【導(dǎo)讀】十分重要的作用。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)中的。了調(diào)速的范圍，提高了測(cè)速控制系統(tǒng)的精度；由于硬件的高度集成化，捷，抗干擾能力較強(qiáng)。電流調(diào)節(jié)器采用了PI算法，設(shè)計(jì)了一套全數(shù)字直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的比例和積分系數(shù)。

　　

【正文】 87654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA2D a t e : 7 J un 2 0 0 7 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \電路圖 \ M y D e s i g n .d db D r a w n B y:RRRRRRRRRCCCCCCCCCT3 T5T2T1T6T4DBTLRv 圖 42 主電路 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 25 第五章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 采樣周期 T 的選擇 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，數(shù)字控制其必須定定時(shí)對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。必須對(duì)系統(tǒng)的采樣頻率作出一定的要求，才能保證離散的數(shù)字信號(hào)在處理完畢后能夠不失真地重復(fù)連續(xù)的模擬信號(hào)。如何合 理的選擇采樣周期，同時(shí)能夠達(dá)到最高的控制特性是個(gè)重要的問題。 目前，對(duì)于采樣周期的選擇，還沒有特別有效的辦法，一般憑經(jīng)驗(yàn)選擇相對(duì)合理的采樣周期，因此選擇應(yīng)綜合考慮各方面因素，采取折衷的辦法。其中的兩個(gè)主要因素有： ⑴ 保證單片機(jī)在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成所需操作 從數(shù)字 PI 控制器對(duì)連續(xù) PI 調(diào)節(jié)器的模擬精度考慮，采樣周期越小越好。但采樣周期小，控制器占用 CPU 的時(shí)間就長，增加了控制系統(tǒng)對(duì) CPU 的占用率。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，單片機(jī)要采集 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，進(jìn)行 PI 運(yùn)算，輸出控制量，顯示，啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，處理其它中斷 等。所以采樣周期不能太小。 ⑵ 保證有用信號(hào)不失真 根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不低于有用信號(hào)頻率的兩倍，實(shí)際工程上采樣頻率通常取有用信號(hào)頻率的 410 倍。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電流環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，響應(yīng)速度快，采樣周期取 3ms；速度環(huán)是外環(huán)，采樣周期取 15ms,每個(gè)工頻周期轉(zhuǎn)速環(huán) PID 算一次，電流環(huán)算三次。這樣即方便編程，也能滿足采樣精度。 主程序的設(shè)計(jì) 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)中的所有硬件也靠軟件來管理。運(yùn)行在數(shù)字控制器中的軟件有主程序、初始化子程序和中斷服務(wù)子程序等。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 26 主程序完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)和其它外圍設(shè)備通信等功能。主程序框圖如圖 51 所示。 開始常量和變量的初始化允許軟件定時(shí)中斷允許外部中斷允許高速輸出中斷打開總中斷讀取各開關(guān)量啟動(dòng)軟件定時(shí)器啟動(dòng) A / D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入待機(jī)方式 如圖 51 主程序框圖 數(shù)字測(cè)速的軟件設(shè)計(jì) 本文采用 M/T39。法對(duì)脈沖進(jìn)行測(cè)速。具體方法如下： 在圖 51 中， T 為實(shí)際檢測(cè)時(shí)間， T0 是一固定不變的定時(shí)時(shí)間，當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿到來時(shí)，啟動(dòng)定時(shí) T0，由兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖 M1 和高頻脈沖數(shù) M2 計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí) T0 結(jié)束時(shí)， Ml停止計(jì)數(shù)， M2 繼續(xù)計(jì)數(shù) 。當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖的下一個(gè)上升沿到來時(shí)， M2 停止計(jì)數(shù)，則可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 27 圖 52 M/T法檢測(cè)轉(zhuǎn)速原理圖 1260 ()16 cfmn rpmPm? （ 51） 式中 cf 高頻計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)的頻率，本系統(tǒng)中為 80C196KC 內(nèi)定時(shí)器 T1 的時(shí)鐘信號(hào)，由于采用 1 6MHz 晶振， cf =1MHz； P光電脈沖編碼 器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)， P=600 16倍頻次數(shù)。將 cf 和 P 的參數(shù)代入上式，得 126250mn m? （ 52） 轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)被送到 80C196KC 的 HSI0 引起上升沿中斷，此時(shí)開始定時(shí) T0，同時(shí)記下計(jì)數(shù)器 T1 的值， T2 開始對(duì) HSI1 接收到的轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)，并關(guān)閉 HSI0 中斷。當(dāng)定時(shí) T0 到時(shí)，開啟 HSI0 中斷，停止 1m 計(jì)數(shù)，等待 HSI0 的上升沿。當(dāng)上升沿到來時(shí)，讀取計(jì)數(shù)器 T1 的值，計(jì)算兩次計(jì)數(shù)器 T1 的差值得到高頻脈沖數(shù) 2m ，這樣就完成了一次轉(zhuǎn)速測(cè)量周期。由此根據(jù)式 (52)即可計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。下面介紹一下如何在程序中具體實(shí)現(xiàn)。 ⑴ 因?yàn)橐谲浖〞r(shí)器 2 的第一次中斷中進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的 PID 計(jì)算，所以測(cè)速從這里開始。首先允許 HSI0 中斷，然后設(shè) HSI 中斷模式為每個(gè)脈沖的正跳變引起中斷。 ⑵ 轉(zhuǎn)速脈沖引起 HSI0 中斷，如果是第一次中斷則記下當(dāng)前時(shí)間作 起始時(shí)間 ST，設(shè)軟件定時(shí)器 1 中斷時(shí)間 T0，關(guān) HSI0 中斷，啟動(dòng) HSI 數(shù)據(jù)有效對(duì) 2m 計(jì)數(shù)；如果是第二次中斷則把當(dāng)前的時(shí)間作為結(jié)束時(shí)間 FT。 ⑶ 啟動(dòng) HSI 數(shù)據(jù)有效中斷后，每一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿都會(huì)引起 HSI 數(shù)據(jù)有效沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 28 中斷，在每一次 HSI 數(shù)據(jù)有效中斷程序中，讓計(jì)數(shù)變量 1m 增加 1。 H S I 0 中 斷第 一 次記 下 當(dāng) 前 時(shí) 間作 為 初 始 時(shí) 間設(shè) 軟 件 計(jì) 時(shí) 器 1中 斷 時(shí) 間關(guān) H S I 0 中 斷 啟 動(dòng) H I S 數(shù) 據(jù) 有效 中 斷 返 回 記 下 時(shí) 間 值 作為 結(jié) 束 時(shí) 間 計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速 值 H S I 數(shù) 據(jù) 有 效 中斷計(jì) 數(shù) 變 量 M 增加 1返 回 圖 53 HSI0中斷 /HIS數(shù)據(jù)有效中斷 ⑷ 過了 T0 時(shí)間后，軟件定時(shí)器 1 產(chǎn)生中斷。在中斷程序中開 HSI0 中斷 (允許 HSI0中斷 )，關(guān) HSI 數(shù)據(jù)有效中斷 (停止對(duì) 1m 計(jì)數(shù) )。見圖 53 ⑸ 下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖來時(shí)，就引起 HSI0 中斷。這個(gè)中斷是第二次 HSI0 中斷，把當(dāng)前的時(shí)間作為結(jié)束時(shí)間 FT。見圖 53 然后用公式 (53)計(jì)算轉(zhuǎn)速。至此，轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)束。 沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 29 讀給定速度將給定速度轉(zhuǎn)換為碼讀實(shí)測(cè)速度實(shí)測(cè)速度轉(zhuǎn)換為 碼顯示給定速度顯示實(shí)測(cè)速度軟件定時(shí)中斷軟件定時(shí)器0中斷軟件定時(shí)器1中斷軟件定時(shí)器2中斷第一次中斷第二次中斷第三次中斷啟動(dòng) 轉(zhuǎn)換測(cè)給定電流電流 計(jì)算啟動(dòng) 轉(zhuǎn)換測(cè)電流值設(shè) 中斷模式允許 中斷查表計(jì)算值速度 計(jì)算電流PID計(jì)算開 中斷關(guān) 數(shù)據(jù)有效中斷設(shè)置測(cè)速定時(shí)時(shí)間到位標(biāo)志返回 圖 54 軟件定時(shí)中斷子程序 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì) 顯示部分的程序是采用軟件定時(shí)中斷來完成的，多少時(shí)間顯示一次可在軟件 中設(shè)定。圖 54 是軟件定時(shí)中斷子程序。 PID 計(jì)算也是在軟件定時(shí)中斷子程序中完成的。 觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中，用定時(shí)器 1 作為 HSO 的時(shí)間基準(zhǔn)，觸發(fā)角和脈寬的控制都是靠 HSO沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 30 的定時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)的。定時(shí)器 1 在系統(tǒng)中作實(shí)時(shí)時(shí)鐘用，其時(shí)鐘信號(hào)來自內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生電，每 8 個(gè)狀態(tài)周期計(jì)數(shù)加 1， 80C196KC 的狀態(tài)周期由振蕩器信號(hào) 2 分頻后獲得，采用 16MHz 晶振，其狀態(tài)周期為 125ns。這時(shí) HSO 的時(shí)間分辨力，也就是定時(shí)器 1 的時(shí)間分辨力為 l? s。 圖 55 觸發(fā)脈沖順序圖 那么， 1o 所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)值為 2 0 5 0 0/ 1 5 5 .5 6 /3 6 0 9 ooms s? ?? （ 53） 把觸發(fā)角和脈寬所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，寫入 HSO 時(shí)間寄存器，靠 HSO 的定時(shí)功能來控制角度的大小。 ⑴ 同步中斷子程序 為了可靠觸發(fā)三相全橋 6 只晶閘管，該控制系統(tǒng)使用了雙脈沖觸發(fā)信號(hào)，一個(gè)周期共需輸出 24 個(gè) HSO 信號(hào)，包括 HSO 上升沿和下降沿。因?yàn)?HSO CAM 只能存儲(chǔ)8 個(gè) HSO 事件，考慮到軟件定時(shí)器對(duì) HSO CAM 的占用情況，我們把 24 個(gè)觸發(fā)時(shí)刻分為 4 組，每組 6 個(gè)觸發(fā)時(shí)刻，分別由同步中斷與 HSO 中斷產(chǎn)生。同步中斷由同步中斷模塊在交流同步信號(hào)過零時(shí)刻引起 (EXTINTI) 。同步中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是復(fù)位計(jì)數(shù)基準(zhǔn) T2，產(chǎn)生 A， B， C， D， E， F 時(shí)刻的 HSO 輸出信號(hào)，允許 HSO 中斷，置 A， B， C， D， E， F 輸出結(jié)束標(biāo)志，在 F 時(shí)刻產(chǎn)生 HSO 中斷。其控制流程圖如圖沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 31 56 所示。 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)向 控制寄存器分別送入觸發(fā)事件和時(shí)間返回置 輸出結(jié)束標(biāo)志位允許 中斷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位定時(shí)器T2 圖 56 同步中斷服務(wù)程序流程圖 ⑵ HSO 中斷服務(wù)程序流程 HSO 中斷分別由 F， L， R 時(shí)刻的 HSO 輸出命令引起。 HSO 中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)就是根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志位產(chǎn)生不同組的 HSO 輸出信號(hào)，并置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志位。其控制流程圖如圖 57 所示。 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)向 控制寄存器分別送入 . 事件和時(shí)間置 輸出結(jié)束標(biāo)志位向 控制寄存分別送入 事件和時(shí)間向 控制寄分別送入 事件和時(shí)間置 輸出結(jié)束標(biāo)志位置 輸出結(jié)束標(biāo)志位恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 返回 圖 57 HSO中斷服務(wù)程序流程圖沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 六 章 總結(jié)與展望 32 第六章 總結(jié)與展望 工作總結(jié) 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)采用了 Inter 系列中的 80C196KC 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。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，總結(jié)出了數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)： (1)速度給定和測(cè)速采用數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測(cè)速，進(jìn)而擴(kuò)大了調(diào)速范圍，提高了速度控制的精度。 (2)控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路簡單而且統(tǒng)一，零部件的數(shù)量和觸點(diǎn)大大減少，而且可靠性高，可重復(fù)性好。對(duì)于不同的控制對(duì)象和控制要求，只需要改變控制算法軟件即可。 (3)數(shù)字控制系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，系統(tǒng)中的控制量 和反饋量都必須根據(jù)一定的采樣周期進(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 (4)由于許多功能都是由軟件來完成的，所以使硬件得以簡化，故障率比較小。單片機(jī)以數(shù)字信號(hào)來工作，其控制手段方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)。 (5)數(shù)字控制裝置具有很強(qiáng)的通信功能，通過現(xiàn)場(chǎng)總線可以與工業(yè)控制系統(tǒng)的上沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 六 章 總結(jié)與展望 33 位機(jī)聯(lián)機(jī)工作，并且可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、預(yù)警、故障診斷和數(shù)據(jù)采集。 研究展望 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、可靠性高，可以提高控制性能，