【正文】 （47）式中，為采樣第i次調(diào)節(jié)器輸出量， 為采樣第i次調(diào)節(jié)器輸出偏差， T為采樣周期 為控制量的基準(zhǔn)，也就是e=0時(shí)控制作用根據(jù)式（1）得：…… （48）用（48）式減（47）式得： 令，k2=k，則，此為增量式PI算法。速度環(huán)=10～20ms；本系統(tǒng)取2ms，=10ms。電流環(huán)開環(huán)截止角頻率：電流環(huán)采樣周期：速度環(huán)截止頻率：對(duì)于采樣控制系統(tǒng)，采樣周期T越大，引起滯后就越大，容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此只要根據(jù)不同的過程參量，選擇恰當(dāng)?shù)牟蓸又芷?，就不?huì)失去信號(hào)的主要特征。要使離散的數(shù)字信號(hào)在處理完畢后能夠不失真的復(fù)現(xiàn)連續(xù)的模擬信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的采樣頻率須有一定的要求。兩次采樣之間的時(shí)間間隔T稱為采樣周期，采樣時(shí)間稱為采樣時(shí)間。要使離散的數(shù)字信號(hào)在處理完畢后能夠不失真地復(fù)現(xiàn)連續(xù)的模擬信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的采樣周期有一定的要求。就能無失真的反映它的變化規(guī)律。將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的數(shù)字量以便計(jì)算機(jī)處理。2）采樣后得到的離散模擬信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，不能直接送入計(jì)算機(jī)，還須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是數(shù)字化?？傊C(jī)數(shù)字控制模擬系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外還擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能。以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：轉(zhuǎn)速環(huán)的小時(shí)間常數(shù)：按跟隨性能和抗擾性能的要求，應(yīng)取中頻寬h=5，則積分時(shí)間常數(shù)：速度環(huán)開環(huán)增益：速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)：速度調(diào)節(jié)器傳函：當(dāng)時(shí)，參數(shù)計(jì)算如下： 模擬信號(hào)的離散化直流調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和時(shí)間方法，所有的調(diào)速均用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，屬于模擬控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有連個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)進(jìn)行取代后，整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：圖42 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡(jiǎn)化Figure 42 speed loop block diagram of simplified dynamic 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖41中的電流環(huán)節(jié)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖（a）所示。 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 為使系統(tǒng)電流環(huán)超調(diào)小，根據(jù)典型I型系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)法，取=，并且=電流環(huán)開環(huán)增益：電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)： 取=40，則 =；；。簡(jiǎn)化的近似條件為： （41）式中——電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。由于電流調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速過程的反電動(dòng)勢(shì)變化快得多。圖41 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)Figure 41 current loop of the dynamic structure and its simplification對(duì)于晶閘管裝置可看成是一個(gè)具有滯后的放大環(huán)節(jié)。從這點(diǎn)出發(fā)應(yīng)把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，根據(jù)控制對(duì)象兩個(gè)時(shí)間常數(shù)變化可知典型I型系統(tǒng)的抗干擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的因此按照典型I型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流環(huán)節(jié)。所以下面我們先針對(duì)模擬系統(tǒng)中的電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中AT89C51單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，它主要具有數(shù)字自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，這時(shí)相當(dāng)于典型的雙閉環(huán)模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用。因此，此轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理、可行的[4]。由于累加器是減一操作，所以計(jì)數(shù)初值存入最大值00H。采用方式2進(jìn)行計(jì)數(shù)，主要有三個(gè)原因：一是因?yàn)榉绞?門控信號(hào)GATE的高、低決定了計(jì)數(shù)器的啟、停；二是當(dāng)GATE端出現(xiàn)上升沿信號(hào)或是重新啟動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)初值會(huì)自動(dòng)重新裝入累加器中，使軟件程序更加簡(jiǎn)單；三是當(dāng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器后，輸出OUT變?yōu)楦唠娖?，?jì)數(shù)執(zhí)行單元執(zhí)行減l操作，減到0時(shí)，輸出端OUT變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，進(jìn)入中斷程序中讀取計(jì)數(shù)器0中的數(shù)值，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的累加和計(jì)數(shù)。這里設(shè)定采樣時(shí)間為lms。具體電路原理圖如圖311所示。的J、K兩路來輸出矩形波。所以本設(shè)計(jì)采用用了4倍頻電路來提高精度，減少測(cè)速時(shí)間和時(shí)間的滯后，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)。AT89C51單片機(jī)的端給出啟動(dòng)、停止測(cè)速的信號(hào)。除此之外還可以作為頻率發(fā)生器、分頻器、時(shí)鐘、單脈沖發(fā)生器等。當(dāng)Q=0為反向運(yùn)行，Q=1為正向運(yùn)行[5]。 轉(zhuǎn)向的判別用M/T法只能測(cè)得轉(zhuǎn)速的大小，在可逆系統(tǒng)中還需要判別轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，PG脈沖發(fā)生器的輸出J、K兩個(gè)信號(hào)在相位上錯(cuò)開四分之一個(gè)周期，要使判別電路可靠的工作，兩個(gè)單穩(wěn)電路的延時(shí)都應(yīng)小于四分之一個(gè)周期，通過判別電路由RS觸發(fā)器的狀態(tài)可以反映旋轉(zhuǎn)的方向。到達(dá)c點(diǎn)后，單片機(jī)讀入、的值。若在T時(shí)間內(nèi)對(duì)P脈沖的計(jì)數(shù)值為，則可得到M/T法測(cè)得的轉(zhuǎn)速測(cè)量值計(jì)算公式： （r/min） （31）本設(shè)計(jì)中=HZ，由于采用4倍頻電路，故P=41024。檢測(cè)時(shí)間T可由計(jì)數(shù)器對(duì)頻率已知的計(jì)數(shù)脈沖所得計(jì)數(shù)值獲得，P脈沖數(shù)由計(jì)數(shù)器得到。M/T測(cè)速能在寬的被測(cè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到高的分辨能力和滿意的測(cè)速精度且檢測(cè)時(shí)間變化不大。T發(fā)測(cè)速則是通過測(cè)量光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)出的一個(gè)脈沖即P脈沖的周期來檢測(cè)速度。 M/T測(cè)速原理一般采用的數(shù)字式測(cè)速方法有M法和T法，但這兩種測(cè)速方法的測(cè)速范圍都受到限制。因此本設(shè)計(jì)采用每轉(zhuǎn)1024線的脈沖發(fā)生器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的脈沖列頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比例關(guān)系。轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性直接影響系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性。在過零檢測(cè)電路中A、B、C相在各點(diǎn)的波形如圖38所示[9]。該光照射到光敏三極管的基極上就使它的發(fā)射極C和集電極E導(dǎo)通：當(dāng)發(fā)光二極管沒有電流流過時(shí)，沒有光照射到光敏三極管的基極，C、E極截止。它由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。在過零檢測(cè)電路中，采用了光電耦合器作為檢測(cè)元件，主要考慮的就是光電耦合器體積小，價(jià)格低，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。兩者一起定時(shí)，無論從硬件上還是軟件上都簡(jiǎn)便了很多。對(duì)于控制角的定時(shí)與上述理論相一致，不同的是在檢測(cè)到過零點(diǎn)后，定時(shí)時(shí)間不光是自然換相角30176。這樣可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)控制更簡(jiǎn)便。那么我們就可以很容易得到自然換相點(diǎn)，也就是控制角的起始點(diǎn)，然后再定時(shí)控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進(jìn)行整流控制。所以我們就可以利用這一點(diǎn)，把檢測(cè)自然換相點(diǎn)換成檢測(cè)過零點(diǎn)，然后再延時(shí)30176。而我們把自然換相點(diǎn)與過零點(diǎn)之間的區(qū)域，稱作自然換相角。根據(jù)整流電壓公式：，因此控制角的定時(shí)時(shí)刻就尤為重要，即自然換相點(diǎn)。從自然換相點(diǎn)開始定時(shí)控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間后，開始發(fā)送六路觸發(fā)脈沖，脈沖觸發(fā)順序?yàn)門1T6～T1T2～T2T3～T3T4～T4T5～T5T6～T1T6，依次循環(huán)下去，每路脈沖間隔60176。圖36 晶閘管三相整流波形圖Figure 36 Threephase thyristor rectifier waveform 在三相整流電路中，控制角的起點(diǎn)不再是過零點(diǎn)，而是相對(duì)延后30176?？刂平窃叫?，導(dǎo)通的區(qū)域面積越大，輸出電壓就越大?，F(xiàn)已最簡(jiǎn)單的晶閘管工作電路為例作詳細(xì)說明，具體如圖35所示。當(dāng)Ud從最大值下降到零時(shí)，所對(duì)應(yīng)的控制角的變化范圍，稱作該電路的移相范圍。角增大，整流平均電壓Ud減小，=0176。這就是直流調(diào)壓。在電路中，216。稱作晶閘管的導(dǎo)通角或?qū)щ娊?，?dǎo)電角216。晶閘管每周期導(dǎo)通的電角度以216。用表示，稱作控制角。根據(jù)其這一特性，它在工業(yè)生產(chǎn)中，得到了廣泛的應(yīng)用，也使電力電子技術(shù)發(fā)展的更加成熟、更加完善。晶閘管不同于二極管，主要是因?yàn)樗目煽匦?。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，尤其是采用可控整流器作為改變直流電源電壓的方法時(shí)，過零檢測(cè)就是其必不可少的部分。過零檢測(cè)是否準(zhǔn)確直接決定了控制系統(tǒng)的好壞。零電流檢測(cè)和電流反饋通道的硬件電路如圖36所示。 電流檢測(cè)電路的硬件設(shè)計(jì)當(dāng)傳感器檢測(cè)的電流經(jīng)過測(cè)量電阻時(shí)，產(chǎn)生電壓，經(jīng)雙極性轉(zhuǎn)換電路變換成0～5V電壓送到了ADC0809進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至ATC89C51。具體工作過程是：當(dāng)初級(jí)電流通過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，稱為初級(jí)磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)被導(dǎo)磁體磁環(huán)聚集，并在霍爾元件輸出霍爾電壓，此電壓經(jīng)過放大后獲得補(bǔ)償電流（又稱次級(jí)電流），次級(jí)電流流過導(dǎo)磁體磁環(huán)上的次級(jí)線圈產(chǎn)生了次級(jí)磁場(chǎng)，它補(bǔ)償了上述初級(jí)磁場(chǎng)，霍爾元件便處于零磁通的平衡工作狀態(tài)。聚磁環(huán)，位于空隙中霍爾器件，次級(jí)線圈，放大電路組成。本設(shè)計(jì)采用北京萊姆電子公司的BJLEM電流傳感器。電隔離等優(yōu)點(diǎn)，給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了不少方便。 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用磁補(bǔ)償式霍爾電流傳感器來進(jìn)行電流反饋信號(hào)的檢測(cè)通過ADC0809進(jìn)行 模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)中。脈沖變壓器隔離法傳遞脈沖輸入/輸出信號(hào)時(shí)，不能傳遞直流分量。所以最后決定用脈沖變壓器替代光耦隔離。所以，如果要使用光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)．就需要每個(gè)光耦之間沒有任何聯(lián)系，也就是要需要至少4個(gè)獨(dú)立的電源給其供電，那樣在任何一個(gè)控制系統(tǒng)中都很難做到。另外，在布線上也應(yīng)該注意隔離。為了使兩者之間即保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系，即實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，是保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，設(shè)備與操作人員安全的重要措施。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾的目的。同時(shí)又為了使系統(tǒng)更可靠的防止兩組晶閘管可控裝置同時(shí)開放，在正、反組晶閘管可控裝置端設(shè)計(jì)了硬件保護(hù)電路，選用一片74LS02或門，控制兩組晶閘管的導(dǎo)通電子開關(guān)，更加確保了兩組晶閘管可控裝置不同時(shí)工作。隨著觸發(fā)脈沖的有無，脈沖變壓器也會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生電壓信號(hào)，那樣晶閘管就會(huì)隨著觸發(fā)脈沖作對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通動(dòng)作，完成可控整流的要求。移相定時(shí)器8253工作于方式0，當(dāng)其延時(shí)結(jié)束時(shí)，器輸出上升沿直接開啟觸發(fā)閘門74LS175。觸發(fā)脈沖輸出后，還要經(jīng)過脈沖隔離與功放裝置產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，那樣晶閘管就會(huì)隨著觸發(fā)脈沖作對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通動(dòng)作，完成可控整流的要求。如果選擇8155作I/O口擴(kuò)展，就應(yīng)該將芯片的片選信號(hào)端CE和作RAM/IO口選擇端IO/M進(jìn)行設(shè)置。只有經(jīng)過脈沖隔離和放大，這樣系統(tǒng)才會(huì)更加可靠、安全、穩(wěn)定。每個(gè)導(dǎo)通120176。每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度是60176。此方法可簡(jiǎn)化電路，減少脈沖變壓器體積并增強(qiáng)電路的抗干擾能力，6個(gè)觸發(fā)信號(hào)和正、反橋選通信號(hào)由8155的PA口送出，由外部電路調(diào)制成觸發(fā)脈沖，經(jīng)“功放”電路分別加到六個(gè)晶閘管的門極及正、反橋電子開關(guān)。 觸發(fā)脈沖的輸出電路觸發(fā)脈沖的形式可采用雙窄脈沖觸發(fā)功效電路，也可采用脈沖列觸發(fā)功效電路。3)占用CPU時(shí)間：用計(jì)算機(jī)進(jìn)行晶閘管的移相觸發(fā)控制時(shí)，CPU要進(jìn)行同步信號(hào)的相位判斷，控制角的計(jì)算，輸出觸發(fā)信號(hào)以及其它一些控制操作，這些工作都要占用CPU的時(shí)間，如果這部分時(shí)間過長(zhǎng)，將會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。不對(duì)稱程度可以用穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下各相最大的控制角與最小的控制角之差△來表示。2)不對(duì)稱性：在晶閘管整流電路中，由于電源電壓不對(duì)稱，電源頻率波動(dòng)等原因，各相晶閘管的控制角會(huì)出現(xiàn)差異，這個(gè)差異將使各相輸出電壓不度對(duì)稱。越小，移相控制信號(hào)改變一個(gè)字所引起整流電壓的變化就越小，轉(zhuǎn)速變化也越小，系統(tǒng)的控制精度也將越高。分辨率用表示，它的單位是度?？刂戚斎肓颗c變流器輸出之間的線性度較高。觸發(fā)器選用硬件立即觸發(fā)方式，突破以往的軟件觸發(fā)方式。使其分辨與位精度都較高。要想提高控制系統(tǒng)的控制精度，必須相應(yīng)地提高數(shù)字觸發(fā)器的精度。正反橋控制端約定“1”為選通，“0”為不選通即關(guān)斷。下表以正組晶閘管觸發(fā)字碼表為例，其中約定“1”是觸發(fā)響應(yīng)晶閘管，“0”為不觸發(fā)。圖33 波形圖Figure 33 Waveform 晶閘管觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖輸出電路主要是通過8155芯片的PA口輸出對(duì)應(yīng)的六路脈沖信號(hào)，脈沖寬度由軟件定時(shí)控制。AT89C51響應(yīng)中斷后，根據(jù)所求的角及電源狀態(tài)便可定相定時(shí)的輸出觸發(fā)脈沖。圖31 同步電路圖Figure 31 Synchronous circuit主變壓器及同步變壓器都接成Y—Y—12，同步變壓經(jīng)二級(jí)RC濾波電路濾波出去電源中的干擾，并實(shí)現(xiàn)90度的相移。由于同步信號(hào)跳變?yōu)樽匀粨Q相點(diǎn)，單片機(jī)檢測(cè)SSS3的狀態(tài)字，即可進(jìn)行軟件認(rèn)相，并作為標(biāo)志，供角定時(shí)和輸出控制作用。 圖31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Figure 31 System hardware block diagram 同步電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三相同步信號(hào)電路以減小電源頻率波動(dòng)對(duì)觸發(fā)器的影響。通過鍵盤對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行給定，通過兩行4位數(shù)碼管對(duì)轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速檢測(cè)進(jìn)行顯示；轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要是采用脈沖發(fā)生器和定時(shí)，計(jì)數(shù)芯片8253進(jìn)行檢測(cè)；電流檢測(cè)電路主要考慮到檢測(cè)精度的問題，采用A/D ADC0809作為檢測(cè)芯片，將直流端的電流換為電壓信號(hào)檢測(cè)進(jìn)來；觸發(fā)脈沖的形式采用脈沖列觸發(fā)功效電路是對(duì)六路晶閘管進(jìn)行移相觸發(fā)，采用8155芯片和脈沖放大電路作為六路脈沖的產(chǎn)生；整流電路由兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路、三相電源變壓器、小型直流電機(jī)等構(gòu)成。電流調(diào)節(jié)器的作用：1)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；2)啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳啟動(dòng)過程；3)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，能使電流跟隨其給定電壓變化；4)依靠ACR的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性；5)當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可限制最大電樞電流，起到快速的安全保護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)正常[2]。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)降(升)要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)的電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的擾動(dòng)作用，先要經(jīng)過電磁慣性滯后才能影響到電樞電流，再經(jīng)過機(jī)電慣性滯后才能反映出轉(zhuǎn)速變化，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，時(shí)間已晚。從靜特