【文章內(nèi)容簡介】 ，并且可以達(dá)到比模擬控制 系統(tǒng)更優(yōu)的控制效果。 n * dig++Ks1Ce電 流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器nn digI * ddigI ddigK βK α微處理器 青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 采用微處理器后的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 如圖 所示的為運用微處理器實現(xiàn)雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在圖中可以看出，運用了微處理器的系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上得到了很大的簡化，這樣可以使制作成本降低。微機控制系統(tǒng)不受器件溫度漂移的影響、穩(wěn)定性好、可靠性高，提高了控制性能。通過軟件編程，進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，更改起來靈活方便。 現(xiàn)在微處理技術(shù)發(fā)展相當(dāng)快 ，生產(chǎn)微處理器的生產(chǎn)廠商也很多，微處理器的型號層出不窮，他們性能各異，有通用型的，也有一些專用型的。如德州公司生產(chǎn)的的TMS320LF240X 系列 DSP 芯片都是專用在控制電機方面的。在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用不同的微處理器，有不一樣的方案，下面進(jìn)行討論，并最終選擇一種最適合的方案。 8051 微控制器方案 8051 是 MCS51 系列單片機中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、 21 個專用控制寄存器、 4kB 的程序存儲器、 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、 4 組 8 位的并行口、兩個 16 位的 可編程定時 /計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器 [2]。 三相電壓三相整流器H 型 P W M變換器顯示鍵盤I / O8051 單片機A / DPW M生成電流檢測數(shù)字測速M 圖 采用 8051 處理器控制的原理框圖 青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 如圖 所以是采用 8051 處理器設(shè)計雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。本方案的優(yōu)點是選用了簡單的處理器，資源得到了充分的利用，不會造成太大的浪費，成本比較低。在檢修方面也有一定的優(yōu)勢，當(dāng)電路中的某一個模塊出了問題，只要對該模塊進(jìn)行修理或更換即可，其它的硬件可以繼續(xù)使用。該方案的主要不足是設(shè)計電路相對比較復(fù)雜，以軟件編程為代價實現(xiàn)調(diào)速。 青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 DSP 微控制器方案 采用 TMS320LF2407 控制設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 所示。由圖中可看出， DSP 處理器的集成程度較高，在這里用到了 PWM、 ADC、SPI 和正交編碼脈沖電路，省去了很多外設(shè)。 PWM 直接輸出到 H 型 PWM 變換器， 得以控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；通過光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)速，測得的數(shù)據(jù)直接送到 三相電壓三相整流器H 型 PW M變換器顯示鍵盤SPI外設(shè)DSP 處理器電流檢測編碼器SPI PW MADC正交編碼脈沖電路M 圖 采用 DSP 處理器控制的原理框圖 DSP 處理器的正交編碼器進(jìn)行處理；利用霍爾傳感器主電路的電流，送到 DSP 處理器上集成的 ADC， A/D 轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量，由 DSP 處理器進(jìn)行處理；可以用帶SPI 技術(shù)的接口鍵盤和數(shù)碼管顯示芯片與 DSP 處理器的 SPI 外設(shè)接口相接，進(jìn)而可以通過鍵盤給定速度，也可以進(jìn)行調(diào)速等操作，數(shù)碼管用來顯示當(dāng)前的電機轉(zhuǎn)速。這樣的設(shè)計方案在硬件結(jié)構(gòu)上得到了很大的簡化，而且在軟件編程方面也帶來很大的方便，只須對一處理器內(nèi)部的一些寄存器進(jìn)行編程即可，大大縮短了開發(fā)流程。這與方案一相比主要是少了一些外設(shè)，不用設(shè)計專門的 PWM 控制電路，不需要選擇一個分辨率滿足系統(tǒng)要求的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及對速度檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng) 的整形等 [3]。 綜上所述的兩個方案，從控制的精確、快速、簡單和題目的要求方面考慮，對雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)，選擇方案二進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。 青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在 超過臨界電流值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電 流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能 [4]。 與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速 過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。 綜上所述，本系統(tǒng)用一臺 DSP 及外部擴展設(shè)備代替模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn) DSP 的控制 。其硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示。 青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 A / D+? ? ??? ST?? ??? LT???????????DS P ???????M???? 圖 DSP 控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的工作原理 在此 DSP 控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、 A/D 轉(zhuǎn)換器送入計算機，計算機按照已定的控制算法計算產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到 直流 PWM 變換器 的控制級，從而可以改變平均輸出電壓的大小 ，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動機的速度。 IGBT 正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。 青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 2 主電路設(shè)計與參數(shù)計算 主電路選型 電動機的額定電壓為 48V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用 D/Y 聯(lián)結(jié)。 整流電路選擇 整流電路是電力電子中出現(xiàn)的 最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。主要分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)分橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路 [5]。 由于工廠為三相交流電源，這里選用三相橋式電路，三相橋式中有全控和不可控，雖然全控的性能好，單需要觸發(fā)電路，勢必會增加成本，在這里為了減少設(shè)計的成本和減少程序的編寫，在這里選用三相橋式不可控整流電路，電路圖如圖 。 RCVD 1 VD 3 VD 5VD 4 VD 6 VD 2abcT 圖 電容濾波的三相橋式不可控整流電路 PWM 變換器設(shè)計 可逆 PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 形）電路。 其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式。在第 1 章中 已經(jīng)介紹了，這里選用 雙極性 ， 雙極性驅(qū)動是指在一個 PWM 周期內(nèi)，電動機電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。 青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 M4 213A BV 1V 2V 3V 4VD 1VD 2 VD 4VD 3UsU i 1U i 2 U i 1U i 2 圖 H 型雙極可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng) 圖 是 H 型雙極性可逆 PWM 的工作電路原理圖。 4 個開關(guān)組分成兩組， VV4 為一組， V V3 為另一組。同一組的開關(guān)管同步 導(dǎo)通或通斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。使用時要注意加“死區(qū)”，避免同一橋臂的開關(guān)管發(fā)生直通短路。 在每個 PWM 周期里，當(dāng)控制信號 Ui1 高電平時，開關(guān)管 V V4 導(dǎo)通，此時Ui2 為低電平，因此 V V3 截止，電樞繞組承受從 A 到 B 的正向電壓；當(dāng)控制信號 Ui1 低電平時，開關(guān)管 V V4 截止，此時 Ui2 為高電平，因此 V V3 導(dǎo)通，電樞繞組承受從 B 到 A 的方向電壓，這就是所謂“雙極”。由于在一個 PWM 周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，因此雙極性控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓Ud 計算公式為： ， 其中 ρ= （ ） 由式（ ）可見，雙極性可逆 PWM 驅(qū)動時，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比 ρ大小。當(dāng) ρ=0 時， Ud=Us,電動機反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng) ρ=1 時， Ud=Us，電動機正轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng) ρ=1/2 時， Ud=0。電動機不轉(zhuǎn)。雖然此時電動機不轉(zhuǎn)，但電樞繞組中仍然有交邊電流流動，使電動機產(chǎn)生高頻振蕩，這樣振蕩有利于克服電動機負(fù)載的靜摩擦，起著所謂“動力潤滑”的作用，提高了動態(tài)性能 [6]。 ontTo n o n o nd s s st T t 2 tU = U = 1 U = ( 2 ρ 1 ) UT T T輊驏 247。231。犏 247。231。 247。231。犏 桫臌青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 PWM 調(diào)速系統(tǒng)主電路 在文章的 第 1 章 中，我已經(jīng)簡明講述了調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要由三相不可控整流電路和 PWM 變換器電路構(gòu)成。圖 所示是橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖 [7]。 MTU sU cR aR bVT 1VT 2VT 3+ +CVT 4VD 1VD 2VD 3VD 4D S P 控制VT bVD 1 VD 3 VD 5VD 4 VD 6 VD 2K圖 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖 PWM 變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用了電容 C 濾波，以獲得恒定的直流電壓 U。由于電容的容量較大，接加電源時相當(dāng)于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管。為了限制充 電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電流 Ra（或電抗），合上電源后，延遲開關(guān)將 Ra 短路，以免在運行中造成附加損耗。 濾波電容器往往在 PWM 裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容器容量的選擇是 PWM 裝置設(shè)計中的重要問題。但對于 PWM 變換器中的濾波電容器來說，具作用除濾波外，還有當(dāng)電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電流靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端的電壓升高，稱作“泵升電壓”。一般來說。是由電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很 小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。 而在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容量來限制泵升電壓，這時，可以采用圖 中的整流電阻 Rb 來消耗部分動能。 Rb 的分流電路靠開關(guān)器件VTb 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時接通。 對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋給電網(wǎng)。當(dāng)然，這樣一來，系統(tǒng)就會變得復(fù)雜多了，在這里青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 也就不再介紹了。 直流電動機 DSP 控制和驅(qū)動電路 圖 是根據(jù)控制原理所設(shè)計的用 TMS320LF2407A DSP 實 現(xiàn)直流電動機調(diào)速的控制和驅(qū)動電路 。 V 1 V 3V 2 V 4+霍爾電流傳感器直流電動機增量式光電編碼器A D C I N 00 Q E P 1Q E P 2P W M 1P W M 2P W M 3P W M 4T M S 320 LF 2407 A隔離驅(qū)動電路V 1V 2V 3V 4 圖 直流電動機 DSP 控制和驅(qū)動電路 圖中采用了 H 型驅(qū)動電路，通過 DSP 的 PWM 輸出引腳 PWM1PWM4 輸出的控制信號進(jìn)行控制。用霍爾電流傳感器檢測電流變化，并通過 ADCIN00 引腳輸入給 DSP，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號。采用增量式光電編碼器檢測電動機的速度變化，經(jīng) QEP QEP2 腳輸入給 DSP，獲得速度反饋信號 [3]。它還可以很容易地實現(xiàn)位置控制。 速度測量 速度檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測 方法。模擬測速一般采用測速發(fā)電機，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。不過模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴(yán)重。對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測速。 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機相連，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量青島科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 式兩種。絕對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)碼送入計算機。絕對式編碼器常用于檢測 轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號，必須對轉(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 所示，當(dāng)電動機旋轉(zhuǎn)時，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動。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，從而可以計算轉(zhuǎn)速。 發(fā)光裝置碼盤軸接收裝置V CC 圖 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，可增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的 1/4，則兩組脈沖序列 A 和 B 的相位相差 90 o，如圖 所示。正轉(zhuǎn)時 A 相超前 B 相；反轉(zhuǎn)時 B相超前 A 相。采用簡單的鑒相電路就可以分辨出方向。 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)ABAB 圖 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 102204 4096 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 [3]。 采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法有三種： M 法、 T 法和 M/T 法 。 （ 1） M 法測速。在一定的時間 Tc 內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù) M1，用以計算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作 M 法測速。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。電動機每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生 Z 個脈沖（ Z=倍頻系數(shù)編碼光柵數(shù)），把 f1 除以 Z 就得到電動機的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時間 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