【正文】 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(lái)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(guò)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(guò)仿真方法來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)調(diào)試過(guò)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(guò)小,會(huì)降低調(diào)節(jié)精度,使響應(yīng)速度緩慢,從而延長(zhǎng)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(pán)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(kāi)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(pán)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(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，而且使用起來(lái)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(chēng)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(cè)量電路需要177。鍵盤(pán)顯示電路接線圖如圖314。在連接32鍵以?xún)?nèi)的簡(jiǎn)單鍵盤(pán)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(pán)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(pán)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(pán)，其中按鍵的功能分別為0～9數(shù)字和“.”按鍵、“開(kāi)始設(shè)定”、“確認(rèn)”、“DEL”、“AC/ON”“復(fù)位”。8279最多可用來(lái)控制16位LED顯示器，當(dāng)顯示位數(shù)超過(guò)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(lái)說(shuō)鍵盤(pán)接口信號(hào)是輸入信號(hào)。鍵盤(pán)由許多鍵組成，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，當(dāng)鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，當(dāng)鍵松開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)斷開(kāi)。因此鍵盤(pán)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(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)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。控制其選通工作。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(pán)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(pán)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(pán)用來(lái)控制整個(gè)皮帶傳輸系統(tǒng)的開(kāi)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(guò)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(guò)自舉電容C7將電壓加到Q2的柵極和發(fā)射極之間，C7通過(guò)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(zhuān)門(mén)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)速脈沖的時(shí)間間隔。這樣從測(cè)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(cè)速脈沖計(jì)數(shù)值即為。通過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)速硬件電路數(shù)字測(cè)速硬件電路如圖39所示。這樣，就代表了個(gè)測(cè)速脈沖周期的時(shí)間。等于整個(gè)脈沖周期。 M/T法測(cè)速原理M/T法測(cè)速原理是在對(duì)光電編碼器輸出的測(cè)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(cè)速方法有三種：M法、T法和M/T法測(cè)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(cè)速，數(shù)字測(cè)速具有測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)損耗。三相交流電源通過(guò)變壓器變換到所需要的電壓值，再通過(guò)整流電路變換成直流，然后經(jīng)過(guò)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(jiàn)，開(kāi)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(kāi)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(lái)控制計(jì)數(shù)器的工作方式。（INT0）用來(lái)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?？刂破溥x通工作。74LS07芯片是8279作為L(zhǎng)ED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(pán)、顯示器通過(guò)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(pán)的行線接8279的RL0—RL3， SL0—SL3經(jīng)74LS138譯碼輸出，連接鍵盤(pán)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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)、較高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最50V)和低失調(diào)漂移(176。且具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用AD620芯片對(duì)檢測(cè)到的重量信號(hào)進(jìn)行放大，此類(lèi)芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡(jiǎn)單。能附加一些適應(yīng)特定要求的電路。在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使所測(cè)電壓造成偏差。傳感器的輸出信號(hào)不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。另一方面，檢測(cè)電路對(duì)運(yùn)算放大器要求很高。壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，其中伴隨著一些高頻干擾，低頻噪聲等。 若差動(dòng)工作，即,，,按式（31），則電橋輸出為 經(jīng)由電橋等電路變換后的信號(hào)比較微弱而且還有很多干擾信號(hào)，難以直接用來(lái)顯示、記錄、控制或進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。式（32）稱(chēng)平衡條件。圖31 重量信號(hào)采集電路當(dāng)電橋輸出端接無(wú)窮大負(fù)載電阻時(shí)，可視輸出端為開(kāi)路，此時(shí)直流電橋稱(chēng)為電壓橋，即只有電壓輸出。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。皮帶配料系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)需要具有很快的測(cè)量速度，而且輸出還要具有良好的線性性能，所以電容式傳感器和電感式傳感器都不能很好的適用于本次設(shè)計(jì)，固設(shè)計(jì)所需傳感器選用電阻應(yīng)變式傳感器。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠壽命長(zhǎng)；靈敏度和分辨力高。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。電容式傳感器是把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。是目前應(yīng)用在測(cè)量力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的應(yīng)用傳感器之一。常用的傳感器有：電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器。本次設(shè)計(jì)是將重量信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為