【正文】 參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí)主編 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第3版） 機(jī)械工業(yè)出版社 2007 2 王兆安，黃俊主編 電力電子技術(shù)（第4版） 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 20003 孟慶春 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 沈陽：東北大學(xué)出版社 4 李發(fā)海，：清華大學(xué)出版社，20015 張世銘，：華中理工大學(xué)出版社，19936 廖曉鐘 ：北京理工大學(xué)出版社，20007 姚世文，：國防工業(yè)出版社，19808 尹璐，速度與電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，20069 Leonhard,:科學(xué)出版社,1988.10 王離九，黃錦恩。我將銘記我曾是一名科院學(xué)子，在今后的工作中把科院的優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚(yáng)光大。同時(shí)我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。對(duì)直流調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能及其控制有一定的認(rèn)識(shí)。但是通過這次設(shè)計(jì)，我有了很大的收獲：學(xué)習(xí)與掌握了AT89C52單片機(jī)的基本原理及其相關(guān)應(yīng)用，對(duì)它的一些硬件接口與軟件設(shè)計(jì)有了一定程度上的認(rèn)識(shí)和了解。為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能更好，該系統(tǒng)采用無靜差調(diào)節(jié)，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器），使系統(tǒng)保證恒速運(yùn)行，以保證滿足更嚴(yán)格的生產(chǎn)要求。曾經(jīng)也試過用單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM波形，但其最終效果并不理想，在使用了少量的硬件后，單片機(jī)的壓力大大減小，程序中有充足的時(shí)間進(jìn)行閉環(huán)控制的測控和計(jì)算，使得軟件的運(yùn)行更為合理可靠。而通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對(duì)于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對(duì)于簡易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。最高轉(zhuǎn)速1600r/min，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10%，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，整個(gè)變化曲線同實(shí)際情況非常類似。電流信號(hào)波形圖如圖53所示。雙閉環(huán)系統(tǒng)輸出電流、轉(zhuǎn)速均接顯示器[23]。為了更好的看到電機(jī)運(yùn)行情況，再接一個(gè)顯示器用來顯示電機(jī)中電流波形。由于電動(dòng)機(jī)輸出信號(hào)是角速度ω, 故把其轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速(n =60ω/2π=)。和120176。圖51 仿真模型整體框圖三相電源設(shè)置峰值電壓為220V,頻率為50 Hz,相位分別為0176。然后通過電流反饋和速度反饋構(gòu)成雙閉環(huán)電路[22]。 本文利用 matlab仿真工具對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過仿真方法來調(diào)整理論設(shè)計(jì)所得的參數(shù)，找出系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)，仿真結(jié)果可以用來指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[21]。而且可以非常方便地完成調(diào)試過程且能十分直觀地得到系統(tǒng)輸出波形。matlab/simulink仿真平臺(tái)是基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，利用這種仿真工具可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的過程。原因在于系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，往往與理論設(shè)計(jì)時(shí)所用的值有一定的誤差，而且系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)非線性因素影響會(huì)使系統(tǒng)在理論設(shè)計(jì)參數(shù)后并不能立即獲得理想的調(diào)速性能，因此需要通過調(diào)試過程才能獲得理想性能。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖44。 PI調(diào)節(jié)流程圖如圖43所示。但如果Kp取值過小,會(huì)降低調(diào)節(jié)精度,使響應(yīng)速度緩慢,從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間,使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。Kp 為比例系數(shù)Ti 為積分時(shí)間常數(shù)。 PI調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)表達(dá)式為: 式中, u(t)為系統(tǒng)控制量。系統(tǒng)初始化流程如圖42，其中包括中斷始化、各存儲(chǔ)單元賦初值、鍵盤顯示器的各數(shù)據(jù)程序表賦常數(shù)、各種限定值裝入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、設(shè)定堆棧指針、給主程序標(biāo)志寄存器送初始值、控制器設(shè)定初值等。啟動(dòng)功能鍵按下時(shí)，系統(tǒng)開始啟動(dòng)采樣定時(shí)并進(jìn)入實(shí)時(shí)控制階段，每次中斷返回時(shí)若有復(fù)位鍵和新的參數(shù)設(shè)置鍵按下則返回鍵處理程序。在主程序中，主要完成對(duì)各個(gè)可編程芯片進(jìn)行初始化和鍵盤參數(shù)設(shè)置的處理。整個(gè)控制程序由主程序、中斷服務(wù)程序、PI運(yùn)算程序及一些輔助程序幾個(gè)部分組成。所以，整個(gè)系統(tǒng)的軟件編程部分，是使本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[18]。圖316 電源電路原理圖對(duì)于IR2110使用的+15V電源以及各個(gè)功率地電源電路，設(shè)計(jì)原理圖如圖317所示。電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)，而且使用起來也比較方便。15v。5V,固定式三端穩(wěn)壓器7812和7912組裝電路可對(duì)稱輸出177。此次設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源由電源變壓器、二極管整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分組成，具體流程圖如圖315所示。穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓ΔU等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。12V的電源。5V，電橋測量電路需要177。鍵盤顯示電路接線圖如圖314。在連接32鍵以內(nèi)的簡單鍵盤時(shí)，CNTL、SHIFT輸入端可接地。此時(shí)，在8位段數(shù)據(jù)輸出端口輸出下一個(gè)LED顯示位的顯示內(nèi)容。本系統(tǒng)中有10位LED顯示器，因顯示位數(shù)比較多，所以要用到4線16線譯碼器74LS154，SL0—SL3又由74LS154譯碼輸出，經(jīng)7407驅(qū)動(dòng)后到顯示器LED的各個(gè)位的公共陰極。矩陣鍵盤示意圖如圖313。用I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。對(duì)于鍵盤設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用44行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成16個(gè)鍵的矩陣式鍵盤，其中按鍵的功能分別為0～9數(shù)字和“.”按鍵、“開始設(shè)定”、“確認(rèn)”、“DEL”、“AC/ON”“復(fù)位”。8279最多可用來控制16位LED顯示器，當(dāng)顯示位數(shù)超過8位時(shí)，均需要設(shè)定為16位字符顯示。因此，相對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來說鍵盤接口信號(hào)是輸入信號(hào)。鍵盤由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開時(shí)，觸點(diǎn)斷開。因此鍵盤模塊設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。圖312 8155H與單片機(jī)的接口電路 配料系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤輸入是人機(jī)交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑?？刂破溥x通工作。8155H可以直接和單片機(jī)進(jìn)行連接，不需要任何外加邏輯[17]。8155H芯片是Intel公司生產(chǎn)的一種為單片機(jī)作為輸入/輸出及RAM擴(kuò)充的外圍I/O接口芯片，共有40個(gè)管腳。為實(shí)現(xiàn)以上擴(kuò)展功能，本系統(tǒng)需要進(jìn)行I/O擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)鍵盤與顯示電路的連接，組成一個(gè)方便操作的人機(jī)界面。圖311 PWM驅(qū)動(dòng)電路圖 配料系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的鍵盤與顯示電路本設(shè)計(jì)系統(tǒng)除了前面所述的幾個(gè)結(jié)構(gòu)外，還需要用到人機(jī)聯(lián)系部件去實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，鍵盤用來控制整個(gè)皮帶傳輸系統(tǒng)的開始和停止。在此同時(shí)VCC經(jīng)自舉二極管，C8和Q4形成回路，對(duì)C8進(jìn)行充電，迅速為C8補(bǔ)充能量。當(dāng)HIN 為低電平時(shí),聚集在Q2柵極和發(fā)射極之間的電荷在芯片內(nèi)部通過電阻迅速放電使Q2關(guān)斷。當(dāng)HIN 為高電平時(shí)，HO輸出正電壓信號(hào)，通過自舉電容C7將電壓加到Q2的柵極和發(fā)射極之間，C7通過芯片內(nèi)部的MOS管形成回路放電，這時(shí)C7就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使Q2導(dǎo)通。本系統(tǒng)中IR2110采用+15V電壓供電，接地信號(hào)為功率地信號(hào)。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，即一組電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制。IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護(hù)。圖310 PWM信號(hào)產(chǎn)生電路 PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路由于單靠光耦不能驅(qū)動(dòng)IGBT工作，所以要選取專門的驅(qū)動(dòng)芯片。高位的RCO\信號(hào)為電路總RCO\信號(hào)接到計(jì)數(shù)器的置數(shù)端LOAD\，RCO\信號(hào)反相后即為觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，通過一個(gè)D觸發(fā)器4013，Q端即PWM信號(hào)正輸出Q+，Q即為PWM互補(bǔ)輸出Q，然后4013的Q和Q\分別接兩個(gè)高速光耦TLP5211輸出。計(jì)數(shù)器為8位可預(yù)置加/減計(jì)數(shù)器，在輸出為高電平時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，計(jì)d個(gè)脈沖后，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為0，輸出借位信號(hào)RCO\，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并同時(shí)使計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)值為d，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)后（即輸出為低電平），計(jì)數(shù)器在觸發(fā)器控制下，做加計(jì)數(shù)，在（256d）個(gè)后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為255，輸出RCO\進(jìn)位信號(hào)，RCO\信號(hào)促使觸發(fā)器電平再次轉(zhuǎn)變?yōu)楦撸⑹褂?jì)數(shù)再次置為d，從而進(jìn)行下一輪的計(jì)數(shù)。所以考慮用數(shù)字電路：計(jì)數(shù)器（或定時(shí)器）、觸發(fā)器和少量輔助電路實(shí)現(xiàn)。該P(yáng)WM調(diào)制器工作頻率可達(dá)100KHZ,可零輸出和滿載輸出。如采用模擬PWM調(diào)制器，則需要通過D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，才能與這種調(diào)制器相接，不但不方便，而且一般還需要進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。圖39 速度信號(hào)檢測電路接線圖 PWM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PWM信號(hào)產(chǎn)生電路在晶體管功率放大和電源電路中，脈沖寬度調(diào)制器（IGBT）以其功耗低、效率高得到了廣泛的應(yīng)用。同樣當(dāng)PC0口輸出低電平停止測速，時(shí)鐘脈沖要等到下一個(gè)脈沖才停止計(jì)數(shù)，此時(shí)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值剛好是整個(gè)測速脈沖的時(shí)間間隔。這樣從測速啟動(dòng)點(diǎn)到停止點(diǎn)時(shí)間間隔內(nèi)，GATE0為高電平，則輸入8253的CLK0端口的測速脈沖計(jì)數(shù)值即為。通過單片機(jī)編程初始化進(jìn)入這種方式后，可用GATE電平對(duì)計(jì)數(shù)過程進(jìn)行監(jiān)控。，啟動(dòng)8253。因?yàn)?253為下降沿計(jì)數(shù)，故將脈沖信號(hào)通過反向器74LS04接到8253的GATE0端[16]。然后接到D觸發(fā)器4013的CLK端。圖38 M/T法測速原理 設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出Z個(gè)脈沖，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： （37）在本設(shè)計(jì)中，選用=2MHZ，Z=1024*2，所以轉(zhuǎn)速計(jì)算公式有： （38） 數(shù)字測速硬件電路數(shù)字測速硬件電路如圖39所示。這樣，就代表了個(gè)測速脈沖周期的時(shí)間。等于整個(gè)脈沖周期。 M/T法測速原理M/T法測速原理是在對(duì)光電編碼器輸出的測速脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)，對(duì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)也進(jìn)行計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，皮帶傳輸系統(tǒng)上物料較多時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，皮帶傳輸系統(tǒng)上物料較少時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高。采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法有三種：M法、T法和M/T法測速。為了在較大的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測速，數(shù)字測速具有測速精度高、分辨能力強(qiáng)、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn)。圖37 電流信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路 數(shù)字測速電路要實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制的外環(huán)控制即速度環(huán)控制必須檢測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。輸出信號(hào)連接ADC0809的IN1端口[15]。直流母線電流從LA25ANP的I+管腳流進(jìn)，二次邊電流由M管腳輸出。其輸入最大電流量程為25A，25A對(duì)應(yīng)的二次邊輸出電流為25mA；電流在原邊回路和副邊回路之間是絕緣的。同時(shí)，在本次設(shè)計(jì)中，要求電機(jī)快速啟動(dòng)、制動(dòng)，通過電流采樣，單片機(jī)控制控制電流在允許的范圍內(nèi)達(dá)到最大值，保證電機(jī)快速、平穩(wěn)運(yùn)行。PWM變換器電路如圖36。經(jīng)上式計(jì)算后，選擇＝10 A, ==1200V的IGBT。 圖35 IGBT緩沖電路 IGBT選擇及計(jì)算本設(shè)計(jì)中IGBT的選擇主要依據(jù)以下參數(shù)：通態(tài)平均電流、斷態(tài)重復(fù)峰值電壓及反向重復(fù)峰值電壓。為了使功率器件關(guān)斷時(shí)過電壓得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，本設(shè)計(jì)采用分立式關(guān)斷RC緩沖電路。設(shè)計(jì)緩沖電路時(shí)要綜合考慮這兩方面因素。所以電路中需要加緩沖電路，緩沖電路可以減小器件的開關(guān)損耗。三相交流電源通過變壓器變換到所需要的電壓值，再通過整流電路變換成直流，然后經(jīng)過大電容濾波供給直流電機(jī)。由于電路中瞬時(shí)電流會(huì)很大，為了安全起見，開關(guān)采取繼電器吸合。但由于電容容量很大，突然接通電源時(shí)候相當(dāng)于短路，將會(huì)產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞電路中的元器件，所以在整流器和濾波電容之間要串聯(lián)一個(gè)大電阻，合上電源后再用延時(shí)開關(guān)將該電阻短路，以免運(yùn)行中造成不必要的損耗。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖34。、A1口，用來控制計(jì)數(shù)器的工作方式。（INT0）用來接受ADC0809的中斷請(qǐng)求信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn)換器能與單片機(jī)正常通信。控制其選通工作。74LS07芯片是8279作為LED數(shù)碼管顯示器的段選碼輸出端口的同相驅(qū)動(dòng)芯片。鍵盤、顯示器通過8279與單片機(jī)相接，單片機(jī)的P1口經(jīng)擴(kuò)展后與8279的數(shù)據(jù)口相接，鍵盤的行線接8279的RL0—RL3， SL0—SL3經(jīng)74LS138譯碼輸出，連接鍵盤的列線， SL0—SL3又由74LS154譯碼輸出，經(jīng)7407驅(qū)動(dòng)后到顯示器LED的各個(gè)位的公共陰極。 系統(tǒng)采用ATM公司的AT89C52作為控制中心，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)和外接設(shè)備的信號(hào)，再處理數(shù)據(jù)，發(fā)出控制信號(hào)，以達(dá)到所需的要求。單片機(jī)與ADC0809的接口電路圖如圖33。重量采集信號(hào)經(jīng)過AD620放大以后接ADC0809的IN0口。邏輯數(shù)據(jù)信號(hào)由AT89C52的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出直接接到ADC0809的8根數(shù)據(jù)線上，ADC0809的地址輸入線A、B、 三個(gè)端口控制，經(jīng)譯碼后可選通IN0～I(xiàn)N7 八個(gè)通道中的任意一個(gè)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，用于控制AD0809模擬信號(hào)輸入通道。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE 端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)[12]。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。 A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過放大電路的信號(hào)是一個(gè)模擬信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的目的必須把它變成數(shù)字量才能送入單片機(jī)控制系統(tǒng)受理，因此本系統(tǒng)需要用A/D轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過AD620放大得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。圖32 濾波電路及放大電路電阻R1R20和電容CCC1C12用于濾除前級(jí)的噪聲，CC11為普通小電容，可以濾除高頻干擾，CC12為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。AD620 為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu), 為保護(hù)增益控制的高精度, 其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入, 并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流, 通過輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋, 保持輸入三極管的集電極電流恒定, 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻Rg上。此外，AD620功耗較低( mA)、較高