單片機(jī)在糖廠直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)說明

1、 . 第一章緒論第一節(jié) 選題背景在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備中，還是在日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有90%以上的動(dòng)力源來自于電動(dòng)機(jī)。我國生產(chǎn)的電能大約有60%用于電動(dòng)機(jī)?？梢?，電動(dòng)機(jī)與人們的生活息息相關(guān)、密不可分。我們知道，動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)換的。從這個(gè)意義上講，電動(dòng)機(jī)是最常用的運(yùn)動(dòng)源。對運(yùn)動(dòng)控制的最有效方式是對運(yùn)動(dòng)源的控制。因此，常常通過對電動(dòng)機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)際上，現(xiàn)在國外已將電動(dòng)機(jī)控制改名為運(yùn)動(dòng)控制。對電動(dòng)機(jī)的控制一般可分

2、為簡單控制和復(fù)雜控制兩種：簡單控制是指對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、制動(dòng)和順序控制，這類控制可通過繼電器、可編程控制器(PLC)和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)；復(fù)雜控制是指對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電壓和電流等物理量進(jìn)行控制，而且有時(shí)往往需要非常精確。以前對電動(dòng)機(jī)簡單控制的應(yīng)用比較多，但是現(xiàn)在人們對電動(dòng)機(jī)控制的水平要求越來越高，使電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜控制逐漸成為應(yīng)用主流，其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。例如：軍事和宇骯方面的雷達(dá)天線、火炮瞄準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星姿態(tài)的控制等；工業(yè)生產(chǎn)中的各種加工中心、專用加工設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器入、塑料機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、新型制衣機(jī)械、泵和壓縮機(jī)、工業(yè)軋機(jī)等設(shè)備的控制；辦公和商務(wù)設(shè)備中的磁帶機(jī)、繪

3、圖儀、掃描儀、打印機(jī)、 機(jī)、復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；家用電器中的DVD、DC、DV、音響、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)、電動(dòng)由行車、家用汽車等設(shè)備的控制。這些設(shè)備中絕大多數(shù)采用的是直流電動(dòng)機(jī)。糖分離機(jī)是糖廠生產(chǎn)最后一道工藝的所需設(shè)備，當(dāng)含有結(jié)晶體的甲糖膏流入分離機(jī)后經(jīng)高速分離，就生產(chǎn)出食用糖。因此糖分離機(jī)是生產(chǎn)成品糖的關(guān)鍵設(shè)備。目前大多數(shù)國糖廠使用的糖分離機(jī)都是六七十年代產(chǎn)品。國外如丹麥DDN系統(tǒng)，英國的THOMASBROADENT&SONS公司的制糖機(jī)技術(shù)含量高，能耗小，生產(chǎn)成本低，但直接購買國外設(shè)備，價(jià)錢則明顯偏高，且備件不易購買，所以我們走國產(chǎn)化道路，在吸收國外產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，自行研發(fā)糖分離機(jī)。

4、下面將簡單介紹一種糖分離機(jī)TF-1350型糖分離機(jī)。第二節(jié) TF-1350型糖分離機(jī)簡介一、 TF - 1350型糖分離機(jī)生產(chǎn)工藝當(dāng)需要分糖時(shí)，控制系統(tǒng)給主機(jī)加電，計(jì)算機(jī)對分離機(jī)的工作條件自動(dòng)循回檢查，如果檢查正常，系統(tǒng)進(jìn)入工作準(zhǔn)備狀態(tài)，由控制臺(tái)啟動(dòng)主機(jī)，電機(jī)以50prm速度旋轉(zhuǎn)并清洗篩網(wǎng)。進(jìn)行下料時(shí)、電機(jī)轉(zhuǎn)速升至180prm。此時(shí)防滴門打開，加料門按設(shè)定的開度打開，糖膏流入分離機(jī)，并在離心力的作用下均勻地附加在篩網(wǎng)壁仁。此刻測厚系統(tǒng)根據(jù)糖層的厚度發(fā)出測厚信號(hào)，關(guān)閉主門。在關(guān)閉加料門的同時(shí)，電機(jī)升速，升速過程伴隨蜜洗、水洗過程。當(dāng)主機(jī)升至1000prm時(shí)，進(jìn)行糖水分離。分離時(shí)間結(jié)束主電機(jī)快速制

5、動(dòng)降速至50prm，進(jìn)入卸料過程，卸料完畢，開始下一次分糖準(zhǔn)備。TF-1350型糖分離機(jī)生產(chǎn)工藝曲線圖1-1。圖1-1 TF-1350型糖分離機(jī)生產(chǎn)工藝曲線TF - 1350型分離機(jī)的工藝流程要求糖分離機(jī)要有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即應(yīng)有足夠的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和快速性，要求起、制動(dòng)和調(diào)速迅速平穩(wěn)，有較小的動(dòng)態(tài)速度誤差，可靠性高，這樣就可以提高砂糖一級品率和降低能源消耗。二、TF一1350型糖分離機(jī)控制系統(tǒng)TF-1350型糖分離機(jī)系統(tǒng)工作原理如圖1-2圖1-2 TF-1350型糖分離機(jī)控制系統(tǒng)框圖整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)管理控制。分離機(jī)工作前，首先沒定工作參數(shù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。工作參數(shù)是根據(jù)制糖工

6、藝和原科成分與煮糖工藝提供的糖膏粘稠等一系列參數(shù)綜合設(shè)定的。 主要參數(shù)如下：卸料速度50prm 卸料時(shí)間20s上料速度 180prm 下料限定時(shí)間20-30s 可預(yù)置分離速度1000prm 分離時(shí)時(shí)間10-60s 可預(yù)置洗水時(shí)間 10-20s 分蜜時(shí)間20-30s這些參數(shù)實(shí)際也是控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)糖機(jī)工作的主要參數(shù)三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)分離機(jī)主軸電機(jī)為 220kW直流電機(jī)，采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)分離機(jī)工作在三段升速度圍時(shí)，系統(tǒng)處于電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)降速時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)，把機(jī)械能變成電能回饋到電網(wǎng)中去。系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高精度快速調(diào)節(jié)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖1-3。圖1

7、-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖第三節(jié) 選題的科學(xué)依據(jù)、意義一、 單片機(jī)對電動(dòng)機(jī)控制所起的作用以前電動(dòng)機(jī)大多使用由模擬電路組成的控制柜進(jìn)行控制，現(xiàn)在單片機(jī)己經(jīng)開始取代模擬電路作為電機(jī)控制器。它有如下特點(diǎn)： 1、使電路更簡單：在模擬電路中，為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要采用許多電子元件，電路比較復(fù)雜，采用單片機(jī)后，絕大多數(shù)控制邏輯可以通過軟件實(shí)現(xiàn)。2、可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制：單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯運(yùn)算功能、運(yùn)算速度快、精度高， 一般都有大容量的存儲(chǔ)單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，如模糊控制等3、靈活性和適應(yīng)性：單片機(jī)的控制方式是由軟件完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不需要改變系統(tǒng)的硬件電路，只需要修改程序即可。

8、在系統(tǒng)調(diào)試和升級的時(shí)候，可以不斷嘗試選擇不同的參數(shù)，非常方便。4、無零點(diǎn)漂移，控制精度高：數(shù)字控制不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問題。無論被控量的大或小，都可以保證足夠的控制精度。5、可多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作，提供人機(jī)界面：新型單片機(jī)多嵌有各種總線，可以方便地進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作:還能夠和上位機(jī)進(jìn)行通信，提供可視化人機(jī)界面，方便進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。二、 單片機(jī)和工控機(jī)、PLC應(yīng)用比較除了采用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器外，可以作為電動(dòng)機(jī)控制器的新型設(shè)各還有多種，例如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器(PLC)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)功能最為強(qiáng)大，它有極高的速度、強(qiáng)大的數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算能

9、力、豐富的接口功能和方便的軟件環(huán)境。但由于成本高、體積大。所以一般只用于大型控制系統(tǒng)。PLC則正好相反，它只能完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)和簡單的運(yùn)算。但由于人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)功能不強(qiáng)，構(gòu)成不靈活，成本高，所以一般只用于電動(dòng)機(jī)的簡單控制。單片機(jī)介于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和PLC之間，它有較強(qiáng)的控制功能和低廉的成本。人們在選擇電動(dòng)機(jī)控制器時(shí)，常常是在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下，優(yōu)先選擇低成本的控制器。因此，單片機(jī)往往成為優(yōu)先選擇的目標(biāo)。從最近的統(tǒng)計(jì)數(shù)字可以看出，世界上每年有25億片各種單片機(jī)投入使用，單片機(jī)是目前世界上使用量最大的微處理器。在工業(yè)控制領(lǐng)域大量使用的是低端的8位單片機(jī)。從上世紀(jì)70年代開始，在我國應(yīng)用的

10、8位單片機(jī)經(jīng)歷了Z80時(shí)代和MCS-51時(shí)代?，F(xiàn)在最初的MCS-51單片機(jī)己經(jīng)逐步退出了應(yīng)用，但由于其生產(chǎn)廠商Intel公司采取了技術(shù)開放政策，其它廠商可以生產(chǎn)指令系統(tǒng)兼容的芯片。這樣，MCS-51系列單片機(jī)得以不斷被升級改造，先后經(jīng)歷了以Philips公司為代表的MCU時(shí)代、以Atmel公司為代表的FLASH時(shí)代和以Silicon Laboratories公司為代表的SOC時(shí)代。片上系統(tǒng)(SystemOnChip,SOC)是追求系統(tǒng)最大包容的集成器件，具有極高的綜合性。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制和制造龐大復(fù)雜的電路板，只需要綜合時(shí)序設(shè)計(jì)，直接在SOC中調(diào)用嵌的各種通用器件。然后通

11、過系統(tǒng)仿真之后就可以直接交付廠家印制電路板。由于絕大部分的系統(tǒng)構(gòu)件都在系統(tǒng)部，整個(gè)系統(tǒng)特別簡潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積與功耗，而且極大提高了系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。第二章 可控整流電路原理與單片機(jī)的選擇自從大功率整流二極管以與半控型和全控型晶閘管等電力電子器件問世后，由于這些器件具有體積小、重量輕、效率高和控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)，今天工業(yè)上應(yīng)用的絕大多數(shù)直流電源和交流變頻電源都是采用整流二極管和各種晶閘管組成的不可控或可控整流電路和逆變電路。近幾十年來電力半導(dǎo)體制造與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速。目前己經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)和使用各種類型的電力電子器件，單個(gè)普通晶閘管的容量已達(dá)12000V和1000A以上。由晶閘管構(gòu)成的整流電

12、路可以在交流電壓不變的情況下，方便地調(diào)整輸出直流電壓的大小，所以可控整流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)從交流電源到直流可調(diào)電源的理想方法。第一節(jié) 晶閘管的工作原理和特性一、 晶閘管的工作原理晶閘管的最大特點(diǎn)是具有截止和導(dǎo)通這兩種穩(wěn)定狀態(tài)。它的工作原理可以用兩個(gè)條件加以說明：導(dǎo)通條件和關(guān)斷條件。導(dǎo)通條件：是晶閘管從截止到導(dǎo)通所需的條件，即在晶閘管的陽極施加正向電壓，同時(shí)在門極施加正向電壓。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。關(guān)斷條件：是晶閘管從導(dǎo)通到截止所需的條件，即在晶閘管的陽極施加反向電壓，或者去掉或降低施加在陽極的正向電壓，使通過晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流。在晶閘管的陽極施加交流電壓，只是電

13、壓在正半波時(shí)，晶閘管才有可能導(dǎo)通；而電壓在負(fù)半波時(shí)，晶閘管就會(huì)關(guān)斷。而且電源電壓在過零時(shí)，就會(huì)因?yàn)檎螂妷禾《咕чl管關(guān)斷。二、 晶閘管的特性晶閘管相當(dāng)于一個(gè)由門極電壓控制的無觸點(diǎn)單向開關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中的晶閘管是在一定條件下按需要不斷地進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷，其導(dǎo)通和關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)是由其上的陽極電壓、陽極電流、門極電壓和門極電流共同決定的。如不在門極施加正向電壓，只讓晶閘管承受正向陽極電壓UA,則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只流過很小的正向漏電流。當(dāng)UA從零開始逐漸上升時(shí)，陽極電流了，也從零逐漸上升，但其數(shù)值很小，上升也很緩慢。只是當(dāng)UA超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時(shí)，則漏電流急劇上升，晶閘管由關(guān)斷變成

14、導(dǎo)通。隨著門極電流IG的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓UBO不斷降低。晶閘管導(dǎo)通后的伏安特性與二極管的正向特性相似，即通過較大的陽極電流，晶閘管本身的壓降卻很小。導(dǎo)通期間，如果門極電流降為零并且陽極電流降到維持電流IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管加反向陽極電壓時(shí)，其伏安特性與一般二極管的反向特性相似。晶閘管承受反向電壓時(shí)，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)，只有很小的反向漏電流通過。反向電壓增加時(shí)，反向漏電流略有增加，但是總的來說很小。當(dāng)反向電壓增加到一定限度后，反向漏電流急劇增加，會(huì)導(dǎo)致晶閘管反向擊穿而損壞。第二節(jié) 可控整流電路簡介一、 三相橋式全控整流電路簡介可控整流電路基本可分為單相可控整流電路、

15、三相可控整流電路以與由此發(fā)展來的大功率6相、12相整流電路等幾類。單相可控整流電路可分為單相半控整流電路和單相全控整流電路兩類，這種電路簡單、調(diào)整方便，但是只適用負(fù)載功率較小的場合。當(dāng)負(fù)載功率較大時(shí)，考慮到三相負(fù)載的平衡，應(yīng)采用三相可控整流電路。三相可控整流電路也分為三相半控整流電路和三相全控整流電路兩類。三相半控整流電路一般只采用三個(gè)晶閘管，只需要三套觸發(fā)電路，不需要寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)，因此在要求不高的場合中，可采用三相半控整流電路。本課題要求適應(yīng)負(fù)載的圍比較寬，所以采用三相橋式全控整流電路。圖2-1 三相橋式全控整流電路如圖 2.1 所示，三相橋式全控整流電路是由一組共陰極的三相半波可控整

16、流電路與一組共陽極的三相半波可控整流電路串連而成，控制角完全一樣。在感性負(fù)載時(shí)有：輸出整流電壓Ud的波形是兩組半波整流電壓的波形疊加。通過改變晶閘管的控制角，可以獲得的直流電壓?？刂平堑母淖儑鸀?-。直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除了本身的感性阻抗外，還有一個(gè)反電動(dòng)勢E。因此晶閘管在施加觸發(fā)脈沖后可導(dǎo)通的必要條件是，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢E和電感中的感應(yīng)電動(dòng)勢eL的代數(shù)和應(yīng)小于變壓器二次繞組的瞬時(shí)電壓。在整流情況下，電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢E的極性與整流電壓Ud的極性相反。對于感應(yīng)電動(dòng)勢eL的極性，當(dāng)電流在增加時(shí)，eL的極性與Ud的極性相反；當(dāng)電流在減小時(shí)，eL的極性與Ud的極性一樣，當(dāng)電流達(dá)到極值時(shí)，eL為零。由于整流電路

17、輸出電壓的波形是脈動(dòng)的，所以輸出電流的波形也是脈動(dòng)的，可以看成一個(gè)恒定的直流分量和一個(gè)包含高頻成分的交流分量組合。因?yàn)樨?fù)載只需要直流分量，為了消除負(fù)載電流中的交流分量，一般在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，保證整流電流的波形在較大圍比較光滑。對于直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，過大的交流分量會(huì)使電機(jī)的換相惡化和損耗增大，因此應(yīng)該在直流側(cè)串聯(lián)平波電抗器，使輸出電流的波形比較光滑。二、 整流電路對電網(wǎng)影響的分析隨著整流裝置容量的不斷增大和技術(shù)水平的不斷提高，在各個(gè)工業(yè)部門應(yīng)用的整流裝置的數(shù)量正在快速增長，但是整流裝置對電網(wǎng)以與電網(wǎng)上的其它負(fù)載的危害也在不斷加大。在整流電路中，變壓器原邊的電流在大多數(shù)情況下，即使在最

18、理想的情況下也是一定形狀的方波或階梯波，電流的波形和幅值取決于整流電路的形式和負(fù)載電流的平均值，也與控制角有關(guān)。高次諧波電流會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變，這個(gè)畸變了的電壓波形會(huì)影響電網(wǎng)上的其它負(fù)載，因此必須予以處理。抑制諧波措施大致有以下幾種方法：1、增加整流電路的相數(shù)，可知諧波中最低次的頻率在不斷增高，其幅值也越來越小，能夠顯著減少諧波的影響；2、在整流裝置輸入端使用LC濾波器進(jìn)行濾波；3、減小控制角。整流裝置輸出的電壓發(fā)生變化時(shí)，若輸出的負(fù)載電流不變，則變壓器原邊的電流基本不變。原邊的電壓也基本不變，表明整流裝置的視在功率基本不變。顯然，當(dāng)輸出的直流電壓較低時(shí)，直流側(cè)的功率變低了，而整流裝置的

19、視在功率不變，表明整個(gè)系統(tǒng)無功功率增大了。由此可以得出，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)可以近似地認(rèn)為是無功功率的變化。電網(wǎng)電壓的波動(dòng)無疑地會(huì)對電網(wǎng)中的其它負(fù)載產(chǎn)生不良影響可以在負(fù)載端并聯(lián)電容器抑制電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少無功功率的沖擊。各種晶閘管和其它電力電子器件的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，對于各個(gè)工業(yè)部門提高生產(chǎn)技術(shù)水平、改善生產(chǎn)過程和提高經(jīng)濟(jì)效益都有很大的作用。但是必須同時(shí)看到，隨著各種電力電子設(shè)備應(yīng)用數(shù)量的不斷增多和容量的不斷增大，對供電電網(wǎng)造成的影響和危害也與日俱增。電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使電網(wǎng)中諧波的含量大大增加，造成了電力系統(tǒng)的污染。變流裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性系統(tǒng)，交流側(cè)電流是變流裝置對直流

20、電流進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果，直流側(cè)電壓是變流裝置對交流電壓進(jìn)行調(diào)制的結(jié)果。兩個(gè)結(jié)果相互作用，變流裝置兩端的高次諧波就是在這種情況下產(chǎn)生的。第三節(jié) AVR單片機(jī)一、 AVR單片機(jī)的特點(diǎn)AVR單片機(jī)廢除了機(jī)器周期，同時(shí)拋棄了復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)（CISC）追求指令完備的做法，采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中（指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此），又可預(yù)取指令實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32個(gè)寄存器文件）和單體高速輸入/輸出的方案（即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器與相應(yīng)控制邏輯）。這樣，

21、既提高了指令執(zhí)行速度，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；又減少了對外設(shè)管理的開銷，相對簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。二、 ATmega16單片機(jī)圖2-2 ATmega16引腳圖ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以與單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的

22、JTAG 接口，支持片調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以與六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。工作于空閑模式時(shí)CPU 停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀

23、態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/ 軟件仿真器、仿真器與評估板。第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用模擬電路組成整個(gè)系統(tǒng)。本章將簡單介紹直流調(diào)速原理和雙閉環(huán)調(diào)速，然后就系統(tǒng)各組成部分，如速度環(huán)、電流環(huán)和晶閘管脈沖觸發(fā)系統(tǒng)

24、進(jìn)行詳細(xì)分析，最后研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果與存在的問題。第一節(jié) 直流調(diào)速原理簡介一、直流電機(jī)工作原理我們知道直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程為： 3-1由此可知，當(dāng)我們改變電樞電壓大小，即可達(dá)到調(diào)速效果。直流調(diào)速系統(tǒng)就是采用了晶閘管調(diào)壓原理，調(diào)壓調(diào)速在整個(gè)調(diào)速圍有較大硬度且調(diào)速圍很寬。直流電動(dòng)機(jī)具有四象限運(yùn)行特性。糖分離機(jī)使用的直流電動(dòng)機(jī)工作在一、二象限。當(dāng)減速時(shí)系統(tǒng)處于逆變狀態(tài)(第二象限)，能將電動(dòng)機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑厮偷诫娋W(wǎng)上。這部分原理在以后會(huì)詳細(xì)論述。二、晶閘管調(diào)速原理我們知道各相波形的交點(diǎn)為自然換相點(diǎn)。當(dāng)控制角改變時(shí)，三相橋式全控整流電路輸出的平均電壓(Ud)也隨之變化。調(diào)速系統(tǒng)是采

25、用了二組橋式全控整流電路，分別處于整流(第一象限)和逆變(第二象限)狀態(tài)。其工作方式也將在后文給出詳細(xì)論述第二節(jié) 雙閉環(huán)調(diào)速原理如圖 3- 1 為 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)外環(huán)是速度環(huán)，環(huán)是電流環(huán)，分別對轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩者之間實(shí)行串行聯(lián)接。用于串聯(lián)較正和改變系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以與綜合輸入和反饋信號(hào)圖3-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖上圖中，ASR代表速度調(diào)節(jié)器，ACR代表電流調(diào)節(jié)器，GT代表晶閘管觸發(fā)裝置, SDR代表晶閘管橋組。一、 速度環(huán)工作原理在主電機(jī)上安裝一直流測速發(fā)電機(jī)，發(fā)出正比于主電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓，此電壓Unf與給定電壓 U*n相比較，其偏差Un送到速度調(diào)節(jié)器ASR中去，

26、如欲調(diào)整，可以改變給定電壓。例如提高U*n，則有較大Un加到ASR輸入端，ASR自動(dòng)調(diào)節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移(減小)，整流電壓Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，與此同時(shí)，Unf也相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)扔诨蚪咏o定值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)在給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動(dòng)，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用。比如，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移（變小)，Ud提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來數(shù)值時(shí)，Unf又等于給定電壓，系統(tǒng)又達(dá)到平衡狀態(tài)。如果擾動(dòng)不是來自負(fù)載而是來自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會(huì)按上

27、述過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在給定值上運(yùn)行。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上述相反過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后仍能維持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似不變。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR作用如下：1) 使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un*變化，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差2）對負(fù)載變化起抗干擾的作用3）輸出限幅值決定電樞主回路的最大允許電流值Idm二、電流環(huán)工作原理電流調(diào)節(jié)器也有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號(hào)，一個(gè)是由電流互感器測出的反映主回路電流反饋信號(hào)，當(dāng)突加速度給定個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過程中始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制

28、動(dòng)過渡時(shí)間最短。如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變(如降低)時(shí)，整流器輸出電壓也會(huì)隨之變化（降低），引起主回路電流變化（減小)，由于快速性好，不經(jīng)過電動(dòng)機(jī)機(jī)械環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)的作用，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化(增大)，則也變化（變小)，最后使整流器輸出電壓又恢復(fù)(增加)致電原來的數(shù)值，這就抑制了主回路電流的變化。也就是說，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器直流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障時(shí)，電流負(fù)反饋也與時(shí)地把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護(hù)晶閘管和直流電動(dòng)機(jī)不

29、致因電流過大而損壞。其中電流調(diào)節(jié)器的作用：1）對電網(wǎng)電壓波動(dòng)起抗干擾作用2）啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流了Idm3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電樞電流跟隨給定電壓變化4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可以限制電樞電流的最大值，從而起到快速的過流安全保護(hù)，如故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。三、PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器是Proportional(比例)， Integral(積分)，Differential(微分)三者縮寫，是連續(xù)系統(tǒng)中成熟、廣泛應(yīng)用的調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)器的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被控對象的特性和控制要求，可靈活地改

30、變PID 的結(jié)構(gòu)。取其中的一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)定。在TF-1350型調(diào)速系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用比例積分調(diào)節(jié)。在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為: 3-2式中P(t) 調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)Kp調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)TI 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TD調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間PID 中 ， KI, KP , KD系數(shù)作用如下：(1)比例系數(shù)KP越大，則過渡過程越快，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)偏差也越小，但KP越大，也容易產(chǎn)生振蕩。故而，比例系數(shù)Kp必須選擇適當(dāng)，才能取得過渡時(shí)間少、靜差小而又穩(wěn)定的效果。(2)從積分系數(shù)部分可知，如KI小(積分時(shí)間大)，積分作用較弱，積分速度慢。這時(shí)，系統(tǒng)的過渡時(shí)間不會(huì)產(chǎn)生振蕩，但消除偏差所

31、需時(shí)間也就較長，使過渡時(shí)間加長，不能較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)KI較大，積分作用強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過渡時(shí)間中也可能產(chǎn)生振蕩，且會(huì)使動(dòng)態(tài)性能變差，不過消除偏差所需的時(shí)間較短。(3) KD越大，則它抑制偏差e(t)變化的作用越強(qiáng)，KD越小，它反映偏并e(t)變化的作用越弱，微分部分顯然對系統(tǒng)穩(wěn)定有很大作用。第三節(jié) 直流調(diào)速系統(tǒng)裝置分析直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)裝置包含速度環(huán)(外環(huán))，電流環(huán)與檢測裝置。下面，主要就速度環(huán)和電流環(huán)進(jìn)行詳細(xì)的分析。一、速度環(huán)分析速度環(huán)是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的外環(huán)，它主要包括測速裝置、速度調(diào)節(jié)器直流電動(dòng)機(jī)。速度反饋環(huán)節(jié)把測速發(fā)電機(jī)輸出電壓變換為適合控制系統(tǒng)的電壓信號(hào)。1、測速裝置直流調(diào)速系

32、統(tǒng)采用與動(dòng)力電動(dòng)機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的直流發(fā)電機(jī)做為測速電機(jī)。直流發(fā)電機(jī)輸出電壓與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，可用發(fā)電機(jī)輸出電壓代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其通過雙同軸電纜將其連接到調(diào)節(jié)板上做為速度反饋信號(hào)。2、速度PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的原理電路圖，如圖3-2所示調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 3-3當(dāng)我們調(diào)節(jié)R2，C2，的值，可得到不同的積分時(shí)間常數(shù)，即T2值T2= C2微法* R2（千歐）*103 3-4當(dāng)調(diào)整RI，C2的值可得到調(diào)節(jié)的傳遞系數(shù)KI 3-5在TF1350型糖分離機(jī)中，R2=390，C2=10F在電路的輸入端還反并聯(lián)了一對二極管D1、D2，使調(diào)節(jié)器輸入到運(yùn)算放大器的最大差值電壓不超過二極管的壓降值即0.5-0.6伏左

33、右，從而可起到保護(hù)作用。圖3-2 速度調(diào)節(jié)器原理圖二、電流環(huán)分析電流環(huán)包括電流檢測電路、電流調(diào)節(jié)器、電動(dòng)機(jī)部分，這樣也構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。電流反饋環(huán)節(jié)由霍爾器件與運(yùn)算放大器組成，用以檢測可控硅直流側(cè)的電流信號(hào)，以獲得與變流器電流成正比的直流電壓信號(hào)和過流信號(hào)。下面主要分析電流檢測電路與電流調(diào)節(jié)器。1、電流檢測電路電流檢測電路如圖3-3所示：圖3-3 電流檢測電路電流檢測電壓是通過一個(gè)400:1的電流互感器從主電源上獲取。經(jīng)過整流橋進(jìn)行整流經(jīng)過C1，D7，C2濾波，R2、R3分壓后，經(jīng)過運(yùn)算器放大，可送入電流調(diào)節(jié)器作為系統(tǒng)的反饋電流檢測值。2、電流PI調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為： 3-6調(diào)整

34、R2、C2值能調(diào)整電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。此電流調(diào)節(jié)器采用限幅形式，在+10V (= 0o)以上和0V(=180o)以下限幅，輸出不變化。在TF1350型糖分離機(jī)中：R2=39C2=1F圖3-4 電流調(diào)節(jié)器原理圖第四節(jié) 晶閘管觸發(fā)裝置調(diào)速系統(tǒng)采用邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)，用2組12只400A晶閘管作為整流逆變元件。晶閘管觸發(fā)裝置是根據(jù)電流調(diào)節(jié)器輸出的Uk值來決定橋式晶閘管輸出或逆變的平均電壓，根據(jù)給定的控制信號(hào)的極性和主電路的情況來決定哪一組SCR導(dǎo)通、哪一組SCR封鎖，以與什么時(shí)候進(jìn)行切換。直流調(diào)速系統(tǒng)晶閘管觸發(fā)裝置可分為：電平檢測電路，邏輯控制器。電平檢測電路又可分為：零電流檢測器和轉(zhuǎn)矩極性鑒別器

35、。邏輯控制器又包括：邏輯判斷電路、延時(shí)電路、連鎖保護(hù)。一、觸發(fā)器原理根據(jù)三相橋式全控整流電路對觸發(fā)電路的要求，采用同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路，電路原理圖如圖3-5所示。設(shè)計(jì)時(shí)采用恒流源充電，輸出為雙窄脈沖(也可為單窄脈沖)，脈沖寬度在8°左右。本觸發(fā)電路分成三個(gè)基本環(huán)節(jié)：同步電壓形成、移相控制、脈沖形成和輸出。此外，還有雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。圖3-5觸發(fā)器原理圖(1) 同步信號(hào)與主回路的相位關(guān)系同步問題是指觸發(fā)脈沖與主回路電源同步。為了使主電路三項(xiàng)全控橋的各相觸發(fā)脈沖與晶閘管陽極電路保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，控制系統(tǒng)有專門的同步脈沖產(chǎn)生電路。同步脈沖產(chǎn)生電路作用是：1）檢測電源電壓過零狀態(tài)，供

36、單片機(jī)分配脈沖和控制用；2）產(chǎn)生同步中斷脈沖，即在電源每相電壓過零時(shí)向單片機(jī)申請中斷，使單片機(jī)的觸發(fā)操作與電源同步，單片機(jī)中斷后，改變定時(shí)器初值，然后再根據(jù)控制角的分區(qū)和電源狀態(tài)，定時(shí)定相觸發(fā)脈沖。同步變壓器BT和主回路整流變壓器接在同一交流電源上，具有一樣頻率。主回路整流變壓器為Yo/Y-12聯(lián)接組，同步變壓器為Y/Y-6，Y/Y-12聯(lián)接組。選擇T1的同步電壓為-uTa，其余T2T6的同步電壓見表1。表1 晶閘管三相全控橋中晶閘管的同步信號(hào)電壓被觸發(fā)的晶閘管T1T2T3T4T5T6主回路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步信號(hào)電壓-uTa+uTc-uTb+uTa-uTc+uTb同步

37、電壓經(jīng)過電壓比較器變成180°寬的方波S1,S2,S3送到單片機(jī)，S1,S2,S3分別組成6個(gè)狀態(tài)，即001，101，100，110，011，010單片機(jī)就可以根據(jù)讀入的狀態(tài)判斷當(dāng)前應(yīng)該觸發(fā)的相應(yīng)主電路晶閘管的組號(hào)。(3) 移相控制環(huán)節(jié)控制信號(hào)經(jīng)R7、偏移信號(hào)up經(jīng)R8、鋸齒波同步信號(hào)經(jīng)R6在T4基極進(jìn)行疊加，并對鋸齒波同步信號(hào)進(jìn)行垂直控制。當(dāng)合成電壓Ub40.5V后，T4由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，T4集電極電位由正跳變到近似為0，并通過脈沖形成環(huán)節(jié)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。所以，在偏移電壓up一定的情況下，改變控制電壓即能改變控制角的大小，達(dá)到觸發(fā)移相的目的。(4) 脈沖形成和放大當(dāng)T4由截止變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)

38、，電容C3放電產(chǎn)生負(fù)脈沖，使T5管截止，從而使T6導(dǎo)通產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，經(jīng)脈沖變壓器輸出。為滿足三相全控橋整流電路提出的雙窄脈沖要求，在線路中引入了補(bǔ)入、補(bǔ)出的線路，此時(shí)，只要把觸發(fā)器X端接至前面觸發(fā)器Y端，把觸發(fā)器Y端接到后面觸發(fā)器X端即可。這樣每個(gè)觸發(fā)單元一個(gè)周期輸出兩個(gè)窄脈沖(相互間隔60°)，只供給相對應(yīng)的晶閘管元件。以T1元件的觸發(fā)電路而言，Y端應(yīng)該接至T2元件觸發(fā)電路的X端，因?yàn)門2元件比T1元件滯后60°導(dǎo)通，當(dāng)T2元件觸發(fā)電路輸出一個(gè)脈沖時(shí)，也給T1補(bǔ)送一個(gè)脈沖。同理，T1元件X端應(yīng)該接至T6元件觸發(fā)電路的Y端，因?yàn)門6元件比T1元件超前60°導(dǎo)通，當(dāng)

39、T1元件觸發(fā)電路輸出一個(gè)脈沖，同時(shí)給T6補(bǔ)送一個(gè)脈沖。二、電平檢測電路它的主要任務(wù)是將速度調(diào)節(jié)器和電流檢測器來的模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，然后輸入到邏輯裝置中進(jìn)行運(yùn)算，以決定開放哪一組SCR，封鎖哪一組SCR。系統(tǒng)中采用帶正反饋的運(yùn)算放大器做為電平檢測電路，如圖3-6所示：圖3-6 邏輯裝置的電平檢測電路原理圖當(dāng)放大器輸出U0為負(fù)時(shí)，通過正反饋（2點(diǎn)電位高于3點(diǎn)電位）使其輸出至深度負(fù)向飽和值。反之，當(dāng)輸出為正值，通過正反饋使其輸出至深度負(fù)向飽和值。因此輸出只有高電平和低電平兩種狀態(tài)。在邏輯裝置時(shí)，有兩種上述的電平檢測電路，一個(gè)為檢測轉(zhuǎn)矩極性鑒別器S，用來根據(jù)速度給定電壓的極性去決定開放或封鎖某一組晶閘

40、管，使電動(dòng)機(jī)具有相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向。在觸發(fā)裝置時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)總處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以轉(zhuǎn)矩極性鑒別器值總為正值。另一個(gè)電平檢測電路稱為零電流檢測器L，用來檢測電樞電流是否為零。如果有電樞電流，檢測器輸出為0，無電樞電流，檢測器輸出為1，二極管D可負(fù)向限幅如圖3-6所示。三、 邏輯判斷電路邏輯判斷的任務(wù)是根據(jù)兩個(gè)電平檢測器的輸出信號(hào)UT和UZ經(jīng)運(yùn)算后，正確地發(fā)出切換信號(hào)UF和UR，UF和UR均有1和0兩種狀態(tài)，邏輯判斷真值如下表：（信號(hào)為“1”時(shí)開放脈沖，“0”態(tài)時(shí)封鎖脈沖）UTUZUFUR111010100010010101011001四、延時(shí)電路在邏輯判斷電路發(fā)出切換指令UF之后，必須經(jīng)過延時(shí)，這

41、樣才能實(shí)現(xiàn)安全換向，與非門的輸入端加二極管VD和電容C，就可使與非門的輸出由1到0的動(dòng)作獲得延時(shí)。因?yàn)楫?dāng)輸入由“0”變到“1”時(shí)，必須先使電容充電，使電容端電容充到開門電平時(shí)，輸出才由“1”變到“0”。電容充電到開門電平的時(shí)間則為延時(shí)的時(shí)間，改變電容的大小就可獲得不同的延時(shí)。對三相橋式電路，常取5ms-7ms。五、聯(lián)鎖保護(hù)聯(lián)鎖保護(hù)可避免兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)而造成短路的事故。第四章 雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本章將從硬件、軟件、控制方法上詳細(xì)討論雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第一節(jié) 雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)概述雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成的糖分離機(jī)系統(tǒng)原理圖和雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖分別

42、如圖4-1和圖4-2所示。圖4-1 雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成的糖分離機(jī)系統(tǒng)原理圖本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，其原理框圖如圖4-2所示。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級聯(lián)接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制可控硅整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是環(huán)，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；速度調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PID調(diào)節(jié)器。這樣組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在突加給定的過渡過程中表現(xiàn)為一個(gè)恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中又表現(xiàn)為無靜

43、差調(diào)速系統(tǒng)。既發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器各自的作用，又避免了象單環(huán)系統(tǒng)那樣兩種反饋互相牽制的缺陷，從而獲得了良好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)品質(zhì)。圖4-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖第二節(jié) 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 調(diào)速系統(tǒng)由兩個(gè)AVR單片機(jī)模塊組成，其中一塊為ATmega8做從機(jī)，一塊ATmega16做主機(jī)，他們之間通過串行總線通信。速度調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是：將輸入的電氣信號(hào)，經(jīng)各自的信號(hào)處理與變換電路對信號(hào)濾波、隔離放大適配到A/D轉(zhuǎn)換的量程。再通過軟件計(jì)算得到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況、電壓系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)節(jié)器輸出參數(shù)等全部信息。最后，將輸出參數(shù)輸出并控制發(fā)電機(jī)的電壓。圖4-3為硬件原理總體框圖。單片機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)了速

44、度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器功能和速度采樣功能，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)器、邏輯調(diào)節(jié)器功能。單片機(jī)模塊還有鍵盤、顯示功能，主要完成觸發(fā)脈沖信號(hào)傳送與顯示結(jié)果，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流。圖4-3 速度調(diào)節(jié)裝置總體硬件框圖一、系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路采用可控硅三相橋式全控整流電路，其應(yīng)用線路如圖4-4所示。選用KP20A/800V可控硅整流元件。圖4-4系統(tǒng)主電路圖可控硅雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是它承受過電壓和過電流的能力較差，很短時(shí)間的過電壓和過電流就會(huì)把器件損壞。為了使器件能夠可靠地長期運(yùn)行，必須針對過電壓和過電流發(fā)生的原因采用恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。為此，在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成交流側(cè)過電壓保護(hù)；在直流負(fù)載側(cè)并聯(lián)電阻和電容構(gòu)

45、成直流側(cè)過電壓保護(hù)；在可控硅兩端并聯(lián)電阻和電容構(gòu)成可控硅關(guān)斷過電壓保護(hù)；并把快速熔斷器直接與可控硅串聯(lián)，對可控硅起過流保護(hù)作用。二、控制電路控制電路主要包括觸發(fā)器、輸入器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、檢測電路等，這些控制電路都集成在ATmega16單片機(jī)中。所以控制簡單方便，而且穩(wěn)定性好，精確度高。如圖3-5所示。三、系統(tǒng)抗干擾措施本裝置所處的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是弱電與強(qiáng)電設(shè)備，數(shù)字與模擬電路相互混雜的場合，此外它還需與工業(yè)現(xiàn)場中各類電器設(shè)備相配合, 由于工業(yè)現(xiàn)場各種動(dòng)力設(shè)備不斷地起停運(yùn)行，使得現(xiàn)場環(huán)境惡劣，存在許多干擾源：系統(tǒng)本身噪聲干擾、電磁干擾、過壓干擾與環(huán)境干擾等。大量的干擾源雖不能造成硬件系統(tǒng)的

46、損壞，但常使整個(gè)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，致使控制失靈，甚至造成重大事故。因此在整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成前后我們做了多方面的抗干擾工作，以保障它的穩(wěn)定運(yùn)行。單片機(jī)系統(tǒng)中的主要抗干擾手段，一般分為硬件抗干擾和軟件抗干擾。硬件抗干擾措施：硬件抗干擾的設(shè)計(jì)硬件抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。我們設(shè)計(jì)的電路板除了考慮使用了常規(guī)的抗干擾方法，針對實(shí)際情況，具體設(shè)計(jì)如下：1、裝置的核心部分采用雙CPU冗余結(jié)構(gòu)，提高裝置的可靠性。2、充分考慮電源對單片機(jī)的影響，對主動(dòng)器件設(shè)置了各自獨(dú)立的電源。3、單片機(jī)輸出的電路經(jīng)過特殊處理克服了抖動(dòng)等現(xiàn)象。4、采用光電耦合器。在跳閘出口，雖然

47、繼電器本身己有隔離作用，但是為了使繼電器驅(qū)動(dòng)電源與微機(jī)電源之間不要有電的聯(lián)系，以防止線圈電感回路切換產(chǎn)生干擾影響微機(jī)工作，在開關(guān)量輸出通道采用了光電耦合器。光電藕合器的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖與各種噪聲的干擾，從而使過程通道的信噪比大大提高。其原因如下：(1) 光電藕合器的阻抗很小，一般為100歐到1000歐之間，而干擾源的阻卻很大，通常為105109歐，因此干擾源在光電藕合器輸入端的分壓很小。(2) 干擾噪聲雖有較大的電壓幅值，但能量小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，即使干擾有很高的電壓幅值，但由于它不能給發(fā)光二極管提供足夠的工作電流從而能夠被

48、抑制掉。(3) 光電耦合器是在密封條件下實(shí)現(xiàn)輸入回路與輸出回路光耦合的，故不會(huì)受到外界光的干擾。(4) 光電耦合器輸入回路與輸出回路之間分布電容極小，一般只有0. 5 2pF，而且絕緣電阻很大，通常為10111012歐姆，因此回路一邊的干擾很難通過光電耦合達(dá)到另一邊。 軟件抗干擾措施：盡管采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，且具有很大的隨機(jī)性，難免保證系統(tǒng)完全不受干擾。因此，在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件抗干擾技術(shù)加以補(bǔ)充。作為硬件措施的輔助手段，軟件抗干擾方法具有簡單、靈活方便、耗費(fèi)硬件資源少的特點(diǎn)。包括指令冗余、軟件陷阱、監(jiān)視定時(shí)器等。針對干擾對系統(tǒng)軟件的影響，控制器

49、軟件編程時(shí)從減少?zèng)_擊、防止程序跑飛等方面給出抗干擾措施。具體措施如下：1、采用軟件看門狗，防止程序跑飛而陷入死循環(huán)。2、采取了“軟件冗余”的辦法，對于條件控制過程，對條件的一次采樣、處理和控制輸出改為循環(huán)的采樣，處理和控制輸出。這種方法對于具有良好的抗偶然因素干擾的作用。3、采用軟件濾波方式。在對重要的電力參數(shù)進(jìn)行采集時(shí)，采用了中值法和加權(quán)平均法兩種數(shù)字濾波方式的結(jié)合，減少?zèng)_擊，使裝置性能更加穩(wěn)定，減少了裝置的誤動(dòng)率。第三節(jié) 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一、主程序設(shè)計(jì)主程序流圖見圖4-5。主程序作為后臺(tái)程序，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，主程序一直在查詢電機(jī)是否進(jìn)入起動(dòng)模塊或停車處理。電機(jī)控制方式切換時(shí)轉(zhuǎn)速值

50、的確定，主要是根據(jù)控制功能的正確實(shí)現(xiàn)和控制的快速性而決定。自檢好故障自動(dòng)檢測，它對系統(tǒng)出現(xiàn)的軟、硬故障進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)并給予指示。自檢可分為開機(jī)自檢，周期性自檢和按鍵命令自檢，自檢容可以包括CPU、RAM，ROM、總線、查件、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、I/O接口等。這里僅就程序中用到的開機(jī)EPROM自檢加以說明，檢驗(yàn)程序?qū)PROM的第一個(gè)單元字節(jié)讀到工作單元中，然后依次與EPEOM的后續(xù)字節(jié)相異或，直到與最后一個(gè)單元字節(jié)異或，使得EPROM的校驗(yàn)結(jié)果為全“1”（“FF”），工作單元檢驗(yàn)結(jié)果為FFH，則說明EPROM容為正確，否則顯示器顯示EPROM出錯(cuò)。圖4-5 主程序流圖 顯示器檢驗(yàn)：通過將LED

51、所有的數(shù)碼管全部熄滅一段時(shí)間后，又將全部數(shù)碼管點(diǎn)亮一段時(shí)間，以檢驗(yàn)數(shù)碼管是否正常工作。 顯示器顯示“P”時(shí)，可以從鍵盤上輸入4個(gè)十進(jìn)制表示的轉(zhuǎn)速信號(hào)，同時(shí)顯示在LED上。按確定鍵后，將此轉(zhuǎn)速信號(hào)作為給定轉(zhuǎn)速信號(hào)。同時(shí)，顯示器上顯示“d”，提示鍵入轉(zhuǎn)動(dòng)方向。若按取消鍵，則此轉(zhuǎn)速信號(hào)取消，LED上顯示“n”此時(shí)可重新鍵入轉(zhuǎn)速信號(hào)。 起動(dòng)模塊流圖如圖4-6所示。其中速度環(huán)、電流環(huán)子程序采用PID調(diào)節(jié)器，計(jì)算模塊和數(shù)字邏輯切換程序塊見第二章所述。二、PID算法模塊 在圖4-7給出增量式PID控制算法流程圖。三、移相角的計(jì)算和輸出軟件模塊設(shè)計(jì) 我們知道可控橋式電路輸出電壓平均值公式 41 其中，Ud為晶

52、閘管輸出電壓，為移相角，Ud0為不可控整流輸出電壓。在0-90°，晶閘管處于整流狀態(tài)；在90°-180°，晶閘管處于逆變狀態(tài)。移相定時(shí)是通過定時(shí)器完成的，由電流PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算得出的角移相時(shí)間存入定時(shí)器后，定時(shí)器開始工作，延時(shí)結(jié)束后，便可實(shí)現(xiàn)對主電路三相全控晶閘管的控制。圖4-6 啟動(dòng)模塊流圖表4-1 晶閘管觸發(fā)字碼表電源狀態(tài)S1 S2 S3P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0觸發(fā)器導(dǎo)通號(hào)101100001E1H1，6100000011C3H1，2110000110C6H3，2010001100CCH3，4011011000D8H5，400111000

53、0F0H5，6 表4-1為晶閘管觸發(fā)字碼表表示觸發(fā)應(yīng)對的晶閘管，“0”表示不觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)均由鎖存器74LS374產(chǎn)生。 由前面的同步檢測電路可知，在一個(gè)電壓周期存有6個(gè)同步控制信號(hào)，每個(gè)信號(hào)間隔 60°，則部定時(shí)器最大不能超過60°。另外二相全控橋式電路在任何時(shí)都必須有兩只晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)通回路。因此，本觸發(fā)器采用雙窄脈沖觸發(fā)，即一個(gè)觸發(fā)某一只晶閘管的同時(shí)，給前一只晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。 CPU有INTO中斷啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)，定時(shí)器的初值由電流調(diào)節(jié)器通過并行口給定。給定控制角在0°-180°之間。單片機(jī)軟件自動(dòng)對每相脈沖的分配劃分區(qū)間。在移相

54、控制時(shí)，將0°- 180°的角移相圍劃分為3段，并設(shè)定相應(yīng)的段標(biāo)號(hào)S。 0°60°，段標(biāo)號(hào)S=0 60°120°，S=1 120°180°，S=2再將變換成，S=1時(shí)，=+60，S=2時(shí)，=+120，圖4-7 增量式PID控制算法流程圖于是無論處于哪一段，對的移相只需對定時(shí)即可，定時(shí)的起點(diǎn)規(guī)定為各自然換相點(diǎn)，然后再根據(jù)段標(biāo)號(hào)S來確定要觸發(fā)的晶閘管。這樣，最大定時(shí)時(shí)間為3.33ms（對應(yīng)60°），各相觸發(fā)脈沖的延時(shí)在時(shí)間上不會(huì)重疊。定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間常數(shù)TD上之間的關(guān)系為： 4-2經(jīng)以上分析可得出定時(shí)器延時(shí)角

55、計(jì)算流程圖如圖4-8。圖4-8 移相角計(jì)算流程圖第四節(jié) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 在工業(yè)設(shè)計(jì)中，通常采用仿真設(shè)計(jì)，仿真設(shè)計(jì)包括軟件仿真和硬件仿真。仿真軟件設(shè)計(jì)通常建立好系統(tǒng)模型，然后用軟件或軟件工具描述系統(tǒng)的狀態(tài)，以達(dá)到研究、設(shè)計(jì)的目的。物理仿真常采用與實(shí)際系統(tǒng)相類似的物理模型進(jìn)行研究。軟件仿真往往只要有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，編寫相應(yīng)的程序或利用相關(guān)的仿真軟件即可達(dá)到目的。 在這一節(jié)中，采用美國Mathworks公司的MATLAB軟件中的SIMULINK仿真工具來進(jìn)行糖分離機(jī)數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)。 MATLAB是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級語言，這集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、圖象處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與一體，具有極高的編程效率。MATLAB軟件的誕生，使控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題變得簡單了，它為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真提供了強(qiáng)有力的工具，必將使傳統(tǒng)的方法產(chǎn)生一場