到ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器送往單片機進行全數(shù)字控制。本設(shè)計中AT89C51單片機是控制系統(tǒng)的核心，它主要具有數(shù)字自動調(diào)節(jié)功能，這時相當(dāng)于典型的雙閉環(huán)模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用。它通過一定的算法實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，當(dāng)采樣系統(tǒng)的頻率滿足采樣定理時，采樣系統(tǒng)的特性接近于連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，即采樣后的離散喜好能不失真的反映原連續(xù)信號的變化。所以下面我們先針對模擬系統(tǒng)中的電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行設(shè)計。 電流環(huán)的設(shè)計電流環(huán)的一項重要作用是保持電樞電流在動態(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。從這點出發(fā)應(yīng)把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，根據(jù)控制對象兩個時間常數(shù)變化可知典型I型系統(tǒng)的抗干擾恢復(fù)時間還是可以接受的因此按照典型I型系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán)節(jié)。電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡如圖41所示。圖41 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡Figure 41 current loop of the dynamic structure and its simplification對于晶閘管裝置可看成是一個具有滯后的放大環(huán)節(jié)。其滯后作用是由可控硅裝置引起的，在設(shè)計中，為計算方便，在遠小于系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)時間常數(shù)時，可把它看成一階慣性環(huán)節(jié)。由于電流調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速過程