【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 驅(qū)動(dòng)．就需要每個(gè)光耦之間沒有任何聯(lián)系，也就是要需要至少4個(gè)獨(dú)立的電源給其供電，那樣在任何一個(gè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離，因?yàn)槊}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(hào)的隔離器件。脈沖變壓器隔離法傳遞脈沖輸入/輸出信號(hào)時(shí)，不能傳遞直流分量。微機(jī)使用的數(shù)字量信號(hào)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(cè)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[9]。 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用磁補(bǔ)償式霍爾電流傳感器來進(jìn)行電流反饋信號(hào)的檢測(cè)通過ADC0809進(jìn)行 模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)中?；魻栯娏鱾鞲衅魇且环N比較好的隔離式強(qiáng)電流檢測(cè)裝置，它不僅能測(cè)量靜態(tài)，動(dòng)態(tài)的參數(shù)，還具有動(dòng)作頻率寬。電隔離等優(yōu)點(diǎn)，給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了不少方便。為了檢測(cè)直流電動(dòng)機(jī)電流大小和電流是否為零，提高檢測(cè)精度和抗干擾能力。本設(shè)計(jì)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(jí)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(chǎng)補(bǔ)償平衡原理的，即初級(jí)電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過一個(gè)次級(jí)線圈的電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)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)。具體工作過程是：當(dāng)初級(jí)電流通過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，稱為初級(jí)磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)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(bǔ)償電流（又稱次級(jí)電流），次級(jí)電流流過導(dǎo)磁體磁環(huán)上的次級(jí)線圈產(chǎn)生了次級(jí)磁場(chǎng)，它補(bǔ)償了上述初級(jí)磁場(chǎng)，霍爾元件便處于零磁通的平衡工作狀態(tài)。由于上述動(dòng)態(tài)平衡過程極快，從宏觀上看，次級(jí)電流通過測(cè)量電阻在任何時(shí)刻均能檢測(cè)出來，器大小波形是與初級(jí)電流完全相對(duì)應(yīng)的。 電流檢測(cè)電路的硬件設(shè)計(jì)當(dāng)傳感器檢測(cè)的電流經(jīng)過測(cè)量電阻時(shí)，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(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至ATC89C51。另一路送零電流檢測(cè)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(jí)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(cè)的目的。零電流檢測(cè)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(cè)的意義過零檢測(cè)在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中是最為重要的。過零檢測(cè)是否準(zhǔn)確直接決定了控制系統(tǒng)的好壞。如果過零檢測(cè)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?。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(shí)，過零檢測(cè)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(shí)候開始觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，直接影響整流電壓的大?。鶕?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?yàn)樗目煽匦?。?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(hào)，只有兩者同時(shí)具備，晶閘管才會(huì)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(shí)刻算起到晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的電角度。用表示，稱作控制角。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(hào)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(shí)間，也就達(dá)到了改變負(fù)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(duì)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。角增大，整流平均電壓Ud減小，=0176。時(shí)，整流電壓最大Ud=Udm。當(dāng)Ud從最大值下降到零時(shí)，所對(duì)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(fù)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(jiǎn)單的晶閘管工作電路為例作詳細(xì)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(cè)到零點(diǎn)電壓后，延時(shí)控制角對(duì)應(yīng)的時(shí)間，晶閘管開始導(dǎo)通，在其兩端承受負(fù)相電壓時(shí)，晶閘管自動(dòng)關(guān)斷?？刂平窃叫。瑢?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(diǎn)不再是過零點(diǎn)，而是相對(duì)延后30176。的自然換相點(diǎn)。從自然換相點(diǎn)開始定時(shí)控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間后，開始發(fā)送六路觸發(fā)脈沖，脈沖觸發(fā)順序?yàn)門1T6～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(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。根據(jù)整流電壓公式：，因此控制角的定時(shí)時(shí)刻就尤為重要，即自然換相點(diǎn)。但在實(shí)際的檢測(cè)過程中，自然換相點(diǎn)不容易檢測(cè)到，即便檢測(cè)到準(zhǔn)確性也不是很高。而我們把自然換相點(diǎn)與過零點(diǎn)之間的區(qū)域，稱作自然換相角。在三相電源中，這個(gè)角度是固定的，其值為30176。所以我們就可以利用這一點(diǎn)，把檢測(cè)自然換相點(diǎn)換成檢測(cè)過零點(diǎn)，然后再延時(shí)30176。角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。那么我們就可以很容易得到自然換相點(diǎn)，也就是控制角的起始點(diǎn)，然后再定時(shí)控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進(jìn)行整流控制。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(cè)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。這樣可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)控制更簡(jiǎn)便。 在本調(diào)速裝置中。對(duì)于控制角的定時(shí)與上述理論相一致，不同的是在檢測(cè)到過零點(diǎn)后，定時(shí)時(shí)間不光是自然換相角30176。所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，還包括的控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。兩者一起定時(shí)，無論從硬件上還是軟件上都簡(jiǎn)便了很多。等到整個(gè)定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進(jìn)行整流控制。在過零檢測(cè)電路中，采用了光電耦合器作為檢測(cè)元件，主要考慮的就是光電耦合器體積小，價(jià)格低，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)，它會(huì)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(shí)，沒有光照射到光敏三極管的基極，C、E極截止。當(dāng)檢測(cè)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。在過零檢測(cè)電路中A、B、C相在各點(diǎn)的波形如圖38所示[9]。圖38 過零檢測(cè)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(cè)速電路的設(shè)計(jì)在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性直接影響系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性。若采用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)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(jì)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(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比例關(guān)系。單片機(jī)對(duì)該頻率按M/T法進(jìn)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(cè)速值。 M/T測(cè)速原理一般采用的數(shù)字式測(cè)速方法有M法和T法，但這兩種測(cè)速方法的測(cè)速范圍都受到限制。M法測(cè)速是在一定時(shí)間內(nèi)通過測(cè)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(cè)轉(zhuǎn)速。T發(fā)測(cè)速則是通過測(cè)量光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)出的一個(gè)脈沖即P脈沖的周期來檢測(cè)速度。因M法在低速時(shí)，和T法在高速使精度都不高，且分辨率也低，綜合這兩種測(cè)速法德長(zhǎng)處，可采用M/T測(cè)速法。M/T測(cè)速能在寬的被測(cè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到高的分辨能力和滿意的測(cè)速精度且檢測(cè)時(shí)間變化不大。M/T法測(cè)速是通過測(cè)量檢測(cè)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(cè)轉(zhuǎn)速，其測(cè)速原理如圖39所示。檢測(cè)時(shí)間T可由計(jì)數(shù)器對(duì)頻率已知的計(jì)數(shù)脈沖所得計(jì)數(shù)值獲得，P脈沖數(shù)由計(jì)數(shù)器得到。設(shè)計(jì)數(shù)器脈沖頻率為，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出P個(gè)脈沖，則檢測(cè)時(shí)間T=/。若在T時(shí)間內(nèi)對(duì)P脈沖的計(jì)數(shù)值為，則可得到M/T法測(cè)得的轉(zhuǎn)速測(cè)量值計(jì)算公式： （r/min） （31）本設(shè)計(jì)中=HZ，由于采用4倍頻電路，故P=41024。 （r/min） （r/min）圖39 M/T測(cè)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(cè)速時(shí)AT89C51單片機(jī)在a點(diǎn)響應(yīng)同步信號(hào)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(cè)速信號(hào)，的計(jì)數(shù)在b,c點(diǎn)之間停止。到達(dá)c點(diǎn)后，單片機(jī)讀入、的值。預(yù)置定時(shí)器常數(shù)啟動(dòng)，開始下一次的測(cè)速，由于8253是減計(jì)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(cè)得轉(zhuǎn)速的大小，在可逆系統(tǒng)中還需要判別轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，PG脈沖發(fā)生器的輸出J、K兩個(gè)信號(hào)在相位上錯(cuò)開四分之一個(gè)周期，要使判別電路可靠的工作，兩個(gè)單穩(wěn)電路的延時(shí)都應(yīng)小于四分之一個(gè)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(yùn)行，Q=1為正向運(yùn)行[5]。圖310 轉(zhuǎn)向判別及波形圖Figure 310 shift and waveform discrimination 數(shù)字測(cè)速硬件電路的設(shè)計(jì)可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器8253有兩個(gè)基本的功能，即定時(shí)和計(jì)數(shù)。除此之外還可以作為頻率發(fā)生器、分頻器、時(shí)鐘、單脈沖發(fā)生器等。這些功能是通過對(duì)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(cè)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)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。AT89C51單片機(jī)的端給出啟動(dòng)、停止測(cè)速的信號(hào)。由于對(duì)檢測(cè)時(shí)間T的測(cè)量最大可能有一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期的誤差，當(dāng)n不變時(shí)，提高T時(shí)間內(nèi)的值可提高對(duì)每個(gè)測(cè)速脈沖周期測(cè)量的精確性。所以本設(shè)計(jì)采用用了4倍頻電路來提高精度，減少測(cè)速時(shí)間和時(shí)間的滯后，改善了動(dòng)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(diǎn)的2倍頻波形為獲得4倍頻，RCG2組成一組邊沿檢測(cè)器，將C點(diǎn)的2倍頻波形的上升沿及下降沿檢測(cè)出來，便可獲得D點(diǎn)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(cè)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。這里設(shè)定采樣時(shí)間為lms。定時(shí)時(shí)間到后，申請(qǐng)中斷。采用方式2進(jìn)行計(jì)數(shù)，主要有三個(gè)原因：一是因?yàn)榉绞?門控信號(hào)GATE的高、低決定了計(jì)數(shù)器的啟、停；二是當(dāng)GATE端出現(xiàn)上升沿信號(hào)或是重新啟動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)初值會(huì)自動(dòng)重新裝入累加器中，使軟件程序更加簡(jiǎn)單；三是當(dāng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器后，輸出OUT變?yōu)楦唠娖剑?jì)數(shù)執(zhí)行單元執(zhí)行減l操作，減到0時(shí)，輸出端OUT變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，進(jìn)入中斷程序中讀取計(jì)數(shù)器0中的數(shù)值，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的累加和計(jì)數(shù)。用計(jì)數(shù)器O對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，采用方式0，那樣當(dāng)GAME端出現(xiàn)上升沿信號(hào)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(hào)GATE也決定了計(jì)數(shù)器的啟、停。由于累加器是減一操作，所以計(jì)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(jì)數(shù)器的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速頻率，不會(huì)出現(xiàn)在檢測(cè)過程中漏檢的現(xiàn)象；在單位采樣時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖也不會(huì)超過這個(gè)存入的最大值。因此，此轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理、可行的[4]。 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(jiǎn)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。本設(shè)計(jì)中AT89C51單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，它主要具有數(shù)字自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，這時(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)采樣系統(tǒng)的頻率滿足采樣定理時(shí)，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(hào)的變化。所以下面我們先針對(duì)模擬系統(tǒng)中的電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。 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。從這點(diǎn)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(duì)象兩個(gè)時(shí)間常數(shù)變化可知典型I型系統(tǒng)的抗干擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的因此按照典型I型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流環(huán)節(jié)。電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)如圖41所示。圖41 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)Figure 41 current loop of the dynamic structure and its simplification對(duì)于晶閘管裝置可看成是一個(gè)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(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)。由于電流調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速過程