【正文】 單片機(jī)以數(shù)字信號(hào)來(lái)工作，其控制手段方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)。 (2)控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路簡(jiǎn)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。 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(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。 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。同步中斷由同步中斷模塊在交流同步信號(hào)過(guò)零時(shí)刻引起 (EXTINTI) 。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 54 是軟件定時(shí)中斷子程序。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。 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(yáng)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。下面介紹一下如何在程序中具體實(shí)現(xiàn)。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(kāi)始定時(shí) T0，同時(shí)記下計(jì)數(shù)器 T1 的值， T2 開(kāi)始對(duì) HSI1 接收到的轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)，并關(guān)閉 HSI0 中斷。法對(duì)脈沖進(jìn)行測(cè)速。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。 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。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。 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT 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(yáng)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。因此對(duì)晶閘管的電流上升率必須有所限制。 快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施。 過(guò)電流保護(hù)和 dtdi 限制 ⑴ 由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過(guò)電流，溫度就會(huì)急劇上升，可能會(huì)把PN 結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開(kāi)路。 ⑵ 電壓上升率 du/dt：正相電壓上升率較大時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 的 ～ 倍。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過(guò)電壓保護(hù)。F 選取 70181。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 四 章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 22 實(shí)用中常視需要在電路的不同部位選用不同的方法，或者在同一部位同時(shí)用兩種不同保護(hù)方法。 過(guò)電壓保護(hù)和 dtdu 限制 ⑴ 凡是超過(guò)晶閘管正常工作時(shí)承受的最大峰值電壓的情況都算過(guò)電壓，產(chǎn)生過(guò)電壓的原因是電路中電感元件積聚的能量驟然釋放或者是外界侵入的大亮點(diǎn)和累積。 由表查得 K=，考慮 ～ 2 倍的裕量 AI AVT ~)2~()( ????? ，取 ()T AVI ? 49A 故選晶閘管的型號(hào)為 KP498。式中 K 電流計(jì) 算系數(shù)。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 四 章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 20 一次、二次側(cè)相電流 I I2的計(jì)算 查表可得 KI1=， KI2= 11 1 . 0 5 1 . 0 5 0 . 8 1 6 4 6 / 3 . 1 7 1 2 . 4 3IKII A AK? ? ? ? ? 22 0. 81 6 46 37 .5 36IdI K I A A? ? ? ? 變壓器容量的計(jì)算 S1=m1U1I1； S2=m2U2I2； S=1/2(S1+S2)； 式中 m m2 次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)； S1=m1U1I1=3 380 = KVA S2=m2U2I2=3 120 = KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（ +） = KVA 晶閘管型號(hào)的選擇 整流電路采用晶閘管全控橋電路。一般可按下式計(jì)算 即： BA UU d?)~1(2 ? （ 41） 式中 A理想情況下， ? =0176。此時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為 0 221 1 8 6 .12n nhK hT???? 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)為 0 2 6 .7 8n e mn CTKn K R?????? 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 四 章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 19 第四章 主電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 110V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響和三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用 D/Y 聯(lián)結(jié)。 考慮到一般 z? 比起系統(tǒng)其它部分的時(shí)間常數(shù)往往小很多，可以將該時(shí)滯環(huán)節(jié)近似為慣性環(huán)節(jié)處理，傳遞函數(shù)為 () 1zz zKWs s?? ? （ 318） 比例、積分系數(shù)初值的確定 ⑴ 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 由于電流的響應(yīng)過(guò)程比轉(zhuǎn)速響應(yīng)過(guò)程快得多，所以可以不考慮反電勢(shì)的影響，反電勢(shì)支路相當(dāng)于斷開(kāi)。 STSTKiii )1( ?11 ?STniTSTKnnn )1( ?11 ?STon 1?ssTK11?STRl STRm eC11?ST oi?1?ST on?*nU ?? )(te ? ??dI dlI )( snA SRAC RSCR 圖 33 雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 其中轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)均采取 PI 控制。 根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)定律，電動(dòng)機(jī)軸上的運(yùn)動(dòng)方程式為 fdnJ M Mdt ?? （ 311） 式中 J電動(dòng)機(jī)軸上 (包括負(fù) 載折算過(guò)來(lái)的 ) n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； M電動(dòng)機(jī)軸的電磁力矩： fM 電動(dòng)機(jī)軸的負(fù)載力矩。將式 (34)代入 (32)，可得離散的 PID表達(dá)式為 ? ?0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]k Dp jI TTu k K e k e j e k e kTT?? ? ? ? ?? （ 35） 或 0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]kp I Dju k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?? （ 36） 式中 k采樣序號(hào)， k = 0， 1， 2 u(k)第 k 次采樣時(shí)刻的單片機(jī)輸出值； e(k)第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； e(k 1)第 k1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； IK 積分系數(shù)， IK = PK T/ IT ； DK 微分系數(shù)， DK = PK DT /T； 由 z 變換的性質(zhì) 1[ ( 1)] ( )z e k z E z??? 10 ()[ ( )] (1 )kjEzz e j z?? ? ?? 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 14 式（ 36）的 z 變換式為 11()( ) ( ) [ ( ) ( ) ]1P I DEzU z K E z K K E z z E zz ??? ? ? ?? （ 37） 由式（ 37）便可得到數(shù)字 PID 控制器的 z 傳遞函數(shù)為 11()( ) ( 1 )( ) 1 IPDKUzG z K K zE z z ??? ? ? ? ?? （ 38） 或者 1 1 211( ) [ ( 1 ) ( 1 ) ]1 P I DG z K z K K zz ???? ? ? ? ?? （ 39） 由于單片機(jī)輸出的 u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)：晶閘管 u(k)的值和晶閘管的輸出 電壓值是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱(chēng)式 (35)或 (36)為位置式 PID 控制算法。 由于單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式 (32)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。為了書(shū)寫(xiě)方便，將 e（ kT）簡(jiǎn)化表示為 e（ k），將上式（ 34）、（ 35）、（ 36）、 (37)代入式（ 32）中，可得離散的 PID 表達(dá)式為 ????????????? ??kjdipkekeTTjeTTkekku0)]1()([)()()( （ 38） 或 )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekekjekkekku dkjip （ 39） 上式中， k 是采樣序號(hào) k=0、 2...。 ⑶ 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 比例積分微分控制對(duì)象比例 如圖 31 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 11 PID 控制器是一種線(xiàn)性控制器，它根據(jù)給 定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差： e(t)=r(t)c(t) （ 31） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng) PID 控制器。 PID 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)的物理意義明確，動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性較好的優(yōu)點(diǎn)。 PID 控制式工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。 其硬件結(jié)構(gòu)如圖 21 所示 速度給定觸發(fā)脈沖 驅(qū)動(dòng)電路晶閘管門(mén)極顯示電路輸入口高速輸出口串行口外部中斷引腳轉(zhuǎn)換高速輸入口倍頻電路電流變送器電壓過(guò)零比較 放大光電編碼器系統(tǒng)的總體框圖 圖 21 系統(tǒng)的總體框圖 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 三 章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 10 第三章 數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制 單片機(jī)控制的操作功能包括從控制對(duì)象中獲取各種信息，執(zhí)行反映控制規(guī)律的控制算法，把計(jì)算結(jié)果以一定的形式傳送到行機(jī)構(gòu)或顯示報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)操作人員 控制臺(tái) 單片機(jī)系統(tǒng)之間的聯(lián)系等。與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差。交流側(cè)電流通過(guò)電流互感器的作用，經(jīng)采樣， A/D 轉(zhuǎn)換連到單片機(jī)。 ?恢復(fù)時(shí)間 vt