【導讀】十分重要的作用。隨著微電子技術的不斷發(fā)展，計算機在調(diào)速系統(tǒng)中的。了調(diào)速的范圍，提高了測速控制系統(tǒng)的精度；由于硬件的高度集成化，捷，抗干擾能力較強。電流調(diào)節(jié)器采用了PI算法，設計了一套全數(shù)字直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，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)設計 \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 沈陽化工大學學士學位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 25 第五章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 采樣周期 T 的選擇 微機數(shù)字控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng)，數(shù)字控制其必須定定時對給定信號和反饋信號進行采樣。必須對系統(tǒng)的采樣頻率作出一定的要求，才能保證離散的數(shù)字信號在處理完畢后能夠不失真地重復連續(xù)的模擬信號。如何合 理的選擇采樣周期，同時能夠達到最高的控制特性是個重要的問題。 目前，對于采樣周期的選擇，還沒有特別有效的辦法，一般憑經(jīng)驗選擇相對合理的采樣周期，因此選擇應綜合考慮各方面因素，采取折衷的辦法。其中的兩個主要因素有： ⑴ 保證單片機在一個采樣周期內(nèi)完成所需操作 從數(shù)字 PI 控制器對連續(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 的時間就長，增加了控制系統(tǒng)對 CPU 的占用率。在一個采樣周期內(nèi)，單片機要采集 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，進行 PI 運算，輸出控制量，顯示，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，處理其它中斷 等。所以采樣周期不能太小。 ⑵ 保證有用信號不失真 根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率應不低于有用信號頻率的兩倍，實際工程上采樣頻率通常取有用信號頻率的 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。 主程序的設計 數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)中的所有硬件也靠軟件來管理。運行在數(shù)字控制器中的軟件有主程序、初始化子程序和中斷服務子程序等。 沈陽化工大學學士學位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 26 主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其它外圍設備通信等功能。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量啟動軟件定時器啟動 A / D 轉(zhuǎn)換進入待機方式 如圖 51 主程序框圖 數(shù)字測速的軟件設計 本文采用 M/T39。法對脈沖進行測速。具體方法如下： 在圖 51 中， T 為實際檢測時間， T0 是一固定不變的定時時間，當轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿到來時，啟動定時 T0，由兩個計數(shù)器分別對轉(zhuǎn)速脈沖 M1 和高頻脈沖數(shù) M2 計數(shù)。當定時 T0 結束時， Ml停止計數(shù)， M2 繼續(xù)計數(shù) 。當轉(zhuǎn)速脈沖的下一個上升沿到來時， M2 停止計數(shù)，則可得到電機的轉(zhuǎn)速 沈陽化工大學學士學位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 27 圖 52 M/T法檢測轉(zhuǎn)速原理圖 1260 ()16 cfmn rpmPm? （ 51） 式中 cf 高頻計數(shù)脈沖信號的頻率，本系統(tǒng)中為 80C196KC 內(nèi)定時器 T1 的時鐘信號，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)速脈沖信號被送到 80C196KC 的 HSI0 引起上升沿中斷，此時開始定時 T0，同時記下計數(shù)器 T1 的值， T2 開始對 HSI1 接收到的轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)，并關閉 HSI0 中斷。當定時 T0 到時，開啟 HSI0 中斷，停止 1m 計數(shù)，等待 HSI0 的上升沿。當上升沿到來時，讀取計數(shù)器 T1 的值，計算兩次計數(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)速測量周期。由此根據(jù)式 (52)即可計算出當前電機的轉(zhuǎn)速。下面介紹一下如何在程序中具體實現(xiàn)。 ⑴ 因為要在軟件定時器 2 的第一次中斷中進行轉(zhuǎn)速環(huán)的 PID 計算，所以測速從這里開始。首先允許 HSI0 中斷，然后設 HSI 中斷模式為每個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前時間作 起始時間 ST，設軟件定時器 1 中斷時間 T0，關 HSI0 中斷，啟動 HSI 數(shù)據(jù)有效對 2m 計數(shù)；如果是第二次中斷則把當前的時間作為結束時間 FT。 ⑶ 啟動 HSI 數(shù)據(jù)有效中斷后，每一個轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿都會引起 HSI 數(shù)據(jù)有效沈陽化工大學學士學位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 28 中斷，在每一次 HSI 數(shù)據(jù)有效中斷程序中，讓計數(shù)變量 1m 增加 1。 H S I 0 中 斷第 一 次記 下 當 前 時 間作 為 初 始 時 間設 軟 件 計 時 器 1中 斷 時 間關 H S I 0 中 斷 啟 動 H I S 數(shù) 據(jù) 有效 中 斷 返 回 記 下 時 間 值 作為 結 束 時 間 計 算 轉(zhuǎn) 速 值 H S I 數(shù) 據(jù) 有 效 中斷計 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 時間后，軟件定時器 1 產(chǎn)生中斷。在中斷程序中開 HSI0 中斷 (允許 HSI0中斷 )，關 HSI 數(shù)據(jù)有效中斷 (停止對 1m 計數(shù) )。見圖 53 ⑸ 下一個轉(zhuǎn)速脈沖來時，就引起 HSI0 中斷。這個中斷是第二次 HSI0 中斷，把當前的時間作為結束時間 FT。見圖 53 然后用公式 (53)計算轉(zhuǎn)速。至此，轉(zhuǎn)速測量結束。 沈陽化工大學學士學位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 29 讀給定速度將給定速度轉(zhuǎn)換為碼讀實測速度實測速度轉(zhuǎn)換為 碼顯示給定速度顯示實測速度軟件定時中斷軟件定時器0中斷軟件定時器1中斷軟件定時器2中斷第一次中斷第二次中斷第三次中斷啟動 轉(zhuǎn)換測給定電流電流 計算啟動 轉(zhuǎn)換測電流值設 中斷模式允許 中斷查表計算值速度 計算電流PID計算開 中斷關 數(shù)據(jù)有效中斷設置測速定時時間到位標志返回 圖 54 軟件定時中斷子程序 顯示模塊的軟件設計 顯示部分的程序是采用軟件定時中斷來完成的，多少時間顯示一次可在軟件 中設定。圖 54 是軟件定時中斷子程序。 PID 計算也是在軟件定時中斷子程序中完成的。 觸發(fā)脈沖的軟件設計 本系統(tǒng)中，用定時器 1 作為 HSO 的時間基準，觸發(fā)角和脈寬的控制都是靠 HSO沈陽化工大學學士學位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 30 的定時功能來實現(xiàn)的。定時器 1 在系統(tǒng)中作實時時鐘用，其時鐘信號來自內(nèi)部的時鐘發(fā)生電，每 8 個狀態(tài)周期計數(shù)加 1， 80C196KC 的狀態(tài)周期由振蕩器信號 2 分頻后獲得，采用 16MHz 晶振，其狀態(tài)周期為 125ns。這時 HSO 的時間分辨力，也就是定時器 1 的時間分辨力為 l? s。 圖 55 觸發(fā)脈沖順序圖 那么， 1o 所對應的計數(shù)器 1 的計數(shù)值為 2 0 5 0 0/ 1 5 5 .5 6 /3 6 0 9 ooms s? ?? （ 53） 把觸發(fā)角和脈寬所對應的計數(shù)值，寫入 HSO 時間寄存器，靠 HSO 的定時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，一個周期共需輸出 24 個 HSO 信號，包括 HSO 上升沿和下降沿。因為 HSO CAM 只能存儲8 個 HSO 事件，考慮到軟件定時器對 HSO CAM 的占用情況，我們把 24 個觸發(fā)時刻分為 4 組，每組 6 個觸發(fā)時刻，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過零時刻引起 (EXTINTI) 。同步中斷服務程序的主要任務是復位計數(shù)基準 T2，產(chǎn)生 A， B， C， D， E， F 時刻的 HSO 輸出信號，允許 HSO 中斷，置 A， B， C， D， E， F 輸出結束標志，在 F 時刻產(chǎn)生 HSO 中斷。其控制流程圖如圖沈陽化工大學學士學位論文 第 五 章 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計 31 56 所示。 恢復現(xiàn)場向 控制寄存器分別送入觸發(fā)事件和時間返回置 輸出結束標志位允許 中斷保護現(xiàn)場復位定時器T2 圖 56 同步中斷服務程序流程圖 ⑵ HSO 中斷服務程序流程 HSO 中斷分別由 F， L， R 時刻的 HSO 輸出命令引起。 HSO 中斷服務程序的主要任務就是根據(jù)狀態(tài)標志位產(chǎn)生不同組的 HSO 輸出信號，并置相應狀態(tài)標志位。其控制流程圖如圖 57 所示。 保護現(xiàn)場向 控制寄存器分別送入 . 事件和時間置 輸出結束標志位向 控制寄存分別送入 事件和時間向 控制寄分別送入 事件和時間置 輸出結束標志位置 輸出結束標志位恢復現(xiàn)場 返回 圖 57 HSO中斷服務程序流程圖沈陽化工大學學士學位論文 第 六 章 總結與展望 32 第六章 總結與展望 工作總結 本設計用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統(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調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。用軟件編程完成電流、轉(zhuǎn)速等各項參數(shù)的計算，實現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié) 。 本設計采用了 Inter 系列中的 80C196KC 單片機，在此單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、 A/D 轉(zhuǎn)換器送入計算機，計算機按照已定的控制算法計算產(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，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動機的速度。在以往的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速常用測速發(fā)電機來檢測，這種模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴重，很難保障生產(chǎn)的高效、安全運行，所以在本次設計中測速采用了目前較先進的旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測 速。數(shù)字測速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護方便，同時采用 M/T 數(shù)字測速方法，兼?zhèn)淞?M 法和 T 法測速的優(yōu)點，有效地擴大了調(diào)速范圍。 通過本次畢業(yè)設計，總結出了數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有以下主要特點： (1)速度給定和測速采用數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測速，進而擴大了調(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)量和觸點大大減少，而且可靠性高，可重復性好。對于不同的控制對象和控制要求，只需要改變控制算法軟件即可。 (3)數(shù)字控制系統(tǒng)用計算機進行數(shù)據(jù)處理和計算，系統(tǒng)中的控制量 和反饋量都必須根據(jù)一定的采樣周期進行離散化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 (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。單片機以數(shù)字信號來工作，其控制手段方便靈活，抗干擾能力強。 (5)數(shù)字控制裝置具有很強的通信功能，通過現(xiàn)場總線可以與工業(yè)控制系統(tǒng)的上沈陽化工大學學士學位論文 第 六 章 總結與展望 33 位機聯(lián)機工作，并且可以對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)視、預警、故障診斷和數(shù)據(jù)采集。 研究展望 微機數(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，