【正文】 雖然 簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度， 卻 提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且節(jié)約了成本。 MAX7219 可以實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前的電弧電流和電壓值。 首先，采用 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX155 采集弧流弧壓 。計(jì)算鍵值完后，判斷按鍵是否被釋放，釋放后，進(jìn)行判斷此次輸入的鍵值是否等于結(jié)束值（ 10），若不是，表示給定數(shù)據(jù)還未輸入完畢，則返回進(jìn)行下一次的輸入掃描程序；若等于，表示表示給定數(shù)據(jù)未輸入完畢，將所有輸入值經(jīng)過(guò)計(jì)算后的總的給定值存入寄存器 R0 中，用于單片機(jī)相關(guān)的其它指令操作。 判 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 39 頁(yè) 共 52 頁(yè) 斷有鍵被按下時(shí)，先進(jìn)行延時(shí)去抖動(dòng)，防止非人為輸入信號(hào)和消除信號(hào)誤差。hI ， 鍵盤(pán)輸入程序采用 4 4 矩陣式鍵盤(pán)，有效值為 0— 9，其余 6 個(gè)鍵值分別設(shè)為 10，作為輸入結(jié)束標(biāo)志。 鍵盤(pán)輸入程序流程圖如圖 所示。采樣轉(zhuǎn)換時(shí)，單片機(jī)給出一個(gè) WR 脈沖，并在 WR 脈沖的下降沿開(kāi)始轉(zhuǎn)換，此時(shí)的 MAX155的 RAM地址計(jì)數(shù)器復(fù)位到 0。 然后判斷 dU 是否〉 NU （對(duì)應(yīng)額定電弧電流），大于則轉(zhuǎn)向進(jìn)行電極快速提升的操作程序，并且當(dāng) dU NU 時(shí)進(jìn)行快速制動(dòng)操作；小于則進(jìn)行電極上升的相關(guān)程序操作。接著對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，如果鍵盤(pán)有輸入，則執(zhí)行相應(yīng)的鍵盤(pán)操作程序，如果沒(méi)有，則繼續(xù)主程序。然后單片機(jī)將由A/D轉(zhuǎn)換器 MAX155傳送的數(shù)據(jù)中的當(dāng)前電弧弧流、弧壓通過(guò)顯示芯片 MAX7219顯示出來(lái)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 38 頁(yè) 共 52 頁(yè) 3 軟件設(shè)計(jì) 程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的靈魂，只有通過(guò)軟件才能將硬件的功能體現(xiàn)出來(lái)，有機(jī)地調(diào)用系統(tǒng)中子程序，使它們形成一個(gè)聯(lián)系緊密的整體，有條不紊的完成各種各樣的操作命令。 根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，選取額定電壓為 380V，空載電流≤ 20A，堵轉(zhuǎn)電流≤ 44A的交流力矩電動(dòng)機(jī)。因此 ， 要提高電極升降速度 ， 首先要縮短電極升降的過(guò)渡過(guò)程 ， 電極升降的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間取決于電極機(jī)構(gòu)的慣量大小 ， 而電極機(jī)構(gòu)慣量的大小 ， 主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量。 圖 執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 電爐在運(yùn)行中 ， 負(fù)荷變化劇烈 ， 常常會(huì)產(chǎn)生斷弧和短路現(xiàn)象 ， 這就要求電機(jī)迅速地反轉(zhuǎn) ， 電極迅速升降 ， 以免造成斷弧和短路現(xiàn)象 ， 并且能根據(jù)爐內(nèi)的電流電壓大小靈敏迅速地進(jìn)行恒功率調(diào)節(jié)。 接著單片機(jī)檢測(cè)，當(dāng)電弧電流值當(dāng) dU NU （額定電流）值時(shí)，執(zhí)行快速制動(dòng)的程序，單片機(jī)改變 SA4828 的控制寄存器參數(shù)，使整流逆變裝置輸出電壓方向 改變，保持整流逆變電路的觸發(fā)脈沖為極限值，致使整流逆變裝置輸出電壓也達(dá)最大值（反向），使整流逆變裝置輸出較高的電壓加于電機(jī)的下降繞組上，使尚在上升運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)接收到一個(gè)較大的反接制動(dòng)力矩，電動(dòng)機(jī)迅速停止，從而實(shí)現(xiàn)電極快速制動(dòng)的目的。 快速提升和快速制動(dòng)環(huán)節(jié)的工作原理及設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的快速提升環(huán)節(jié)主要是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)的。 快速提升和快速制動(dòng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 快速提升環(huán)節(jié)的作用 在電弧爐煉鋼期間 ， 由于爐料的塌方 ， 會(huì)造成電極被爐料埋住 ， 使電極與爐料之間發(fā)生短路 ， 短時(shí)間的短路 ， 會(huì)造成電氣設(shè)備的損害 ， 從而給經(jīng)濟(jì)上造成一定的損失 ， 這就要求控制系統(tǒng)具備快速提升電極的能力 ， 使電極迅速脫離短路狀態(tài) ， 重新進(jìn)入工作區(qū) ，這就是快速提升環(huán)節(jié)的重要作用 快速制動(dòng)環(huán)節(jié)的作用 當(dāng)電極發(fā)生短路時(shí)，快速提升環(huán)節(jié)迅速提升電極使其脫離短路狀態(tài)，但由于電機(jī)提升速度快，因?yàn)閼T性作用反而脫離預(yù)定電弧流值，造成超調(diào)現(xiàn)象。但是，電極下降時(shí)，電阻、二極管網(wǎng)絡(luò)電阻值比電極上升時(shí)小，因?yàn)?3R 與 4R 并聯(lián)，所以，在相同速度的情況下，電極下降時(shí)反饋 較強(qiáng)，這樣平衡橋有相同的輸出電壓時(shí)通過(guò)反饋環(huán)節(jié)可以使電極的上升、下降速度有所不同，人為的使下降速度低于上升速度。 當(dāng)電極處于下降狀態(tài)時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī) B端為正， A 端為負(fù)。當(dāng)平衡橋輸出值較大時(shí)，電極上升速度加快。在該網(wǎng)絡(luò)中，電流經(jīng)電位器 1W 、電阻 3R 回到測(cè)速發(fā)電機(jī) B 端，這樣就相當(dāng)于一個(gè)負(fù)電壓加入了運(yùn)算 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 34 頁(yè) 共 52 頁(yè) 放大器，與平衡橋輸出的電壓方向正好相反，此時(shí)的運(yùn)算放大器工作在反向加法器狀態(tài)，故有 )(22110 ifif URRURRU ??? 。電動(dòng)機(jī)電樞的一個(gè)端點(diǎn)與運(yùn)算放大器虛地相接，電樞的另一個(gè)端點(diǎn)與電阻、二極管網(wǎng)絡(luò)的一端相接，如圖 所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也下降， gV 減小，于是差值 ? V就增加，該差值經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)后，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)算法計(jì)算，控制變頻器，使變頻器驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)輸出電壓提高，轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高。這個(gè)基準(zhǔn)電壓即給定電壓，用 gU 表示，它是由前面的弧壓、弧流比 較環(huán)節(jié)所得到的。方向和大小不斷變化的轉(zhuǎn)速通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 速度反饋環(huán)節(jié)原理 如圖 所示，為了實(shí)現(xiàn)速度負(fù)反饋，即為了將電極移動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成速度反饋回路所需要的電壓信號(hào)，將一只直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與力矩電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)與力矩發(fā)電機(jī)同速 旋轉(zhuǎn)，測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓 cfU 與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 成正比，即測(cè)速發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電壓同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成準(zhǔn)確的線(xiàn)性關(guān)系。 另外，速度負(fù)反饋的另一作用是縮短調(diào)節(jié)器的過(guò)渡時(shí)間，提高動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)。為了提高力矩電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、硬度，擴(kuò)大調(diào)速范圍，減小靜差度，在本調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入了速度負(fù)反饋環(huán)節(jié)。其中 12D ~ 15D 位不用； 8D ~11D為顯示位和各種工作方式的控制寄存器地址位，可選擇要顯示的位、解碼方式、顯示亮度、掃描位數(shù)、停止方式、顯示測(cè)試等，其地址分布如表 所示 0D ~ 7D 為數(shù)據(jù)位，其形式與顯示出的數(shù)字間的關(guān)系與解碼方式有關(guān)。當(dāng)需要 MAX7219 級(jí)聯(lián)時(shí) ， 使用非工作寄存器 ， 把所有器件的 LOAD 連接在一起，而把 DOUT 連接到相鄰的 MAX7219 的 D IN 端上 ，在時(shí)鐘的下降沿 ， 數(shù)據(jù)從 DOUT 端輸出到下一芯片的 DIN 端。掃描界線(xiàn)寄存器設(shè)置所顯示數(shù)據(jù)的多少 ， 可從 1 到 8。在測(cè)試方式 ， 所有 L ED 接通 ， 直到測(cè)試寄存器被重新設(shè)置為正常工作為止 ， 譯碼方式寄存器可以分別控制每個(gè)顯示器的某幾段為 BCD 譯碼或者為非譯碼方式 ， 寄存器中的每一位與一個(gè)數(shù)字相對(duì)應(yīng)。表 列出控制寄存器地址和指令舉例。 c) MAX7219 內(nèi)部寄存器介紹： 其內(nèi)部具有 14 個(gè)可尋址寄存器 ， 其中 8 個(gè)數(shù)字寄存器 ， 6 個(gè)控制寄存器。即單片機(jī)將 16 位二進(jìn)制數(shù)逐位發(fā)送到 DIN 端 ， 在 CLK 上升沿到來(lái)前準(zhǔn)備就緒， CLK 的每個(gè)上升沿將一位數(shù)據(jù)移入 MAX7219 內(nèi)移位寄存器，當(dāng) 16 位數(shù)據(jù)移入完，在 LOAD 引腳信號(hào)上升沿將 16 位數(shù)據(jù)裝入 MAX7219 內(nèi)的相應(yīng)位置，在 MAX7219 內(nèi)部硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示控制電路作用下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。使用者還可選擇停機(jī)模式、數(shù)字亮度控制、從 1～ 8 選擇掃描位數(shù)和對(duì)所有 LED 顯示器的測(cè)試模式。 MAX7219 和微處理器只需三根導(dǎo)線(xiàn)連接，每位顯示數(shù)字有一個(gè)地址由微處理器寫(xiě)入。 5) 可以模擬和數(shù)據(jù)控制顯示的亮度。 3) 允許用戶(hù)對(duì)每個(gè)顯示位是選擇 BCD 譯碼方式還是非譯碼方式進(jìn)行定義。對(duì)外接口只有 3 根 I/ O 口線(xiàn)。所有 L ED 的段電流設(shè)定只需一個(gè)外部電 阻來(lái)。它一片芯片可以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 8 位 7 段 L ED 顯示器、條型圖形、或 64個(gè)單個(gè)LED。其中 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9作為數(shù)字鍵的值， 10 作為功能鍵的標(biāo)識(shí)。 ④判斷鍵是否被釋放：如果被釋放，則返回；否則等待被釋放后再返回，以保證每次按鍵只作一次處 理。 ③判斷閉合鍵所在位置：在確認(rèn)鍵盤(pán)中有鍵被按下后，依次將 K4()~K7()置為低電平，然后檢測(cè)輸入線(xiàn)的狀態(tài)。 ②去除鍵抖動(dòng)：延時(shí)一段時(shí)間再次檢測(cè)。如果有任意一條或一條以上為低電平，則表示鍵盤(pán)中有鍵被按下。 進(jìn)行矩陣式鍵盤(pán)健值的判斷采取掃描法進(jìn)行，圖 為鍵盤(pán)掃描的流程圖。如果把 K4()~K7()全部置位為“ 0”，只要有任意一個(gè)鍵閉合， K0()~K3()讀到的就不全為“ 1”，說(shuō)明有鍵按下，然后再進(jìn)行健值的判斷。在鍵盤(pán)中無(wú)任何鍵按下時(shí)，所有行線(xiàn)和列線(xiàn)接通。 采用單片機(jī)電源芯片可大大簡(jiǎn)化電路。前者體積大，笨重，但電路簡(jiǎn)單 ，各路電源完全獨(dú)立，調(diào)試容易。 12V 電源，一共需要 7路電源，如圖 所示。 .9 隔離電源 為了驅(qū)動(dòng)主電路逆變橋的 3 個(gè)上橋臂的 IGBT，必須給每一路提供一個(gè)隔離的 25V電源，而 3 個(gè)下橋臂可以共用一個(gè) 25V 電源。輸入端光耦的隔離電壓達(dá)到 3000V，輸入電流為 5～ 10mA，可以驅(qū)動(dòng) 100A/600V 的 IGBT。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 26 頁(yè) 共 52 頁(yè) A m p1K1 0 V2 5 VAGNDT L P 2 5 0 圖 TLP250驅(qū)動(dòng)電路 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路采用東芝公司的集成電路芯片 TLP原因有兩個(gè)：① IGBT 需要 的開(kāi)關(guān)信號(hào)幅值約為 ? 10V， TTL電平不能勝任；②逆變橋中 3個(gè)下橋臂是共地的，而 3個(gè)上橋臂是懸浮的， SA4828 輸出的 6路信號(hào)均是共地的，必須加以隔離。所以選擇規(guī)格為 600V/100A 的 7單元 IPM。 由設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)可知，執(zhí)行電機(jī)的額定電壓為 380V，空載電流≤ 30A，堵轉(zhuǎn)電流≤ 68A，功率因數(shù) cos? 約為 ，效率 ? 約為 。目前已有許多廠(chǎng)商 把該電路與整流電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及傳感電路等集成為一個(gè)模塊，稱(chēng)為智能功率模塊 —— IPM，這樣使主電路結(jié)構(gòu)緊湊，避免了分布參數(shù)的影響。 系統(tǒng)的控制參數(shù)寄存器的參數(shù)改變主要是完成系統(tǒng)的調(diào)速功能，實(shí)際工作時(shí)，單片 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 25 頁(yè) 共 52 頁(yè) 機(jī)通過(guò)檢測(cè)接受輸入信號(hào)，改變調(diào)制波頻率選擇字 PFS、調(diào)制波幅值選擇字 An 和正反轉(zhuǎn)選擇字 F /R=0來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。 . 6 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 如實(shí)際系統(tǒng)要求 ： 調(diào)制波頻率范圍為 0～ 50Hz，載波頻率為 ，實(shí)際脈沖取消時(shí)間為 ，死區(qū)延遲時(shí)間為 ，系統(tǒng)采用高效波形，使用看門(mén)狗功能。正反轉(zhuǎn)選擇位 /R控制三相 PWM 輸出的相序。 調(diào)制波幅值 ： POWERA = %100255?An （ ） 由于采用三相 幅值統(tǒng)一控制，所以調(diào)制波幅值選擇字 An 存放于寄存器 R3（ Ramp）中，R4（ Yamp）、 R5（ Bamp）內(nèi)容無(wú)效。改變調(diào)制波幅值是用來(lái)改變輸出電壓，以達(dá)到變頻同時(shí)變壓的目的。式中， PESn 值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率選擇字。 表 ， R0～ R5 各寄存器的內(nèi)容 寄存器 7 6 5 4 3 2 1 0 R0 PFS7 PFS6 PFS5 PFS4 PFS3 PFS2 PFS1 PFS0 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 24 頁(yè) 共 52 頁(yè) 寄存器 7 6 5 4 3 2 1 0 R1 PFS15 PFS14 PFS13 PFS12 PFS11 PFS10 PFS9 PFS8 R2 RST WTE CR INH F /R R3 Ramp7 Ramp6 Ramp5 Ramp4 Ramp3 Ramp2 Ramp1 Ramp0 R4 Bamp7 Bamp6 Bamp5 Bamp4 Bamp3 Bamp2 Bamp1 Bamp0 R5 Yamp7 Yamp6 Yamp5 Yamp4 Yamp3 Yamp2 Yamp1 Yamp0 a)調(diào)制波頻率選擇字。其方法是通過(guò)對(duì) R0～ R5寄存器輸入并暫存，當(dāng)向R15虛擬寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，才將這些數(shù)據(jù)送入控制寄存器。本設(shè)計(jì)采用三相幅值同時(shí)控制，則取 AC=0。 f)幅值控制。根據(jù) WS0、 WS1可選擇純正弦波、增強(qiáng)型波、高效波三種調(diào)制波形。 e)調(diào)制波形選擇。 脈沖取消時(shí)間為 ： PDTt =512127 ??CARR PDYf n=最小脈寬 +死區(qū)時(shí)間 （ ） 式中 ： PDTn 的二進(jìn)制數(shù)即是最小刪除脈寬設(shè)定字。 d)脈沖取消時(shí)間設(shè)定。 脈沖延遲時(shí)間為： PDYt =51263 ??CARR PDYf n （ ） 式中： PDYn 的二進(jìn)制數(shù)即是脈沖延遲時(shí)間設(shè)定字。 c)脈沖延遲時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）設(shè)定。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 23 頁(yè) 共 52 頁(yè) 調(diào)制波頻率范圍為 ： RANGEf =3842mCARRf ? （ ） 式中 ： m值的二進(jìn)制數(shù)即為調(diào)制波頻率范圍設(shè)定字。調(diào)制波頻率范圍 設(shè)定字是由 FRS0～ FRS2 這三位組成。系統(tǒng)采用 12MHz的晶振頻率，則 CLKf =6MHz，取 n=2，即 CFS2～ CFS0=010B，則 CARRf =。理論上，載波頻率越高越好，但頻率越高損耗會(huì)越大，另外，還受開(kāi)關(guān)管最高頻率的限制，因此要合理設(shè)定。