【文章內(nèi)容簡介】 osα = KsUk/=udmaxuk/ = minuk/ =cosα minuk/ ukmax=λ uk α =arcos(λ uk) (44) 式中，λ =cosα min/ ukmax 是一個與最小控制角α min 和最大控制輸出 ukmax 有關(guān)系的常數(shù)。 式 (44)即是α與 uk 的關(guān)系式。由它可算出對應(yīng)于某一 uk 值的α值。由于一般均用時間值來表示α，所以還需要對α轉(zhuǎn)換成時間值 Tα 。 對于 50Hz 的交流電而言，控制角α對應(yīng)的時間為： Tα =α *106/360*50 （μ s） (45) 為了加快計算速度，可采用查表法或插值查表法來按 uk 值計算 Tα 值。 脈沖分配表 在觸發(fā)六個晶閘管時，要按照圖 43 的順序，依次發(fā)出控制信號。為了方便起 見，可建立一個脈沖分配表，如表 41，它放于程序存儲器中。每當觸發(fā)時間到，按指針從表中取出一個數(shù)據(jù)從單片機的 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 單片機系統(tǒng)設(shè)計 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。 對于用于軋機傳動等要求響應(yīng)快、精度高的調(diào)速系統(tǒng)，一般需要使用 16廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 20 位的單片機，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)計算、控制輸出等功能。 對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，如 Inter 的 MCS51 或者 Motorola 的 M68HC0 M68HC11，其中后者有 16 位運算功能，并有片內(nèi) 8 位高速 A/D 和 16 位多功能定時器系統(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。 80C31 單片機簡介 80C31 單片機屬于基本型的 51 系列單片機，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 個特殊功能寄存器；片內(nèi)還包括兩個 16 位定時器 /計數(shù)器、一個全雙 工串行 I/O 口（ UART）、 32 條 I/O線、 5 個中斷源和兩級中斷，尋址能力達 128K 字節(jié)（其中程序存儲器 ROM 和數(shù)據(jù)存儲器 RAM 各 64K 字節(jié)）。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時鐘頻率為 12MHz，大部分指令周期只需 1μ s，乘除指令也僅需 4μ s。 單片機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 80C31 外接 27128EPROM 作為 16K 程序存儲器，存放全部控制軟件。用兩片 74LS374 和四個 PNP 中功率三極管以動態(tài)掃描方式驅(qū)動四位 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 口上外接三個按鍵，一個為啟動 /停止鍵，用于啟動或停止電機運轉(zhuǎn)；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設(shè)定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉(zhuǎn)速。另外利用一片 74LS374 的多余輸出線，外接兩個 LED 發(fā)光管，一個用于顯示工作正常與否，它每隔 1 秒閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態(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 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)生廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 21 EOC 脈沖和 1INT 中斷。這時， MCU 可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。 圖 44 電流測量框圖 如圖 44 所示，交流電流通過電流互感器變成 0～ 5V 電壓信號，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，可按下速度給定顯示鍵。這時，四位 LED 上將顯 示對應(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，一方面成本將較高，另一方面計算將大大復(fù)雜，因為必須采用 16 位計算，所以在選型時應(yīng)該多方面考慮。 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式兩種。絕對式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進制數(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。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 22 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 900，如圖 46 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。 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 102 204 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。 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)179。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，則電動機的轉(zhuǎn)速為 ZTcMn 160? 在上式中 ,Z和 Tc 均為常值 ,因此轉(zhuǎn)速 n 正比于脈沖個數(shù) M1。高速時 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 M1 將小于 1，測速裝置便不能正常工作。所以 M 法測速只適用于高速段。 2： T 法測速。在編碼器兩個相鄰輸出脈沖的間隔時間內(nèi)，用一個計數(shù)器對已知頻率為 f0 的高頻時鐘脈沖進行計數(shù)，并由此來計算轉(zhuǎn)速，稱為 T 法測廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 23 速。在這里，測速時間緣于編碼器輸出脈沖 的周期，所以又稱周期法。在 T法測速中，準確的測速時間 Tt 是用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù) M2 計算出來的，即 Tt=M2/f0，則電動機轉(zhuǎn)速為 206060 ZMfZT ?? 高速時 M2 小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以 T 法測速適用于低速段。 3： M/T 法測速 把 M 法和 T 法結(jié)合起來，既檢測 Tc 時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1，有檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù) M2，用來計算轉(zhuǎn)速，稱作 M/T法測速。設(shè)高頻時鐘脈沖的頻率為 f0，則準確的測速時間 Tt=M2/f0，而電動機轉(zhuǎn)速為 2 011 6060 ZM fMZTMn t ?? 采用 M/T 法測速時，應(yīng)保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與關(guān)閉，以減少誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達時，兩個計數(shù)器才同時允許開始或者停止計數(shù)。 由于 M/T 法的計數(shù)值 M1 和 M2 都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當于M 法測速，最低速時， M1=1，自動進入 T 法測速。因此， M/T 法測速能適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測速方法。 綜上所述，本系統(tǒng)的速度測量采用數(shù)字 M/T 法測速。其中利用 T1 作為定時器，計時 Tc 時間產(chǎn)生中斷，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出 的脈沖個數(shù) M1 由 口檢測，同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù) M2 由 口檢測，最后由轉(zhuǎn)速中斷程序完成轉(zhuǎn)速的測量等等。 晶閘管控制 晶閘管觸發(fā)采用 80C31 的定時器 T0 實現(xiàn)。每次把 T△ 的補碼寫入 T0 中，在 T0 溢出時，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 50μ s，置位 ～ ，從而輸出寬度為50μ s 的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖經(jīng) CD4049 提高驅(qū)動電流（ CD4049 是一個驅(qū)動功能的反相器），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)時晶閘管處于截止狀態(tài)。 同步校正由 80C31 的定時器 T0 和外部中斷 0INT 實現(xiàn)。此同步電路是由廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 24 LM339 構(gòu)成的過零比較器電路和一個光電耦合器及一個反相器組成的。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)生一個與 Vac 同相位的方波信號，輸出的方波信號 加到 0INT 上，它置為調(diào)變觸發(fā)方式。廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 25 第 5 章 調(diào)節(jié)器的設(shè)計 對象的數(shù)學(xué)模型 單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 51 所示。 圖 51 單片機控制直流調(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， E 為電動機反電勢， UDO為晶閘管整流電壓， ID 為主回路電流。 原始數(shù)據(jù)： 直流電動機 D 的銘牌數(shù)據(jù)：型號 Z232 型，額定功率 ，額定電壓 220V，額定電流 ,額定轉(zhuǎn)速 1000r/min, 勵磁電壓 220V,運轉(zhuǎn)方式連續(xù)。 參數(shù)實測數(shù)據(jù)為 : 電動機電樞電阻 : RD= 電動機電樞電感 : 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= 單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)被控對象是直流電動機 ,由圖 51 可知 : UDO E= IDRε +Lε dID∕ dt = Rε (ID+TDdID∕ dt) (51) 對式（ 51）取拉式變換得 ID(s) 1/Rε UDO(s) – E(s) TDs+1 (52) 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 26 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 = +2179。 + + = Lε = LD+2LT+LP =++2179。 = TD= Lε / Rε =直流電動機軸上的力矩方程為 M MFZ = Cμ ID Cμ IFZ = （ GD2 / 375）178。（ dn/dt） (53) ID IFZ = （ GD2 / 375 Cμ ）178。（ dn/dt）