【導讀】電樞電壓、額定轉速、價格等方面。但由于交流電機的調(diào)速一直比較困難，所以，長期。電機調(diào)速傳動一直占主要地位。然而，近年來，一方面隨著大功率可控電力電子元件和。能，另一方面，從節(jié)能的觀點要求把原來作恒速運行的交流電機傳動系統(tǒng)改為調(diào)速傳動。通過控制晶閘管的觸發(fā)角，就可以對輸出交流基波電壓有效值進行控制，來達到調(diào)。保護電路，STC89C51RC單片機，測速發(fā)電機等組成。中、小容量拖動裝置中。

　　

【正文】 T 圖 復位電路 在單片機的實際應用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復位以外，外部擴展的 I/O 接口電路等也需要復位。因此需要一個系統(tǒng)的同步復位信號，即單片機復位后， CPU 開始工作時，外部電路一定要復位好，以保證 CPU 有效的對外部電路進行初始化編程。 RST 是高電平有效，而 I/O 接口電路的復位端一般為 TTL 電平輸入，通常也是高電平有效，但這兩種復位輸入的復位有效的電平不完全相同，如果 CPU 和 I/O 的復位不同步，則系統(tǒng)湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 19 不能正常工作。本設計中采用的是系統(tǒng)復位，將復位電路產(chǎn)生的復位信號經(jīng)斯密特電路整形后作為系統(tǒng)的復位信號，加到 STC89C51RC 單片機和外部 I/O 接口電路的復位端。 速度 檢測 電路 現(xiàn)在普 遍采用光電編碼器 ( P u l s e L i g h t G e n e r a t o r P L G) 檢 測電動機轉速， 這是一種精度較高、實用簡便的測速元件，而且產(chǎn)生的信號是數(shù)字脈沖，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。 P L G 測速的原理是：光碼盤每轉一周輸出的脈沖數(shù)一定，隨著電動機 轉速不同，輸出脈沖頻率不同，即頻率與轉速成正比，若測量出脈沖頻率，通過軟件計算就能得到電動機轉速。 112A 相3B 相44P2CLK211D212CLR213VCC14CLR11D12CLK13SET14Q15Q16GND7SET210Q29Q28TextU4TextTextText74LS74PLG 圖 光電編碼器電路 過壓 檢測 保護電路 為了使系統(tǒng) 安全可靠運行，除了合理布線外、采取屏蔽、隔離、濾波和晶閘管 RC吸收 電路及壓敏電阻過壓保護之外，還設置了過電流 、 過壓保護電路，由電流互感器與過電流檢測電路所捕捉的過電流信號負跳變被送至單片機的 INTO 口申請中斷，它具有最高優(yōu)先級，被響應后再由軟件判斷是否要改變移相控制電壓，進行封鎖三相觸發(fā)脈沖，并從 。 如圖 所示為主電路中過流、過壓的檢測保護電路 。湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 U1+13K310K4 10K620K23K71K5GNDVcc(+12v) Vcc(+5v)542GNDUceVCCGND 圖 主電路中 過壓的檢測保護電路 同步輸入電路及移相 觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生 同步信號輸入電路 如圖 所示，電動機三相異步電壓 U、 V、 W 經(jīng)圖所示的同步變壓器電路后變成U V W1 同步電壓。 T1T2T3UVWU1V1W1 圖 同步信號輸入電路 觸發(fā)脈沖線路與驅(qū)動電路 考慮到實際系統(tǒng)的工作環(huán)境，提高運行穩(wěn)定性與抗干擾能力，晶問管采用單片機控制下的硬件觸發(fā)。 本論文采用的是 KC 系列的 KCZ6 集成化三相全控橋六脈沖觸發(fā)組件。該組件采用湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 21 三塊 KC04 移相觸發(fā)器，一塊 KC41 六路雙脈沖形成器，一塊 KC42 脈沖列調(diào)制形成器組成。 圖 是觸發(fā)線路的結構及工作原理圖，從圖 中可以看出觸發(fā)線路主要由同步濾波環(huán)節(jié)、過零檢測及鋸齒波形成單元、脈沖形成單元、脈沖發(fā)生器、雙脈沖形成與分配環(huán)節(jié)、脈沖功放環(huán)節(jié)六部分組成。 同 步 濾 波同 步 濾 波過 零 檢 測 及鋸 齒 波 形 成過 零 檢 測 及鋸 齒 波 形 成脈 沖 形 成 電 路脈 沖 形 成 電 路雙窄脈沖形成分配雙窄脈沖形成分配脈 沖 發(fā) 生 器脈 沖 發(fā) 生 器?a ?c?b ?a?b ?cABC同 步 濾 波同 步 濾 波過 零 檢 測 及鋸 齒 波 形 成過 零 檢 測 及鋸 齒 波 形 成脈 沖 形 成 電 路脈 沖 形 成 電 路同 步 濾 波同 步 濾 波過 零 檢 測 及鋸 齒 波 形 成過 零 檢 測 及鋸 齒 波 形 成脈 沖 形 成 電 路脈 沖 形 成 電 路脈沖功率放大與隔離 圖 觸發(fā)線路的結構及工作原理圖 來自同步變壓器的三相電壓信號，經(jīng)同步濾波環(huán)節(jié)濾去波形上疊加的高次諧波成分，并使同步電壓過零點即為自然換流點，提供給過零檢測及鋸齒波形成單元，過零檢測單元檢測出每一相同步電壓正負半波的過零點，在相應的過零點經(jīng)充電電源給鋸齒波電容充電，隨著 同步電壓的周期性變化，便可在三路過零檢測 及鋸齒波形成單元的輸出得到三路 (每路內(nèi)部為相差 180186。、各路彼此之間相差 120186。)周期性變化且線性度很好的鋸齒波，該三路鋸齒波提供給脈沖形成單元與 輸入的移相電壓控制信號比較，比較器輸出控制脈沖形成單元形成觸發(fā)脈沖，并經(jīng)脈沖形成環(huán)節(jié)內(nèi)的調(diào)制器根據(jù)脈沖發(fā)生器輸出的高頻脈沖頻率 (15kHz)調(diào)制成脈沖列，該三路脈沖列提供給雙脈沖形成與分配環(huán)節(jié)形成補脈沖，分配成六路彼此互差 60186。的雙脈沖列，該六路脈沖列經(jīng)脈沖功率放大電路進行功率放大后輸出，直接帶動脈沖變壓器來觸發(fā)三相三線式交 流調(diào)壓電路中的六個晶閘管。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 22 + 61鋸 齒 波2R?v c23 84 71R 圖 過零檢測與鋸齒波形成線路基本單元 圖 補脈沖形成原理 圖 是過零檢測與鋸齒波形成線路的基本單元。集成電壓比較器 LM311 的管腳1GND 接地，當檢測每一相的正半波過零時，將同步信號接比較器的正向輸入端，反向輸入端接地，這樣正半波過零時在輸出端應為高電平。但由于 LM311 輸出級是集電極開路的，只有在輸出端與電源之間接一電阻才可能輸出高電平，否則，在輸出邏輯 1 時實際 上輸出端為高阻抗狀態(tài)。圖中不接上拉電阻，利用高阻狀態(tài)電源為電容充電，形成鋸齒波，在負半波到來時快速放電。 在檢側負半波過零時，將比較器正向輸入端接地，同步信號接反向輸入端。雙窄脈沖形成當晶閘管門極上的觸發(fā)脈沖為雙窄脈沖時，可滿足電阻、電感或反電動勢負載對觸發(fā)脈沖寬度的不同需要 ,采用補發(fā)脈沖的方式，即當要b＋ a＋ a＋ a－ a－ b＋ b－ b－ c－ c－ c+ c+ t t t uA uB uC 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 23 求某一晶閘管導通時，除了給它本身發(fā)出一個觸發(fā)脈沖外，還要給前一個換流的晶閘管發(fā)一個觸發(fā)脈沖。在一個周期內(nèi)對每個晶閘管須要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖中間間隔為60186。圖 中 A 相的補脈沖由 C 相產(chǎn)生， B 相的補脈沖 由 A 相產(chǎn)生， C 相的補脈沖由B 相產(chǎn)生 (實線該相的觸發(fā)脈沖，虛線為由其它相產(chǎn)生的補脈沖，‘＋’表示正半周期，‘一’表示負半周期 )。 輸出六路雙脈沖觸發(fā)信號，觸發(fā)電路相對于移相控制電壓為反極性，即移相電壓增大，移相角增大，導通角減小，其輸出波形為調(diào)制脈沖列，因而可極大地減小外接脈沖變壓器的體積及尺寸。采用三相同步變壓器獲得同步信號，使六路脈沖的均衡度較高。 KCZ6 在三相全控橋式變流裝置中使用。它將觸發(fā)脈沖控制電壓的幅度轉化為相應的控制角，使電動機可靠的工作。每一相輸出脈沖能可靠的驅(qū)動一只功率晶閘管元件。 晶閘管觸發(fā)驅(qū)動 六路脈沖控制信號在送入晶閘管控制級之前，必須對其進行放大，因為從 AT89C52輸出的脈沖信號強度不夠驅(qū)動晶閘管，此時采用如圖 12 所示的光電耦合集成運放驅(qū)動電路。從單片機來的控制信號經(jīng)過光電耦合再由集成運放放大，達 到晶閘管所需的觸發(fā)脈沖。這種方法摒棄了體積較大的脈沖變壓器，電路的結構更簡 。 下圖為晶閘管觸發(fā)隔離電路 253XIR12R14R13R11VCCGND243XIR8R10R9R7VCCGND233XIR4R6R5R3VCCGND123U4A564U4B8910U4C8 9U3D34U3B56U3CVDDVDDVDD 圖 隔離驅(qū)動電路 PID 調(diào)節(jié)模塊控制原理和有關的設計 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 24 PID 控制算法有位置式和增量式之分，所謂 增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△ u(k) 增量式 PID 控制算法 （ 41） 式中： IPI TTKK ? —— 積分系數(shù)； TTKK DPD? —— 微分系數(shù)。 可以看出，由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定 KP,KI,KD只要使用前 3 次測量值的偏差，即可求出控制增量。 采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量△ u(k)對應的是本次執(zhí)行機構位置的增量。對應閥門實際位置的控制量，即控制量增量的積累 u(k)=∑△ u(k)需要采用一定的方法來解決，例如采用積累作用的元件來實現(xiàn)。而目前較多的是利用算式 u(k)=u(k1)+△u(k)，通過執(zhí)行軟件來完成。 從圖 可以看出，就整個系統(tǒng)而言，位置式與增量式控制算沒有本質(zhì)的區(qū)別，兩者仍 然全部由計算機承擔計算。 增量式控制雖然只是在算法上做了一點改進，卻帶來了不少的優(yōu)點：由于計算機只輸出 增量，所以誤動作時影響小，必要時可增設邏輯保護；手動 /自動切換時沖擊小；算式中不需要累加，只需記住四個歷史數(shù)據(jù)，即 e(k2)、 e(k1)、 e(k)和 u(k1)，占用內(nèi)存小，計算方便。 P I D增 量 控 制P I D增 量 控 制執(zhí) 行 機 構執(zhí) 行 機 構 被 控 對 象被 控 對 象R ( k ) E ( k )U ( k )U ( k ) 圖 增量式 PID 控制原理 增量式控制也有其不足之處：積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執(zhí)行器 或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置式控制算法，而在以異步電動機或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。 )]2()1(2)([)()]1()([)( ?????????? kekekekkekkekeKku DIP)]1()([)()( ???????? kekekkekkek DIP湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 25 在 RAM 區(qū)中需要選擇適當?shù)膯卧４娈斍暗乃俣冉o定 Vs，當前實際轉速 Vi、以及當前的和前兩次的速度偏差 ei, ei1和 ei2。在此基礎上 PID 算法的軟件編寫非常簡單。從上述公式中可以看到其中有 KU, KP, KI, KD等參數(shù)是在系統(tǒng)調(diào)試后確定的，而且一旦調(diào)試完成后即不宜變動，也不能因掉電而丟失。在模擬式的控制單元中，上述參數(shù)可以用電位器通過調(diào)試來設置。而在全數(shù)字化的控制單元中則需要通 過人機接口 (如鍵盤顯示裝置 )來進行設置。一旦調(diào)試設置完成，這些參數(shù)均應存儲在 NOVRAM 或 EEPROM的指定單元中。在 PID 調(diào)節(jié)程序啟動時，程序到這些指定單元中去尋取有關參數(shù)。 PID 控制器的輸出 U1應通過轉換而成為代表控制角 A 的計數(shù)值。我們知道晶閘管調(diào)壓環(huán)節(jié)是一個非線性環(huán)節(jié)，即控制角 A 與晶閘管調(diào)壓器的輸出電壓之間呈非線性關系。如果我們把這種關系制成一個對照表 (lookup table)存儲起來，并且在軟件算法利用這個對照表，有可能使 PID 控制輸出與調(diào)壓器輸出電壓之間形成一個線性環(huán)節(jié)。 系統(tǒng)工作 原理 開機時合上電源，啟動單片機，運行程序 ， 程序先初始化，然后進入控制循環(huán)。系統(tǒng)采樣周期設為 5ms，每隔 5ms 采樣給定 UN和轉速反饋 U 一次，將 UN與 U 進行比較，得到偏差△ U，由 △ U 進行 PID 運算，求得 U1，再將 UN和 U1相加得到信號 U2，然后再經(jīng)由 軟件 PID 調(diào)節(jié)處理后 ， 輸出移相控制電壓數(shù)字量 ,再經(jīng) D/A 轉換后輸入觸發(fā)脈沖，啟動電動機運轉。 啟動的第一階段中， △ U 總是大于 0，所以 PID 運算后， U2不斷的上升直到飽和，使輸出電壓不斷上升，電動機轉速不斷升高，當電動機轉速上升超過給定轉速時，偏差△ U 變負， PID 運算的結果獲得負的控制增量△ U，于是 U1 減少， U2減少，使電動機轉速下降。經(jīng)反復調(diào)節(jié)，最后使電動機穩(wěn)定運行于給定轉速。 當負