【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .25 0.5 1 2 電阻 /Ω 100 80 40 20 10 5 2 抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 mU 的 ～ 倍。得 C=， R=100Ω，選 R 為 的 CZJD2 型金屬化紙介質(zhì)電容器。 PR=fCUm2 106=50 106 ( 2 120)2106= 106W，選 R 為 20Ω普通金屬膜電阻器， 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 電流保護(hù) 快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。電壓上升率 dtdu/ ：正相電壓上升率 dtdu/ 較大時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應(yīng)有一定的限制。造成電壓上升率 dtdu/ 過大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換相時(shí)相當(dāng)于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成 dtdu/ 過大。限制 dtdu/ 過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個(gè)橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使 dtdu/ 降低。電流上升率 dtdi/ ：導(dǎo)通時(shí)電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此對(duì)晶閘管的電流上升率dtdi/ 必須有所限制。產(chǎn)生 dtdi/ 過大的原因，一般有：晶閘管導(dǎo)通時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護(hù)中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流側(cè)保護(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等。限制 dtdi/ ，除在阻 容保護(hù)中選擇合適的電阻外，也可采用與限制dtdu/ 相同的措施，即在每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè)電感。限制 dtdu/ 和dtdi/ 的電感，可采用空心電抗器，要求 L≥（ 20～ 30）μ H；也可采用鐵心電抗器， L 值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導(dǎo)線繞上一定圈數(shù)，或在導(dǎo)線上套上一個(gè)或幾個(gè)磁環(huán)來代替橋臂電抗器。所以為了防止 dtdi/ 和 dtdu/ ，每個(gè)橋臂上串聯(lián)一個(gè) 30μH的電感。 平波電抗器的計(jì)算 為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 串入帶有氣隙的鐵心電抗器 dL ，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。 1）算出電流連續(xù)的臨界電感量 1L 可用下式計(jì)算，單位 mH。 2）限制輸出電流脈動(dòng)的電感量 2L 由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，因此輸出電流波形也是脈動(dòng)的。該脈動(dòng)電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載來說，過大的交流分量 會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動(dòng)量。 3）電動(dòng)機(jī)電感量 DL 和變壓器漏電感量 TL 電動(dòng)機(jī)電感量 DL （單位為 mH）可按下式計(jì)算 4）實(shí)際串入電抗器的電感量 如上述條件均需滿足時(shí)，應(yīng)取 1dL 和 2dL 中較大者作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取 2dL =6 mH 作為平波電抗器的電感值。 可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流電抗器（又稱均衡電抗器），電感量 TL （單位為 mH）的計(jì)算公式為：一般說來，均衡電抗器 raL 和平波電抗器 DL分設(shè)的方案比較經(jīng)濟(jì)，故采用較為普遍。 勵(lì)磁電路元件的選擇 整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取 700V。額定電流可查得 K=， ID(AV)=(~2)K Ii .5~2)**= 可選用 ZP 型 3A、 700V 的二極管。 RPL 為與電動(dòng)機(jī)配套的磁場(chǎng)變阻器，用來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。 為實(shí)現(xiàn)弱磁保護(hù)，在磁場(chǎng)回路中串入了欠電流繼電器 KA ，動(dòng)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 16 作電流通過 RPI 調(diào)整。根據(jù)額定勵(lì)磁電流 Iex =，可選用吸引線圈電流為 的 JL1411ZQ 直流欠電流繼電器。 主電路及保護(hù)電路原理圖 圖 31 主電路及保護(hù)電路原理圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 第 4 章 控制電路與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 晶閘管觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì) 晶閘管觸發(fā)方法 晶閘管三相全控橋式整流電路簡(jiǎn)圖如圖 41 所示。 圖 41 三相全控橋式整流電路 圖 42 三相電壓曲線 三相全控橋式整流電路共有六個(gè)晶閘管，它們分為共陰極和共陽極兩組。在觸發(fā)時(shí)，采用雙脈沖觸發(fā)方式，每次兩組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。六個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?SCR SCR SCR SCR SCRSCR6，如圖 42 所示。相電壓曲線的交點(diǎn) t1～ t6,就是晶閘管 SCR1～SCR6 的控制角起點(diǎn)。取線電壓 Uac 從負(fù)半波的過零點(diǎn) G（ t1）作為同步基準(zhǔn)點(diǎn)，則應(yīng)觸發(fā)導(dǎo)通的第一對(duì)晶閘管為 SCR1 、 SCR6。 單片機(jī)在觸發(fā)晶閘管時(shí) ,根據(jù)電流控制器的輸出控制值 uk，以同步基 準(zhǔn)點(diǎn)位參考點(diǎn)，算出晶閘管控制角α的大小，再通過定時(shí)器按控制角的大小以及觸發(fā)順序，準(zhǔn)確地向各個(gè)晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。 在控制觸發(fā)時(shí)，有兩種觸發(fā)方法：絕對(duì)觸發(fā)方法和相對(duì)觸發(fā)方西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 法。所謂絕對(duì)觸發(fā)方法就是指觸發(fā)脈沖形成的時(shí)刻都直接取決于基準(zhǔn)時(shí)刻點(diǎn)。對(duì)三相全控橋式整流電路，在交流電的一個(gè)周期內(nèi)需要6個(gè)（或者 3 個(gè)）基準(zhǔn)點(diǎn)。相對(duì)觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準(zhǔn)來確定后一觸發(fā)脈沖時(shí)刻，它用加長(zhǎng)或縮短相鄰兩次觸發(fā)脈沖之間的間距來改變控制角，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，這個(gè)間距等于 600，控制角α改變時(shí)，該間距應(yīng)相應(yīng)改變。但由于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)以及計(jì)算 機(jī)定時(shí)器的誤差，會(huì)使控制角偏離要求值。因此，在相對(duì)觸發(fā)方式時(shí)，應(yīng)在一個(gè)周期內(nèi)用同步脈沖信號(hào)進(jìn)行一次校正，以避免誤差的積累。 對(duì)于單相電路，均使用絕對(duì)觸發(fā)方式。在三相全控橋式整流電路中，一般則常使用相對(duì)觸發(fā)方式。 綜上本次設(shè)計(jì)使用相對(duì)觸發(fā)的觸發(fā)控制方法。 控制算法 設(shè)相鄰控硅之間觸發(fā)脈沖間距角為Δ。在穩(wěn)定情況下，Δ =600。當(dāng)α由α k1 變?yōu)棣?k 時(shí)，應(yīng)有：Δ =α kα k1+600 在控制時(shí)，一般均使用單片機(jī)的定時(shí)器來完成觸發(fā)脈沖輸出。這樣，須把角度轉(zhuǎn)換成時(shí)間值。交流電的一個(gè)周期（對(duì)頻率為 50Hz為 20ms）對(duì)應(yīng)于 3600，故 600 對(duì)應(yīng)于 10/3 ms。 為了避免觸發(fā)錯(cuò)誤，必須加入同步校正。每隔 3600 來一個(gè)同步脈沖（取自線電壓 uac 的過零點(diǎn)），以此為基準(zhǔn)點(diǎn)，校正觸發(fā)第一對(duì)晶閘管 的控制角。這可采用在每個(gè)周期用定時(shí)器計(jì)數(shù)同步脈沖發(fā)生時(shí)刻與實(shí)際同步脈沖發(fā)生時(shí)刻之差 Te，然后在計(jì)算第一對(duì)晶閘管的控制時(shí)刻時(shí)，按以下公式進(jìn)行計(jì)算： 控制角的計(jì)算 對(duì)于數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求對(duì)象為線性系統(tǒng)。如果控制角α與控制輸出 uk 為線性關(guān)系，則輸出電壓 ud 與控制輸出 Uk 之間為非線性關(guān)系（余弦關(guān)系），這是我們所 不希望的。如要求觸發(fā)整流環(huán)節(jié)為一個(gè)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 放大系數(shù)為 Ks 的線性環(huán)節(jié)。 脈沖分配表 在觸發(fā)六個(gè)晶閘管時(shí)，要按照?qǐng)D 43 的順序，依次發(fā)出控制信號(hào)。為了方便起見，可建立一個(gè)脈沖分配表，如表 41，它放于程序存儲(chǔ)器中。每當(dāng)觸發(fā)時(shí)間到，按指針從表中取出一個(gè)數(shù)據(jù)從單片機(jī)的 I/O 口輸出，經(jīng)光電隔離去觸發(fā)晶閘管。 表 41 脈沖分配表（ 0 有效） 單元地址 數(shù)據(jù)（由 I/O 口輸出） 被觸發(fā)晶閘管 M M+1 M+2 M+3 M+4 M+5 X X 0 1 1 1 1 0 X X 1 1 1 1 0 0 X X 1 1 1 0 0 1 X X 1 1 0 0 1 1 X X 1 0 0 1 1 1 X X 0 0 1 1 1 1 SCR6,1 SCR1,2 SCR2,3 SCR3,4 SCR4,5 SCR5,6 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)得采樣周期比較快，計(jì)算和控制任務(wù)也比較繁忙，因此需要使用高性能的單片機(jī)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 對(duì)于用于軋機(jī)傳動(dòng)等要求響應(yīng)快、精度高的調(diào)速系統(tǒng)，一般需要使用 16位的單片機(jī)，如 Inter的 MCS96或者 Motorola 的 M68HC16等。它們能在幾微秒內(nèi)完成 16 位加法和乘法，并且有 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 16 位高性能多功能定時(shí)器系統(tǒng)，可完成調(diào)速系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、控制輸出等功能。 對(duì)于快速性和控制精度要求較低的調(diào)速系統(tǒng)，可選用高性能 8位單片機(jī)，如 Inter 的 MCS51 或者 Motorola 的 M68HC0 M68HC11，其中后者有 16 位運(yùn)算功能，并有片內(nèi) 8 位高速 A/D 和 16 位多功能定時(shí)器系統(tǒng)，還有 Watchdog 等各種其他外用功能，非常適合于調(diào)速控制系統(tǒng)。 綜上，本系統(tǒng)采用 Inter 的 MCS51 中的 80C31 單片機(jī)。 80C31 單片機(jī)簡(jiǎn)介 80C31 單片機(jī)屬于基本型的 51 系列單片機(jī)，它采用 HMOS 工藝，片內(nèi)集成有 8 位 CPU；片內(nèi)駐留 128 字節(jié)的 RAM 以及 21 個(gè)特殊功能寄存器；片內(nèi)還包括兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工串行 I/O口（ UART）、 32 條 I/O 線、 5 個(gè)中斷源和兩級(jí)中斷，尋址能力達(dá) 128K字節(jié)（其中程序存儲(chǔ)器 ROM 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 各 64K 字節(jié)）。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時(shí)鐘頻率為 12MHz，大部分指令周期只需 1μ s，乘除指令也僅需 4μ s。 單片機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 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，另西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 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 A A A0 決定。 A/D轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生 EOC 脈沖和 1INT 中斷。這時(shí)， MCU 可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。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?16 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，如圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 43 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