【導(dǎo)讀】數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。特點(diǎn)是用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)。器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設(shè)備。最后進(jìn)行軟件編程、調(diào)試。以及計(jì)算機(jī)仿真。了電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的恒速調(diào)節(jié)，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，成本低，易推廣等特點(diǎn)，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，從而能夠?qū)嶋H的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)。準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機(jī)數(shù)字控制。系統(tǒng)在各個(gè)方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

　　

【正文】 形、倍頻的作用，往往用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。數(shù)字濾波具有使用靈活、修改方便等優(yōu)點(diǎn)，它可以用于測(cè)速濾波，也可以用于電壓、電流檢測(cè)信號(hào)的濾波。常有的數(shù)字濾波主要有三種，它們分別是算數(shù)平均值濾波、中值濾波和中值平均濾波。本次設(shè)計(jì)采用中值平均濾波。 中值平均濾波是中值濾波和算術(shù)平均濾波的結(jié)合，即能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復(fù)雜。程序框圖可由上式得出，在此略 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 35 圖 62 位置式數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器程序框圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 36 中斷處理程序設(shè)計(jì) 電流環(huán)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì) 它主要完成電機(jī)索零運(yùn)算、電流調(diào)節(jié)器 PI 運(yùn)算、輕載時(shí)電流自適應(yīng)的運(yùn)算。設(shè)系統(tǒng)電流斷續(xù)臨界值為 I0，反饋電流采樣值為I，則程序框圖如圖 62 所示。 圖 62 電流環(huán)中斷服務(wù)程序簡(jiǎn)化框圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 37 （ 1） 鎖零單元程序設(shè)計(jì) 為防止電機(jī)慢速爬行，一般模擬晶閘管都設(shè)有鎖零單元。這里用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先檢查下速度給定 UGn 和速度反饋 UFn 是否為零或者小于某臨界值 n0，若不為零系統(tǒng)正常運(yùn)行。若為零，使電流調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)電壓，把晶閘管調(diào)速系統(tǒng)推向逆變，迫使電動(dòng)機(jī)停止（爬行），其程序框圖如圖 63 所示。 圖 63 鎖零程序框圖 （ 2）電流自適應(yīng)程序設(shè)計(jì) 在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)一般是按電樞回路電流連續(xù)的情況來(lái)選取，然而當(dāng)系統(tǒng)輕載工作時(shí)，如果平波電抗器的電感量不太大，就會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)，晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性和電流連續(xù)相比有明顯的差別，其動(dòng)態(tài)性能也發(fā)生兩項(xiàng)重要變化。 （ a）由于電流斷續(xù)時(shí)整流裝置外特性變陡，其等效內(nèi)阻大大增加，因此，使電流環(huán)調(diào)節(jié)對(duì)象總放大倍數(shù)下降。 （ b）當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) TD 存在，西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 38 從整流電壓 UDO的突變到平均電樞電流 ID響應(yīng)不可能瞬間完成，而是按指數(shù)規(guī)律逐漸變到穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)情況不同，由于電感對(duì)電流的延緩作用已在一個(gè)波頭結(jié)束，平均電壓突變后，下一個(gè)波頭的平均電流便也立即隨電壓變化。 因此，從整流電壓和電流平均值的關(guān)系上看，相當(dāng)于 TD=0，也就是說(shuō)，在平均整流電壓和電流之間，電流連續(xù)時(shí)是慣性環(huán)節(jié)，電流斷續(xù)時(shí)就成了比例環(huán)節(jié)。 圖 64 電流自適應(yīng)程序框圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 39 速度環(huán)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì) 測(cè)速軟件包括捕捉中斷服務(wù)子程序（如圖 65 所示）和測(cè)速時(shí)間中斷服務(wù)子程序（如圖 66 所示）構(gòu)成，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行到“測(cè)速允許”時(shí)，開(kāi)放捕捉中斷，但只有到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿到達(dá)時(shí)，進(jìn)入捕捉中斷服務(wù)子程序，旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)器 M1 和高頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 M2 才真正開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)打開(kāi)測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器 T1，禁止捕捉中斷，使之不再干擾計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。待測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器到達(dá)計(jì)數(shù)值，發(fā)出停止測(cè)速信號(hào)，再次開(kāi) 放捕捉中斷，到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿再到達(dá)時(shí)停止計(jì)數(shù)。在這一組軟件框圖中，測(cè)速軟件僅完成 M1 和 M2 計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)速計(jì)算是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中完成的。 圖 66 測(cè)速時(shí)間中斷服務(wù)子程序框圖 圖 65 捕捉中斷服務(wù)子程序框圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 40 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖 67 所示。進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序后，首先應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，再計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，完成 PI 調(diào)節(jié)，最后啟動(dòng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，為下一步調(diào)節(jié)作準(zhǔn)備。在中斷返回前應(yīng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)使中斷的上級(jí)程序正確可靠地恢復(fù)運(yùn)行。 圖 67 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖 其它中斷處理程序設(shè)計(jì) 中斷服務(wù)程序是控制系統(tǒng)軟件的核心，它將完成大部分計(jì)算以及控制任務(wù)， INT1 中斷處理程序比較簡(jiǎn)單，它完成 A/D 數(shù)據(jù)讀入操作。為了簡(jiǎn)化程序，也可以使用程序詢問(wèn)方式來(lái)讀入 ADC0808 的數(shù)據(jù)。 外部中斷 INT0，完成同步校正的數(shù)據(jù)測(cè)量功能 。 定時(shí)器 T1 中斷服務(wù)程序，它完成采樣時(shí)間定時(shí)和轉(zhuǎn)速脈沖周期西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 41 測(cè)量計(jì)算功能。轉(zhuǎn)速計(jì)算由速度環(huán)子程序完成。 定時(shí)器 T0 中斷服務(wù)程序，它完成晶閘管觸發(fā)輸出和同步校正計(jì)算功能。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 42 第 7 章 系統(tǒng) MATLAB 仿真 本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件 MATLAB，使用 MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用 Power System 工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖 71所示。 圖 71 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、 ASR、 ACR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)、速度反饋環(huán)等，因?yàn)樵谖髂峡萍即髮W(xué)本科生畢業(yè)論文 43 本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)代替了控制電路絕大多數(shù)的器件，所以在此直接給出各部分的參數(shù)，各部分參數(shù)設(shè)置參考前幾章各部分的參數(shù)。本系統(tǒng)選擇的仿真算法為 ode23tb，仿真 Start time 設(shè)為 0， Stop time設(shè)為 。 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析 當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開(kāi)始進(jìn)行仿真。圖 72 是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)得電流和轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。下面分析一下仿真的結(jié)果。 啟動(dòng)過(guò)程的第一階段是電流上升階段，突 加給定電壓， ASR 的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段， ASR 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長(zhǎng)。第三階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實(shí)際仿真結(jié)果基本上反映了這一點(diǎn)。由于在本系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)代替了控制電路的絕大 多數(shù)控制器件，所以各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理和調(diào)整都是在單片機(jī)內(nèi)完成的，控制效果要好于本次的仿真結(jié)果。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 44 結(jié)束語(yǔ) 本設(shè)計(jì)用一臺(tái)單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(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、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(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。用軟件編程完成電流、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié)。 本設(shè)計(jì)采用采用了 MCS51 系列中的 8031 單片機(jī)，在此單片機(jī)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(hào)是通過(guò)模擬光電隔離器、 A/D 轉(zhuǎn)換 器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照已定的控制算法計(jì)算產(chǎn)生脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級(jí)，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。在以往的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速常用測(cè)速發(fā)電機(jī)來(lái)檢測(cè)，這種模擬測(cè)速方法的精度不夠高，在低速時(shí)更為嚴(yán)重，很難保障生產(chǎn)的高效、安全運(yùn)行，所以在本次設(shè)計(jì)中測(cè)速采用了目前較先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。數(shù)字測(cè)速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護(hù)方便，同時(shí)采用 M/T 數(shù)字測(cè)速方法，兼?zhèn)淞?M法和 T法測(cè)速的優(yōu)點(diǎn)，有效地?cái)U(kuò)大了調(diào)速范圍。本設(shè)計(jì)最后通過(guò)MATLAB 系統(tǒng)仿真取得了良好的結(jié)果，各項(xiàng)性能指標(biāo)都能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我對(duì)單片機(jī)應(yīng)用知識(shí)的掌握，同時(shí)了解了目前工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)字化系統(tǒng)的重要性，使我對(duì)使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)過(guò)程有了全面地了解。通過(guò)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各種功能，我查閱了大量相關(guān)資料，學(xué)會(huì)了許多知識(shí)，培養(yǎng)了我獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。同時(shí)在對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，鞏固了我的專業(yè)課知識(shí)，使自己受益匪淺。當(dāng)然在本西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 45 次設(shè)計(jì)中還有需要改進(jìn)和完善的地方，比如可以進(jìn)一步完善系統(tǒng)的故障檢測(cè)和保護(hù)，使故障檢測(cè)更加全面和高效，還 可以設(shè)計(jì)一個(gè) UPS電源，防止在斷電的情況下造成系統(tǒng)損害，保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)也可以設(shè)計(jì)一個(gè)鍵盤(pán)輸入電路，來(lái)完成各項(xiàng)參數(shù)的有效輸入。 總之，通過(guò)本次設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專業(yè)知識(shí)，還掌握了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 46 致 謝 各位老師，在這里我向我的導(dǎo)師表示深深的謝意，同時(shí)，我要感謝其他的代課老師對(duì)我們的學(xué)習(xí)和工作嚴(yán)格要求，并耐心地教導(dǎo)激勵(lì)我們積極進(jìn)取，培養(yǎng)我們形成良好的科研作風(fēng)，所有這些，我們將終生受益。在此，我對(duì)和小河的培養(yǎng)和幫助深表感謝！ 非常感謝老師們，他們不但在大學(xué)三年中指導(dǎo)我們學(xué)習(xí)和生活，而且在完成論文期間給我許多幫助和建議，他們兢兢業(yè)業(yè)、對(duì)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度為我做出了好的表率，時(shí)刻鞭策著我向他們學(xué)習(xí)。 非常感謝我的同學(xué)們，在與他們共同的學(xué)習(xí)、工作、生活過(guò)程中，他們給予了我及時(shí)的幫助和建議，開(kāi)拓了我的思路。我對(duì)他們致 以真誠(chéng)的謝意和衷心的祝福。 最后，向所有幫助過(guò)我的人致以最誠(chéng)摯的謝意。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 47 參考 文獻(xiàn) [1]陳伯石。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) [M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx。 [2]徐維祥。單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M]。大連：大連理工大學(xué)出版社， 1996。 [3]王兆安。電力電子技術(shù) [M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx。 [4]何立民。單片機(jī)應(yīng)用文集 [M]。北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1991。 [5]周淵深。交直流調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB 仿真 [M]。北京：中國(guó)電力出版社， 20xx。 [6]潘新民，王燕芳。微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) [M]。北京：電子工業(yè)出版社， 20xx。 [7]涂時(shí)亮，張友德。單片微機(jī)控制技術(shù) [M]。上海：復(fù)旦大學(xué)出版社， 1994。 [8]余永權(quán)，汪明慧，黃英。單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [M]。北京：電子工業(yè)出版社， 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