【正文】 拖動(dòng)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，就是計(jì)算機(jī)取代常規(guī)的電子控制裝備，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測(cè)速、數(shù)字調(diào)節(jié)的全數(shù)字化控制。 圖21系統(tǒng)原理框圖Figure 21 System Block Diagram 直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流問(wèn)題此系統(tǒng)解決了電動(dòng)機(jī)頻繁正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)中電能的回饋通道，但接踵而來(lái)的是影響系統(tǒng)的安全工作并決定可逆系統(tǒng)性質(zhì)的一個(gè)重要問(wèn)題——環(huán)流問(wèn)題。環(huán)流太大甚至于會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，故必須予以抑制。當(dāng)工藝過(guò)程對(duì)系統(tǒng)的過(guò)渡平滑性要求不高時(shí)，特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng)從生產(chǎn)可靠性要求出發(fā)，常采用既無(wú)直流平均環(huán)流又無(wú)瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng)。所謂邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng)就是當(dāng)一組晶閘管工作時(shí)，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的出發(fā)脈沖，使其完全處于阻斷狀態(tài)，確保兩組晶閘管不同時(shí)工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路。由于無(wú)環(huán)流，所以不設(shè)置環(huán)流電抗器。并采用數(shù)字邏輯電路，以數(shù)字信號(hào)形式執(zhí)行封鎖與開(kāi)放的作用。以確保兩組晶閘管不會(huì)同時(shí)開(kāi)放。這兩段延時(shí)時(shí)間就是封鎖延時(shí)tdbl和開(kāi)放延時(shí)tdt。開(kāi)放延時(shí)是指從封鎖原工作組脈沖的到開(kāi)放另一組脈沖之間的等待時(shí)間。勢(shì)必會(huì)造成逆變顛覆。這時(shí)在封鎖本組脈沖就沒(méi)有什么問(wèn)題了。如果在這之前就開(kāi)放另一組晶閘管，仍可能造成兩組晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，使電源短路。 觸發(fā)器控制角的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用微型計(jì)算機(jī)組成觸發(fā)控制裝置通常使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行角的移相控制。角是從自然換向點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角。由算式可見(jiàn)，根據(jù)電角度就可以算出對(duì)應(yīng)的定時(shí)時(shí)間，利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)角定時(shí)，這種用硬件定時(shí)的方案可以大大節(jié)省CPU在線工作時(shí)間。又因?yàn)锳T89C51單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成，工作于定時(shí)狀態(tài)時(shí)，晶振頻率為6MHZ,則1個(gè)機(jī)器周期=12/晶振頻率=12/6106=2us。由于16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器最大時(shí)間常數(shù)為216即為65536，所以最大定時(shí)角度用本機(jī)T0，T1定時(shí)移相范圍很大，而分辨率則受到本機(jī)機(jī)器周期的限制，在說(shuō)用于三相定時(shí)，需要采用特殊方式進(jìn)行。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的無(wú)靜差，單閉環(huán)與雙閉環(huán)調(diào)速相比采用電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)可以限制啟(制)動(dòng)時(shí)的最大電流。1）在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)問(wèn)相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)性能不夠好。為了獲得近似理想的過(guò)渡過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開(kāi)加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。ASR與ACR之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)聯(lián)接，即以ASR的輸出電壓作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用ACR的輸出電壓Uc作晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速與電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)和制動(dòng)停車過(guò)程圖22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速電流波形Figure 22 Double Closed Loop System startup speed current waveform設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的啟動(dòng)過(guò)程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程。由于在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，因此整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，在圖中分別標(biāo)以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。若須加速制動(dòng)，則只能采用電阻能耗制動(dòng)或者電磁抱閘的方式[2]。只要系統(tǒng)能有效地抑制它們所引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降(升)和恢復(fù)時(shí)間，就說(shuō)明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能。負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生抗擾作用。為了減少動(dòng)態(tài)速降(升)，在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。2)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。但是從動(dòng)態(tài)性能上看，卻有較大差別。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)內(nèi)，它的影響不必等到波及到轉(zhuǎn)速就能被電流環(huán)所抑制。 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用可歸納如下：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化；2)對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；3)能對(duì)電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。3 直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括智能控制芯片AT89C51 再配必轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速顯示、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電流檢測(cè)、觸發(fā)電路、過(guò)零檢測(cè)電路和整流電路等部分。硬件結(jié)構(gòu)框圖 如圖31所示。因?yàn)橛|發(fā)電路是改變觸發(fā)脈沖的相位，與主電路的相位不相同，無(wú)法正確的控制導(dǎo)通角，整個(gè)電路無(wú)法正常的工作，所以可控整流電路的觸發(fā)電路必須和主電路同步三相交流同步電源取自同步變壓器的副繞組，經(jīng)RC濾波移相后使其過(guò)零點(diǎn)正好都對(duì)準(zhǔn)六個(gè)自然換相點(diǎn)，送至AT89C51單片機(jī)的端。同步電路如圖31所示。同步電路一方面將每?jī)蓚€(gè)相鄰的自然換相點(diǎn)之間的電源狀態(tài)用數(shù)字量SSS3來(lái)表示，供微機(jī)分配觸發(fā)脈沖時(shí)參考；另一方面在邊沿與自然換相點(diǎn)對(duì)齊的方波的邊沿處產(chǎn)生同步中斷脈沖，于是在電源的每個(gè)自然換相點(diǎn)向AT89C51單片機(jī)申請(qǐng)中斷，使微機(jī)的觸發(fā)操作與電源同步。其電壓波形圖如下圖33所示[6]。觸發(fā)脈沖經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離、放大電路觸發(fā)整流電路中晶閘管的對(duì)應(yīng)導(dǎo)通，產(chǎn)生可控的直流電源，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的目的。從系統(tǒng)擴(kuò)展的8155口輸出觸發(fā)信號(hào)。表31 正組橋晶閘管觸發(fā)字碼表Table 31 are set to trigger thyristor bridge code table電源狀態(tài)PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0觸發(fā)字碼觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管S1 S2 S3正橋反橋VT6VT5VT4VT3VT2VT110110000B0HVT5 VT610100001A1HVT6 VT11 0 11000001183HVT1 VT21 0 01000011086HVT2 VT31 1 0100011008CHVT3 VT40 1 01001100098HVT4 VT50 1 110110000B0HVT5 VT60 0 110100001A1HVT6 VT1 觸發(fā)控制裝置的要求在用單片機(jī)進(jìn)行觸發(fā)控制時(shí)，對(duì)觸發(fā)裝置的要求分辨率要小，各相觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱性要小，移相觸發(fā)控制占用CPU的時(shí)間要短。本設(shè)計(jì)采用高分辨率的數(shù)字觸發(fā)器。選用一個(gè)16位定時(shí)器便可對(duì)正反兩組可控硅全控橋精確觸發(fā)。觸發(fā)器工作穩(wěn)定可靠，各相觸發(fā)脈沖整齊，對(duì)稱度好，無(wú)論角如何移相均不會(huì)丟脈沖或多脈沖。對(duì)觸發(fā)裝置的要求如下所示：1)分辨率：是指計(jì)算機(jī)中進(jìn)行移相控制的數(shù)字信號(hào)改變一個(gè)字，所對(duì)應(yīng)的晶閘管控制角的變化。分辨率的大小與系統(tǒng)的控制精度密切相關(guān)。所以分辨率是觸發(fā)控制裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。不對(duì)稱的程序還與觸發(fā)裝置的同步方式有關(guān)，不對(duì)稱性就是用來(lái)說(shuō)明在穩(wěn)定運(yùn)行情況下各相控制角之間的差異大小。△也是觸發(fā)裝置的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)榭刂平堑牟粚?duì)稱性將在輸出電壓中出現(xiàn)低頻諧波成分，這個(gè)諧波成分對(duì)于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是不利的，所以應(yīng)盡量避免。特別是對(duì)于計(jì)算機(jī)速度比較慢的計(jì)算機(jī)，這個(gè)問(wèn)題通常顯得更突出，因此把占用CPU時(shí)間作為觸發(fā)裝置的一個(gè)指標(biāo)。在此我們選用雙窄脈沖觸發(fā)方式。每個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，同時(shí)給上一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。由8155的PA口產(chǎn)生的六路脈沖時(shí)間間隔60176。圖34 觸發(fā)脈沖輸出電路Figure 34 Trigger pulse output circuit如圖34所示觸發(fā)脈沖要想觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通，還必須經(jīng)過(guò)脈沖的隔離和放大，因?yàn)槊}沖的發(fā)生端是工作電壓為5V的單片機(jī)系統(tǒng)，而觸發(fā)端是連接在三相交流電中的高壓。圖中選擇8155作為I/O口擴(kuò)展，原因是AT89C51的端口有限，取出6個(gè)端口作為觸發(fā)脈沖的輸出是不可能的，所以選擇對(duì)PO口進(jìn)行擴(kuò)展。電路中采用8155的PA口作為輸出使用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)晶閘管的六路脈沖。本設(shè)計(jì)采用74LS157D觸發(fā)器作為觸發(fā)信號(hào)閘門，實(shí)現(xiàn)硬件立即觸發(fā)，提高移相角的位置精度，并用一個(gè)單穩(wěn)電路對(duì)觸發(fā)脈沖的寬度進(jìn)行控制。使原來(lái)已等待在D端的觸發(fā)字碼傳送到Q端。本系統(tǒng)是邏輯無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)，由于正、反兩組晶閘管可控裝置不能同時(shí)導(dǎo)通，所以采用電子開(kāi)關(guān)控制觸發(fā)脈沖送至正組橋或是反組橋，這樣可節(jié)省觸發(fā)接口，簡(jiǎn)化硬件。 信號(hào)的隔離設(shè)計(jì)信號(hào)的隔離目的之一是電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào)聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。一般工業(yè)應(yīng)用的微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分。測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間，弱電和強(qiáng)電之間，常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。這里選擇脈沖變壓器作為隔離器件主要有兩個(gè)原因:第一，脈沖變壓器相對(duì)光耦隔效果更好，響應(yīng)速度更快；第二，是因?yàn)樵谌嗳卣鳂蛑?，六路晶閘管中有些晶閘管的陰極相連，有些是晶閘管的陽(yáng)極相連。如果整流電路是三相半控的，就可以采用光耦進(jìn)行隔離了。脈沖變壓器可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離，因?yàn)槊}沖變壓器的匝數(shù)較少，而且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁芯的兩側(cè)，分別電容僅幾PF，所以可作為脈沖信號(hào)的隔離器件。微機(jī)使用的數(shù)字量信號(hào)輸入/輸出的控制設(shè)備不要求傳遞直流分量，所以脈沖變壓器隔離法在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[9]?；魻栯娏鱾鞲衅魇且环N比較好的隔離式強(qiáng)電流檢測(cè)裝置，它不僅能測(cè)量靜態(tài)，動(dòng)態(tài)的參數(shù)，還具有動(dòng)作頻率寬。為了檢測(cè)直流電動(dòng)機(jī)電流大小和電流是否為零，提高檢測(cè)精度和抗干擾能力。這種傳感器是非接觸式傳感器，它由原邊電路。原理如下圖：圖35 LEM傳感器原理圖Figure 35 LEM sensor schematicLEM傳感器及其原理：LEM 傳感器的工作原理是基于磁場(chǎng)補(bǔ)償平衡原理的，即初級(jí)電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈的電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件始終處在零磁通的平衡工作狀態(tài)。由于上述動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程極快，從宏觀上看，次級(jí)電流通過(guò)測(cè)量電阻在任何時(shí)刻均能檢測(cè)出來(lái)，器大小波形是與初級(jí)電流完全相對(duì)應(yīng)的。另一路送零電流檢測(cè)電路，當(dāng)主回路電流為零時(shí)，三極管T1截止，T2導(dǎo)通，發(fā)光二級(jí)管T3導(dǎo)通并發(fā)光，T4受光導(dǎo)通，C點(diǎn)點(diǎn)位為“0”，則L點(diǎn)為“1”，這就達(dá)到零電流檢測(cè)的目的。圖36 電流反饋通道電路圖Figure 36 channel current feedback circuit 過(guò)零檢測(cè)的意義過(guò)零檢測(cè)在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中是最為重要的。如果過(guò)零檢測(cè)不準(zhǔn)確，就會(huì)使觸發(fā)脈沖產(chǎn)生錯(cuò)亂，導(dǎo)致晶閘管的誤導(dǎo)通，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)失靈，甚至?xí)龤щ娐分械脑骷??？刂瓶煽卣髌鱽?lái)改變直流端的電樞電壓，主要是控制晶閘管的導(dǎo)通，什么時(shí)候開(kāi)始觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，直接影響整流電壓的大?。鶕?jù)之前所述，晶閘管的導(dǎo)通角越小，整流電壓就越大。當(dāng)二極管兩端承受正向電壓時(shí)，二極管就發(fā)生導(dǎo)通：而晶閘管的導(dǎo)通條件不僅兩端要有正向電壓，而且觸發(fā)極要有能使晶閘管導(dǎo)通的觸發(fā)信號(hào)，只有兩者同時(shí)具備，晶閘管才會(huì)導(dǎo)通。從晶閘管承受正向電壓的wt=O時(shí)刻算起到晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的電角度。為使整流電壓Ud在每個(gè)周期的波形相同，每個(gè)周期的角也必須相同，且必須出現(xiàn)在電源電壓U2的正半波范圍內(nèi)，這就要觸發(fā)脈沖電壓Ug和電壓U2在頻率和相位上必須密切配合，這種相互協(xié)調(diào)配合的關(guān)系稱為主電路和觸發(fā)信號(hào)的同步。表示，216。的大小隨角大小的改變而變化。=，改變控制角的大小，就能改變晶閘管在U2正半波的導(dǎo)通時(shí)間，也就達(dá)到了改變負(fù)載電壓ud波形和平均電壓Ud大小的目的。對(duì)于不同的可控整流電路和不同性質(zhì)的負(fù)載，控制角有不同的限制范圍，控制角的改變稱作移相。時(shí)，整流電壓最大Ud=Udm。不同的可控整流電路不同的負(fù)載有不同的移相范圍，該電路的移相范圍是0～180度。圖35 晶閘管電路波形圖Figure 35 thyristor circuit waveforms當(dāng)檢測(cè)到零點(diǎn)電壓后，延時(shí)控制角對(duì)應(yīng)的時(shí)間，晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通，在其兩端承受負(fù)相電壓時(shí)，晶閘管自動(dòng)關(guān)斷。在三相全控整流電路中控制角為30度，電壓波形如圖36所示。的自然換相點(diǎn)。觸發(fā)脈沖的發(fā)送順序是固定不變的，唯一變動(dòng)的就是控制角的大小，它的改變直接決定了整流電壓Ud的變化。但在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，自然換相點(diǎn)不容易檢測(cè)到，即便檢測(cè)到準(zhǔn)確性也不是很高。在三相電源中，這個(gè)角度是固定的，其值為30176。角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。本文設(shè)計(jì)時(shí)采用將自然換相角與控制角一起作為定時(shí)時(shí)間，從檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)以后，系統(tǒng)就將自然換相角與控制角的和作為總的定時(shí)時(shí)間。 在本調(diào)速裝置中。所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，還包括的控制角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。等到整個(gè)定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進(jìn)行整流控制。光電耦合器的種類很多，但工作的基本原理相同。當(dāng)發(fā)光二極管通以一定的電流時(shí)，它會(huì)發(fā)光。當(dāng)檢測(cè)的電壓變?yōu)檎妷簳r(shí)，發(fā)光二極管兩端產(chǎn)生電位差，有電流流過(guò)發(fā)光二極管，發(fā)光照射到光敏三極管的基極，光敏三極管導(dǎo)通，那樣就有電流流過(guò)電阻R2，8155芯片的PC口被選通。圖38 過(guò)零檢測(cè)電路中各相過(guò)零輸出波形Figure 38 zerocrossing detection circuit output waveform of each phase zero 數(shù)字測(cè)速電路的設(shè)計(jì)在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)。若采用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)轉(zhuǎn)速，由于其本身存在死區(qū)和非線性特性，給轉(zhuǎn)速濾波電路帶來(lái)誤差，影響精度。單片機(jī)對(duì)該頻率按M/T法進(jìn)行處理后，便可在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速響應(yīng)的數(shù)字測(cè)速值。M法測(cè)速是在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)測(cè)量光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖數(shù)（以下稱為P脈沖數(shù)）來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速。因M法在低速時(shí)，和T