【導(dǎo)讀】電樞電壓、額定轉(zhuǎn)速、價(jià)格等方面。但由于交流電機(jī)的調(diào)速一直比較困難，所以，長(zhǎng)期。電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)一直占主要地位。然而，近年來(lái)，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(diǎn)要求把原來(lái)作恒速運(yùn)行的交流電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)改為調(diào)速傳動(dòng)。通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角，就可以對(duì)輸出交流基波電壓有效值進(jìn)行控制，來(lái)達(dá)到調(diào)。保護(hù)電路，STC89C51RC單片機(jī)，測(cè)速發(fā)電機(jī)等組成。中、小容量拖動(dòng)裝置中。

　　

【正文】 T 圖 復(fù)位電路 在單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機(jī)本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展的 I/O 接口電路等也需要復(fù)位。因此需要一個(gè)系統(tǒng)的同步復(fù)位信號(hào)，即單片機(jī)復(fù)位后， CPU 開(kāi)始工作時(shí)，外部電路一定要復(fù)位好，以保證 CPU 有效的對(duì)外部電路進(jìn)行初始化編程。 RST 是高電平有效，而 I/O 接口電路的復(fù)位端一般為 TTL 電平輸入，通常也是高電平有效，但這兩種復(fù)位輸入的復(fù)位有效的電平不完全相同，如果 CPU 和 I/O 的復(fù)位不同步，則系統(tǒng)湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 不能正常工作。本設(shè)計(jì)中采用的是系統(tǒng)復(fù)位，將復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)經(jīng)斯密特電路整形后作為系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)，加到 STC89C51RC 單片機(jī)和外部 I/O 接口電路的復(fù)位端。 速度 檢測(cè) 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(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， 這是一種精度較高、實(shí)用簡(jiǎn)便的測(cè)速元件，而且產(chǎn)生的信號(hào)是數(shù)字脈沖，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。 P L G 測(cè)速的原理是：光碼盤每轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù)一定，隨著電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速不同，輸出脈沖頻率不同，即頻率與轉(zhuǎn)速成正比，若測(cè)量出脈沖頻率，通過(guò)軟件計(jì)算就能得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 112A 相3B 相44P2CLK211D212CLR213VCC14CLR11D12CLK13SET14Q15Q16GND7SET210Q29Q28TextU4TextTextText74LS74PLG 圖 光電編碼器電路 過(guò)壓 檢測(cè) 保護(hù)電路 為了使系統(tǒng) 安全可靠運(yùn)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(guò)壓保護(hù)之外，還設(shè)置了過(guò)電流 、 過(guò)壓保護(hù)電路，由電流互感器與過(guò)電流檢測(cè)電路所捕捉的過(guò)電流信號(hào)負(fù)跳變被送至單片機(jī)的 INTO 口申請(qǐng)中斷，它具有最高優(yōu)先級(jí)，被響應(yīng)后再由軟件判斷是否要改變移相控制電壓，進(jìn)行封鎖三相觸發(fā)脈沖，并從 。 如圖 所示為主電路中過(guò)流、過(guò)壓的檢測(cè)保護(hù)電路 。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 U1+13K310K4 10K620K23K71K5GNDVcc(+12v) Vcc(+5v)542GNDUceVCCGND 圖 主電路中 過(guò)壓的檢測(cè)保護(hù)電路 同步輸入電路及移相 觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生 同步信號(hào)輸入電路 如圖 所示，電動(dòng)機(jī)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(hào)輸入電路 觸發(fā)脈沖線路與驅(qū)動(dòng)電路 考慮到實(shí)際系統(tǒng)的工作環(huán)境，提高運(yùn)行穩(wěn)定性與抗干擾能力，晶問(wèn)管采用單片機(jī)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jié)構(gòu)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(guò)零檢測(cè)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(guò) 零 檢 測(cè) 及鋸 齒 波 形 成過(guò) 零 檢 測(cè) 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(guò) 零 檢 測(cè) 及鋸 齒 波 形 成過(guò) 零 檢 測(cè) 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(guò) 零 檢 測(cè) 及鋸 齒 波 形 成過(guò) 零 檢 測(cè) 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(jié)構(gòu)及工作原理圖 來(lái)自同步變壓器的三相電壓信號(hào)，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(guò)零點(diǎn)即為自然換流點(diǎn)，提供給過(guò)零檢測(cè)及鋸齒波形成單元，過(guò)零檢測(cè)單元檢測(cè)出每一相同步電壓正負(fù)半波的過(guò)零點(diǎn)，在相應(yīng)的過(guò)零點(diǎn)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(guò)零檢測(cè) 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(hào)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(bǔ)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(jìn)行功率放大后輸出，直接帶動(dòng)脈沖變壓器來(lái)觸發(fā)三相三線式交 流調(diào)壓電路中的六個(gè)晶閘管。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 + 61鋸 齒 波2R?v c23 84 71R 圖 過(guò)零檢測(cè)與鋸齒波形成線路基本單元 圖 補(bǔ)脈沖形成原理 圖 是過(guò)零檢測(cè)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(dāng)檢測(cè)每一相的正半波過(guò)零時(shí)，將同步信號(hào)接比較器的正向輸入端，反向輸入端接地，這樣正半波過(guò)零時(shí)在輸出端應(yīng)為高電平。但由于 LM311 輸出級(jí)是集電極開(kāi)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(shí)實(shí)際 上輸出端為高阻抗?fàn)顟B(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(fù)半波到來(lái)時(shí)快速放電。 在檢側(cè)負(fù)半波過(guò)零時(shí)，將比較器正向輸入端接地，同步信號(hào)接反向輸入端。雙窄脈沖形成當(dāng)晶閘管門極上的觸發(fā)脈沖為雙窄脈沖時(shí)，可滿足電阻、電感或反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載對(duì)觸發(fā)脈沖寬度的不同需要 ,采用補(bǔ)發(fā)脈沖的方式，即當(dāng)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 求某一晶閘管導(dǎo)通時(shí)，除了給它本身發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖外，還要給前一個(gè)換流的晶閘管發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)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(bǔ)脈沖由 C 相產(chǎn)生， B 相的補(bǔ)脈沖 由 A 相產(chǎn)生， C 相的補(bǔ)脈沖由B 相產(chǎn)生 (實(shí)線該相的觸發(fā)脈沖，虛線為由其它相產(chǎn)生的補(bǔ)脈沖，‘＋’表示正半周期，‘一’表示負(fù)半周期 )。 輸出六路雙脈沖觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)電路相對(duì)于移相控制電壓為反極性，即移相電壓增大，移相角增大，導(dǎo)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(hào)，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(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制角，使電動(dòng)機(jī)可靠的工作。每一相輸出脈沖能可靠的驅(qū)動(dòng)一只功率晶閘管元件。 晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng) 六路脈沖控制信號(hào)在送入晶閘管控制級(jí)之前，必須對(duì)其進(jìn)行放大，因?yàn)閺?AT89C52輸出的脈沖信號(hào)強(qiáng)度不夠驅(qū)動(dòng)晶閘管，此時(shí)采用如圖 12 所示的光電耦合集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)電路。從單片機(jī)來(lái)的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合再由集成運(yùn)放放大，達(dá) 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(jié)構(gòu)更簡(jiǎn) 。 下圖為晶閘管觸發(fā)隔離電路 253XIR12R14R13R11VCCGND243XIR8R10R9R7VCCGND233XIR4R6R5R3VCCGND123U4A564U4B8910U4C8 9U3D34U3B56U3CVDDVDDVDD 圖 隔離驅(qū)動(dòng)電路 PID 調(diào)節(jié)模塊控制原理和有關(guān)的設(shè)計(jì) 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)算機(jī)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(cè)量值的偏差，即可求出控制增量。 采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量△ u(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。對(duì)應(yīng)閥門實(shí)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(lái)解決，例如采用積累作用的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而目前較多的是利用算式 u(k)=u(k1)+△u(k)，通過(guò)執(zhí)行軟件來(lái)完成。 從圖 可以看出，就整個(gè)系統(tǒng)而言，位置式與增量式控制算沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，兩者仍 然全部由計(jì)算機(jī)承擔(dān)計(jì)算。 增量式控制雖然只是在算法上做了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)了不少的優(yōu)點(diǎn)：由于計(jì)算機(jī)只輸出 增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可增設(shè)邏輯保護(hù)；手動(dòng) /自動(dòng)切換時(shí)沖擊??；算式中不需要累加，只需記住四個(gè)歷史數(shù)據(jù)，即 e(k2)、 e(k1)、 e(k)和 u(k1)，占用內(nèi)存小，計(jì)算方便。 P I D增 量 控 制P I D增 量 控 制執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對(duì) 象被 控 對(duì) 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?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)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(dòng)機(jī)或電動(dòng)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 在 RAM 區(qū)中需要選擇適當(dāng)?shù)膯卧４娈?dāng)前的速度給定 Vs，當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速 Vi、以及當(dāng)前的和前兩次的速度偏差 ei, ei1和 ei2。在此基礎(chǔ)上 PID 算法的軟件編寫非常簡(jiǎn)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(dòng)，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(guò)調(diào)試來(lái)設(shè)置。而在全數(shù)字化的控制單元中則需要通 過(guò)人機(jī)接口 (如鍵盤顯示裝置 )來(lái)進(jìn)行設(shè)置。一旦調(diào)試設(shè)置完成，這些參數(shù)均應(yīng)存儲(chǔ)在 NOVRAM 或 EEPROM的指定單元中。在 PID 調(diào)節(jié)程序啟動(dòng)時(shí)，程序到這些指定單元中去尋取有關(guān)參數(shù)。 PID 控制器的輸出 U1應(yīng)通過(guò)轉(zhuǎn)換而成為代表控制角 A 的計(jì)數(shù)值。我們知道晶閘管調(diào)壓環(huán)節(jié)是一個(gè)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(guān)系。如果我們把這種關(guān)系制成一個(gè)對(duì)照表 (lookup table)存儲(chǔ)起來(lái)，并且在軟件算法利用這個(gè)對(duì)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(gè)線性環(huán)節(jié)。 系統(tǒng)工作 原理 開(kāi)機(jī)時(shí)合上電源，啟動(dòng)單片機(jī)，運(yùn)行程序 ， 程序先初始化，然后進(jìn)入控制循環(huán)。系統(tǒng)采樣周期設(shè)為 5ms，每隔 5ms 采樣給定 UN和轉(zhuǎn)速反饋 U 一次，將 UN與 U 進(jìn)行比較，得到偏差△ U，由 △ U 進(jìn)行 PID 運(yùn)算，求得 U1，再將 UN和 U1相加得到信號(hào) 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(zhuǎn)換后輸入觸發(fā)脈沖，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 啟動(dòng)的第一階段中， △ U 總是大于 0，所以 PID 運(yùn)算后， U2不斷的上升直到飽和，使輸出電壓不斷上升，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升超過(guò)給定轉(zhuǎn)速時(shí)，偏差△ U 變負(fù)， PID 運(yùn)算的結(jié)果獲得負(fù)的控制增量△ U，于是 U1 減少， U2減少，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié)，最后使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速。 當(dāng)負(fù)