（机械电子工程专业论文）直流调速控制系统的研究与设计.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术的不断发展和完善，直流调速装置已由模拟量控制变为数 字量控制，与模拟量控制的直流调速装置相比，数字式直流调速装置不仅控制精 确、运行稳定，而且硬件电路结构简单、操作灵活。本文就设计了一种以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心的数字式直流调速装置，该装置具有成本低、工作性能稳定、可靠 等优点。 根据直流电机的固有机械特性，本文设计了一种直流调速装置。该装置通过 对三相全控整流电路中六路晶闸管进行移相触发控制，使其输出可控的直流电压， 进而实现直流调速。该装置采用双闭环数字式p i 控制，设计包括转速给定、转速 显示、转速检测、电流检测和触发脉冲输出等硬件、软件设计，文中最后对系统 的抗干扰和调试阶段遇到的相关问题进行了阐述，并提出了行之有效的硬件、软 件抗干扰措施和解决调试过程中相关问题的对策。 通过编程、调试，所设计的直流调速装置工作稳定、控制准确，实现了低成 本、高性能的设计要求，弥补了现有调速装置价格昂贵等缺点，该装置的研制具 有一定的现实意义和可行性。 关键词：直流调速，单片机，双闭环控制，晶闸管触发 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da c h i e v e m e n to ft h ec o m p u t e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h e i n s t r u m e n to fd ce l e c t r o m e t e rd r i v e rh a sc h a n g e df r o ms i m u l a t i v ec o n t r o li n t od i g i t a l c o n t r 0 1 c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e ro n e ，t h ei n s t r u m e n to fd i g i t a lc o n t r o l l i n gi sn o to n l y w i t hh i g hp r e c i s i o ni nc o n t r o l l i n ga n ds t a b i l i z a t i o ni nm o v e m e n t b u ta l s ow i t ht h e s i m p l ec i r c u i ta n dt h ef l e x i b l ec o n t r o l l i n g t h e r ea r ea1 【i n do fd i r e c tc u r r e n tm o t o r s p e e dc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h ea t 8 9 c 5 1o fs i n g l e c h i pc o m p u t e r ， t h i si n s t r u m e n tp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w c o s t ，s t e a d ya n dd e p e n d a b l e c a p a b i l i t ya n ds oo n a c c o r d i n gt o t h en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fd cm o t o r ，t h ei n s t r u m e n to fd c e l e c t r o m o t o rd r i v e rw a sb a s e do nt h ec h a n g i n go fs c ri nt h et h r e ep h a s e sr e c t i f y i n g p o w e r , w h i c hc a nc h a n g et h er e c t i f y i n gv o l ta n da c h i e v et h ep u r p o s eo ft h es p e e d c o n t r o l ，i tm a d et h ed o u b l e l o o p sp ia st h es p e e dc o n t r 0 1 t h i sp a p e ri n c l u d e st h e d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo nt h es e t t i n g ，d i s p l a y i n g ，i n s p e c t i n go fs p e e d ，t h e c u r r e n ti n s p e c t i n ga n dt h eo u t p u to fb u r s tp u l s e l a s t l y , t h e r ea r ee x p a t i a t i o n sa b o u tt h e a n t i - j a m m i n go fs y s t e ma n dt h ep r o b l e md u r i n gt h ep r o c e s so fd e b u g g i n g ，a tt h es a m e t i m es o m ee f f e c t i v em e a s u r e so fa n t i - j a m m i n gb yh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h e m e t h o d sw h i c he n a b l et os o l v er e l a t i v ep r o b l e m sd u r i n gt h ed e b u g g i n g t h r o u g ht h ep r o g r a m m ea n dd e b u g g i n g , t h i si n s t r u m e n ta c h i e v e st h er e q u e s t so f t h ed e s i g n ，r e m e d i e st h ed i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gi n s t r u m e n t ，s u c ha s ，h i g hp r i c e s t h e s t u d yo f i n s t r u m e n tp o s s e ss o m ep r a c t i c a la n df e a s i b l e k e yw o r d s ：d cm o t o rd r i v e r , s i n g l e - c h i pc o m p u t e r , d o u b l e c l o s e d l o o ps p e e d c o n t r o l ，t r i g g e ro f s c r 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有1 ：作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并 与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律效应，一切结果由本人承担。 作者( 签字) ：系英f i 日期：知o7 r 年) 月，目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工大 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：爱荚瓯 日 期：a o 。l 3 冒 指导教师签名：隆碍 日 期：卅一1 第1 章绪论 第r 章绪论 1 1 序言 在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，。随着生产工艺、 产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自 动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具 有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大， 能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程 自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高 性能可控电力拖动的领域仍有广泛的使用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地 应用在自动控制要求较高的各种生产部门，是目前调速系统的主要形式。 1 2 直流调速系统发展史 - ，、直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以 下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供 电，通过改变电枢回路中的电曝赉摹殍调速。达秽赢凑简粤易爷? ；设备童。造方便， 价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目 前极少采用。第二，三十年代术，出现了发电机一电动机( 也称为旋转变流组) ， 配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能， 如有较宽的调速范围( 十比。至数十比一) 、。较小的转速变化率和调速平滑等，特 别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈 给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗， 提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机 相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大、检修困难等。第三，自出现 汞弧变流器后，和用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标 又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。 但是汞弧变流器仍存在一些缺点：维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人 员会造成一定的危害等。第四，1 9 5 7 年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变 沈阳理工人学硕士学位论文 流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示 出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等 一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提 高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在 1 0 0 0 0 以上，比机组( 放大倍数1 0 ) 高1 0 0 0 倍，比汞弧变流器( 1 0 0 0 ) 高t o 倍； 在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。 从2 0 世纪8 0 年代中后期起，以晶闸管整流装鼍取代了已往的直流发电机电 动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路已 经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系 统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。 随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件n i 和传感器的出 现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动 装置不断向前发展。微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极 大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机 为控制核心的多种直流电气传动装置，如西门子公司的s i m o r e gk6 r a 2 4 、a b b 公司的鼢d 伊s d 【，等等。 1 3 直流调速控制装置的国内外发展现状 数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设 定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率 和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软 件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和p l c 等各类器 件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点， 尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制 器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、 体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调 速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。 国外主要电气公司如瑞典的a b b 公司、德国的西门子公司、a e g 公司、日本 的三菱公司、东芝公司、美国的g e 公司、西屋公司等均已开发出数字直流调速装 第1 章绪论 置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品d i 。 我国从2 0 世纪6 0 年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系 统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前一，晶闸管供电的直流调速系统在我国国 民经济各部门得到广泛的应用 我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制i 】，补偿p i d 控制 0 1 ，p i d 算法优化1 6 1 c t l ，也有的只应用模糊控制技术。- 很少将智能控制应用于其中。 。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口【q 但由于进口设备价格昂 贵，。也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院 校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。 1 4 直流电动机的调速方法 根据直流电动机的固有机械特性方程式1 9 1， 肛巍一森卜 m 旷 c nc 和0 、 在式( 1 1 ) 中，n 一转速，r m i a ； ( 7 - 一电枢电压，v ； 如一电枢回路总电阻，q ；。 ? 毋r 巧均磁磁通，w b ，c 一由电机结构决定的电动势常数。，、j 由上式可知：当负载一定时，电磁转矩t 与负载转矩相平衡，电磁转矩不变， 欲改变直流电动机的速度，有以下三种方法： 、r 1 、调节电枢供电电压 2 、减弱励磁磁通庐_ 卜 3 、改变电枢回路电阻凡。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方 法为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范 围不大，往往只是配合调压方案，在基速( 额定转速) 以上作小范围的弱磁升速。因 此，1 自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。 1 4 1 直流调速系统的供电方式 ，- 。：实现调压调速，首先要有一个平滑可调的直流电源。常用的可调直流电源有 沈阳理工大学硕士学位论文 以下三种方法： l 、旋转变流机组。用交流电机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压， 简称g m 系统，国际上统称w a r d 1 e o n a r d 系统，这是最早的调压调速系统。g - m 系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不 方便。 2 、静止式可控整流器。2 0 世纪5 0 年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的 静止变流装置取代旋转变流机组，但到5 0 年代后期又很快让位于更为经济可靠的 晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称v - m 系统，又称 静止的w a r d - l e o n a r d 系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角口，进 而改变整流电压的大小，达到调节直流电动机转速的目的。v _ m 在调速性能、 可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。 3 、直流斩波器或p w m ( 脉宽调制) 交换器。利用功率开关器件通断实现控 制，调节通断时间的比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压， 亦称d c d c 变换器。 1 5 选题的目的、意义和主要内容 1 5 1 课题研究的目的、意义 由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其是我 国在此领域的现状，再加上数字直流调速系统【l o l t n l 的出现，更提高了直流调速系统 的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位【1 2 1 。 但由于传统直流调速控制装置是基于模拟器件设计而成，导致其输出易受电 网电压及元件参数分散性的影响，使得各触发器的移相特征不一致，破坏三相触 发脉冲的对称性，导致整流变压器的原边电流不平衡，出现零序电流，使电网三 相电压中性点发生偏移，附加谐波电流增大等现象，即其不仅硬件组成复杂、速 度调整困难，而且缺乏控制的灵活性删。而数字调速系统则大大改善了传统调速装 置的不足，不仅在响应速度上要超过前者，稳定性和灵活性也明显提高。 目前直流调速控制装置种类繁多，但其本质都是通过改变电枢电压的方式实 现调速的目的，无论是采用可控整流或是脉宽调制( p 、聊田都可以实现直流电机的 调速控制。本质的区别还是控制器的核心一数字控制器，它的好坏直接决定控制 系统的优劣。专为电机设计的i n t e l8 x 1 9 6 m c 系列或t m s 3 2 0 x 2 4 0 系列单片微机， ，第1 章绪论 其微机芯片本身就带有a d 转换器、通用i o 接口，还带有一般微机并不具备的 故障保护、数字测速等功能n 4 1 但是国外的价钱较高。所以本课题的研究是在现有 ：。“r 7 - j ：。 。 _ t，。 ” ：_ ， 直流调速原理的基础上；将控制器的核心换成功能与其相近，1 但价钱却较低的芯 片，配以a d 和数字测速等外围电路等，实现直流调速控制。 1 5 2 本课题研究的主要内容 本文采用晶闸管可控整流技术，通过控制三相全控整流电路中晶闸管的移相 触发，将三相交流电源转换成可控的直流电源，实现调压调速的目的。本文的主 要内容具体分为以下四个部分： 1 直流调速控制系统的理论研究： 2 主控单元采用a t 8 9 c 5 1 单片机完成所有的控制以及运算； 3 电路设计采用p r o t e l 设计硬件，软件通过w a v e 仿真系统进行设计i 4 整合电路板，：调试程序，实现对直流电机的转速控制。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章直流调速控制系统的原理 本文研制的直流调速装置采用双闭环数字p l 调速控制，以单片机a t 8 9 c 5 1 作 为主控制器0 6 1 ，晶闸管触发和转速测量等环节都实现全数字化的微机控制。系统结 构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运行时转速精度可达到较高水平， 静动态各项指标均能较好地实现设计的要求。 2 1 系统的工作原理 本课题的研究内容主要是通过控制三相全控整流电路中晶闸管的对应导通将 三相交流电源转化成可变的直流电源，控制系统配以双闭环p i 控制m ，实现对直 流电机的调速控制。系统通过键盘对转速进行给定，同时将转速给定变换成电压 信号。通过数字测速系统对电动机的转速进行检测并转换成电压信号，把转速给 定信号和转速反馈信号作为转速环a s r 的两个输入信号，经过数字p i 调节控制得 到电流环a c r 的给定信号，再与电流检测信号一起作为电流环的输入信号。将最 后得到的控制电压信号作为晶闸管的移相触发控制信号，换算成晶闸管的控制角 口，再根据控制角口的不同换算出对应得触发时刻，向对应导通的两个晶闸管同 时输出触发脉冲，使其输出可控的整流电压。通过上下两行4 位数码管进行转速 检测与转速给定实时比较，最终达到转速检测与转速给定相平衡，使系统达到稳 态，进而实现调速的目的。系统原理图如图2 1 所示。 根据控制对象的不同，在硬件电路不变的前提下，系统的软件要相应的发生 变化。例如，整流电路是三相半控，触发脉冲就为三路输出；整流电路是三相全 控，整流电路就为六路输出：由于本装置采用双闭环数字p i 控制，整流电路采用 三相全控整流电路，因此下面对两者作详细介绍： 2 2 双闭环调速系统的构成 转速、电流双闭环调速系统( 简称双闭环调速系统) 是由单闭环调速系统发 展而来的。采用转速负反馈和p i 调节器的单闭环调速系统可以实现转速调节的无 静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启( 制) 动时的最大电流叼。但是 第2 章直流调速控制系统的原理 单闭环调速系统存在以下问题需要解决。 图2 1 数字控制的双闭环直流调速系统原理图 a s r - 转速调节器a c r - 电流调节器f b s - 转速转换器l 胁转速给定电压 历转速反馈电压狮- 电流给定电压【，f - 电流反馈电压局转速反馈系数 _ 局电流反馈系数乃一转速环采样周期乃一电流环采样周期 j ：j _ ，7 t ， ；，：! ： f l 、在单闭环调速系统中用1 个调节器综合多种信号；。各参数问相互影响，。难 于进行调节器动态参数的调整，系统地动态性能不够好j ，j ”| ，。 。 2 、系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的 过载能力获得最快的动态响应；即最佳过渡过程。一一。一。 ” ，。 t、 1 为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的 缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用 两个调节器分别调节转速和电流。构成转速、：电流双闭环调速系统。 _ j _ 2 2 1 转速、电流双闭环调速系统的组成： 在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又 要控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键 是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器a s r 调节转速，用电流调节器a c r 调节电流。a s r 与a c r 之间实现串级联接，即以 a s r 的输出电压明作为电流调节器的电流给定信号，再用a c r 的输出电压，c 作 晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环， 电流环在里面为内环。为了获得良好的静、：动态性能j 转速和电流两个调节器丢 般都采用具有输入输出限幅功能的p i 调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。 - 7 一 一，)，)6 沈阳理工大学硕士学位论文 2 2 2 调节器输出限幅值的整定 在双闭环系统中转速调节器a s r 的输出电压明是电流调节器a c r 的给定信 号，其限幅值k 为最大电流给定值，因此，a s r 的限幅值完全取决于电动机所 允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。而a c r 的输出电压限幅值c k ，表 示对最小口角的限制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。调节器输出限幅值 的计算与整定是系统设计和调试工作中很重要的一环。在具体分析一个系统时必 须注意调节器输出限幅值所代表的具体物理意义及其计算和整定方法。 2 3 双闭环调速系统的动态特性 一般来说调速系统的动态性能主要指系统对给定输入( 阶跃给定) 的跟踪性能 和系统对扰动输入( 阶跃扰动) 的抗绕性能而言。两者综合在一起就能完整地表征一 个调速系统的动态性能或称动态品质阅。 2 3 1 双闭环调速系统突加给定时的启动过程 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的启动过程，因此有必 要首先讨论双闭环调速系统突加给定时的启动过程。当双闭环调速系统突加给定 电压u n 由静止状态开始启动时，转速和电流随时间变化的波形如图2 2 所示。由 于在启动过程中，转速调节器a s r 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，因此 整个启动过程分为三个阶段，在图中分别标以i 、。 l 、第1 阶段( o t 1 ) ：强迫电流上升阶段； 2 、第阶段( t i t 2 ) ：恒流升速阶段，即电动机 保持最大电流作等加速启动阶段： 3 、第l 阶段( 1 2 h ) ：转速超调进入稳定的阶段， 即转速调节阶段； 图2 2 双闭环转速系统 启动时的转速和电流波形 2 3 2 双闭环调速系统的制动停车过程 由于晶闸管的单向导电性。因此不可逆双闭环调速系统不可能实现回馈制动。 第2 章直流调速控制系统的原理 在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。若须加快制动；则只能采用 电阻能耗制动或电磁抱闸的方式。 2 3 3 双闭环调速系统的抗扰性能一 负载扰动和电网电压扰动是双闭环调速系统中的两个主扰动? 只要系统能有 效地抑制它们所引起的动态转速降( 升) 和恢复时间，就说明系统具有较强的动态抗 扰性能， - 。l 、抗负载扰动。负载扰动作用在电流环，转速环内，只能靠转速调节器产生 抗扰作甩。因此，在突加( 减) 负载时，必然会引起动态速降( 升) 。为了减少动态速 降( 升) ，在设计a s r 时，必须要求系统具有较好的抗扰性能。而对a c r 的设计来 说，则只要电流环具有良好的跟随性能就可以i r ，2 ，抗电网电压扰动从静特性上看，单、：双闭环系统对电网电压扰动的抗 扰效果是一样的i 但是从动态性能上看，r 却有较大差别。在单闭环调速系统中， 作用点离被调量n 较远的电网电压波动引起的扰动作用，：先要经过电磁惯性滞后 才能影响到电枢电流，再经过机电惯性滞后才能反映出转速变化，等到转速反馈 产生调节作用，时间已晚。在双闭环调速系统中，电网电压扰动被包围在电流环 一： 。、 内，它的影响不必等到波及到转速就能被电流环所抑制。因此，在双闭环调速系 统中，电网电压波动引起的动态降( 升) 要比单闭环系统小得多。 ， j 2 3 4 两个调节器的作用 1 。 转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可归纳如下： 、 ： 一 。 l 、转速调节器的作用： ( 1 ) 实现转速调节无静差，使转速n 跟随给定电压u 。变化； ( 2 ) 对负载变化起抗扰作用； ( 3 ) 能对电流环进行饱和非线性控制，且其输出限幅值决定允许的最大电流。 一 。， 2 、电流调节器的作用： 一r， 。 -，。i ， - j ( 1 ) 对电网电压波动起及时抗扰作用； ，! 一jr! ( 2 ) 启动时保证获得允许的最大电流，实现最佳启动过程； ( 3 ) 在转速调节过程中，能使电流跟随其给定电压变化； ，。 ， ：。 ，二 ! ：， ， 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 依靠a c r 的恒流调节作用可获得理想的下垂特性； ( 5 ) 当电动机过载甚至堵转时，可限制最大电枢电流，起到快速的安全保护 作用，一旦故障消失，系统能自动恢复正常。 2 4 可控整流电路 晶闸管可控整流器可以是单相、三相或更多相数，可以采用半波、全波、半 控、全控等类型。各有优缺点，但从输出功率、输出电压脉动等方面考虑，本系 统采用三相桥式全控整流电路，如图1 2 ( a ) 所示。三相桥式全控整流电路，实质上 是三相半波共阴极组与共阳极组的串联，控制角都是口，负载平均电压为 = 2 3 4 u ：c o s a ，这将大大提高电源的利用率。 2 4 1 三相桥式全控整流电路的工作原理 图1 2 表示出了三相桥式全控整流电路，控制角口= 0 0 时晶闸管的触发顺序【2 i 】。 其基本工作原理：在脚吒口o x ：期间，a 相电压最高( 正) ，b 相电压最低( 负) 。在触发 电压甜。l 和的作用下乃和死管同时导通，电流从a 相流出，经i m t 6 _ 流回电源b 相，电枢两端得到整流电压= 一= 在啦口o x ，期间：耐2 时刻，a 相电压仍然最高，但c 相电压比b 相更低( 负) 了，在“。：作用下c 相晶闸管t 2 导通，使t 6 管受反压关断，负载电流从死换到t 2 ， 在啦口毗期间负载电流路径从a 相呻t l m t 2 - - k c 相，整流电压= 一 蚝= 依此类推，鹏口毗期间死和乃管导通，整流电压= 屹一心= 。 所以，通过改变晶闸管的不同触发时刻，即改变控制角口的大小，达到调节电枢 电压的目的。 2 4 2 触发脉冲的要求 在三相电源相序a 、b 、c 、确定后( a 相可任意指定，相序不能反) ，五、正管 接a 相，五、瓦管接b 相，正、五管接c 相。根据这样的排列触发脉冲顺序为 g l 斗2 斗_ 。一斗一“窖6 _ ，脉冲间隔为6 0 ，如图1 2 ( c ) 所示，六 个晶闸管导通的顺序为写呻五斗五斗五斗写一瓦- - h 五。 由于桥式电路中的电流屯流通时，必须有两个晶闸管同时导通，为了保证整流 电路能启动工作，或在断流时能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同 第2 章直流调速控制系统的原理 ( a ) 0 ( b ) v t l 】i ot 3 】t 5 一厂只、a 厂 v 1 厂、，、1 ： b u 厂、v ，、厂、v 、1 生 c 一主t 4 】t 6 】t 2 一 i du 2 。 u ，、a兴煲 哭一u b xt 1 l ： t 3 kt 5 xt 1 x 0 t r 、c o t 3 幻i s 幻t 7 等口 t e 笊t z 笊t t kt e 笊八；一 u g 0 ( c ) u e 0 ( d ) 导通管 t i! lf ；：1 1 3 5 1 ：r3 j l _ 几丌_ 1旷| n 丌- n 丌_ _ 1 l l l l l j j l l l j j l l l l l j 一， 图1 2 三相桥式全控整流电路，口= 0 0 时脉冲安捧 时施加触发脉冲。为此可采取两种方法： 一种是采用宽脉冲，使每一个触发脉冲的宽度大于6 0 。、小于1 2 0 。，通常取8 5 。 左右如图1 2 ( c ) 虚线脉冲所示。在f _ o t ：时刻，互、正管同时有脉冲导通。在n 呜时 刻，正、正管同时有脉冲导通，这样在换相时，相隔6 0 。的后一个脉冲出现，前 一个脉冲还没有消失，从而保证电路在任何换相点均有相邻的两个晶闸管有触发。 另一种方法是采用双窄脉冲( 脉冲宽度1 8 。左右) ，如图1 2 ( c ) 所示。在触发某一 号晶闸管时，设法使触发电路同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，称作补脉冲( 或 辅助脉冲) 。在屹时刻，墨管是主脉冲，五管是补脉冲，作用与宽脉冲一样。这种 触发方式，称为双窄脉冲。 所以，三相桥式全控整流电路在任何时刻必须保证有两个晶闸管同时导通， 才能构成电流回路。晶闸管换流只在本组内进行，每隔1 2 0 0 换流一次。每个晶闸 沈阳理工大学硕士学位论文 管每周期导电角岛= 1 2 0 0 。在大电感负载时，脉冲的移相范围为0 9 0 0 。 d 2 一 第3 章1 直流调速系统的硬件设计 第3 章直流调速系统的硬件设计 3 1 系统硬件结构的总体设计 直流调速系统的硬件结构主要包括智能控制芯片a t 8 9 c 5 11 再配必转速给定、? 转速显示、转速检测、电流检测、触发电路、过零检测电路和整流电路等部分。 i 7 ” 、j 1一。： 通过键盘对转速进行给定，通过两行4 位数码管对转速给定和转速检测进行显示； 转速检测电路主要是采用光电编码器和定时，计数芯片8 2 5 3 进行检测；电流检测电 路主要考虑到检测精度的问题，7 采用a d 5 7 4 作为检测芯片，将直流端的电流变换 为电压信号检测进来；触发电路主要是对六路晶闸管进行移相触发，采用8 1 5 5 芯 片和脉冲放大电路作为六路脉冲的产生；整流电路由三相全控整流电路、三相电 源变压器：j 小型直流电机等构成。硬件结构框图瞄】如图3 1 所示 彳广、 a d 士廊：口；9 彰 t 8 9 c 5 l ， 习茵嚣：j 围嗡j ：- 。匾零固，j ! 变压器 图3 1 系统硬件结构框图 3 2 系统主要芯片介绍 7一 ： a r 8 9 c 5 l 单片机，用作系统的监控，读取采样数据，进行p i 运算，输出 控制量。 8 2 7 9 一可编程键盘、显示接口芯片，用于转速设定和电机控制命令的输入 以及电机运行中转速的显示。 ， 一 ， 8 2 5 3 可编程定时，计数芯片，具有3 个1 6 位的定时计数器，用于测速和 ，- n 一 沈阳理工大学硕士学位论文 脉冲触发移相。 8 1 5 卜j 可编程i o 接口扩展芯片，用于输出三相全控整流电路中六路触发脉 冲信号。 a d 5 7 4 一1 2 位a d 转换芯片，将电枢电流，d 的值转换为数字量的电压信 号。 3 3 系统硬件电路组成 3 3 ia t 8 9 c 5 1 单片机的性能及特点 a t 8 9 c 5 1 m l 是一种低功耗、高性能的片内含有4 k b 快闪可编程擦除只读存储 器( e p e r o m 捌勰hp r o g r a m m a b l ea n de r a s a b l er e a do n l ym e m o r y ) 的8 位c m o s 微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造。芯片上的e p e r o m 允许在线编程 或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。 a t 8 9 c 5 1 ( 以下简称8 9 c 5 d 将具有多种功能的8 位c p u 与e p e r o m 结合在一 个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案。 8 9 c 5 1 的主要性能包括1 7 1 ： l 、片内有4 k b 可在线重复编程的快闪擦写存储器( f l a s h m e m o r y ) ； 2 、存储器可循环写入擦除1 0 0 0 次； 3 、存储数据保存时间为l o 年； 4 、宽工作电压范围：v e t 可为2 7 6 v ； 5 、全静态工作：可从0 m h z 至1 6 m h z ； 6 、程序存储器具有3 级加密保护； 7 、1 2 8 x 8 位内部r a m ； 8 、3 2 条可编程i o 线； 9 、两个1 6 位定时器，计数器； l o 、中断结构具有5 个中断源和2 个优先级； i l 、可编程全双工串行通道： 1 2 、空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 3 3 1 1a ：r 8 9 c 5 l 硬件结构及引脚 a t 8 9 c 5 1 的内部硬件结构如图3 2 所示。其引脚配置如图3 3 所示。 第3 章直流调速系统的硬件设计 外时钟源 外部事件计数 外部中断 扩展控制 p o p lp 2 p 3r x d t x d 图3 2 a t 8 9 c 5 1 内部硬件结构图 p p 13 p 1 4 p 15 0 1 o p 7 l x d l 口3 o ：i h 一0 ，p 32 巾p 1 lp 33 - 0 ip 3 f p 3 5 讯lp 30 ；r d ，0 3 7 g n d p c 0f 0 0 ) p a lf d t ) p o2 ， 0 2 1 p c3 t ) 3 ： p 04 ，4 1 p c5 i ，6 】 p co f ) o ： p o7 3 7 ) 一e 翻e 西石 图3 3 a t 8 9 c 5 1 引脚图洲 。 3 3 2 键盘显示电路设计 8 2 7 9 是i n t e l 公司生产的可编程键盘显示i o 专用芯片，8 2 7 9 能够以较简单 的硬件电路和较少的硬件开销实现单片机与键盘和显示器接口。利用8 2 7 9 可实现 对键盘显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合的键号，不仅可大大节省c p u 对键 盘显示器的操作时间，而且显示稳定，程序简单很少出现误动作。因此，本设计 键盘和显示部分选用8 2 7 9 芯片本设计包括8 个按键和s 位数码显示，通过键盘 沈阳理工大学硕士学位论文 和数码管的结合使实现调速系统的所有操作。 3 3 2 l8 2 7 9 的内部结构和引脚功能： l 、8 2 7 9 包括以下部分嗍： o ) v o 控制及数据缓冲器 ( 2 ) 控制与定时寄存器及定时控制 ( 3 ) 扫描计数器 ( 4 ) 回复缓冲器、键盘去抖及控制 ( 5 ) f i f o 传感器及其状态寄存器 ( 6 ) 显示r a m 和显示地址寄存器 2 、管脚、引线与功能 8 2 7 9 采用4 0 引脚封装，其引脚功能如下： d o d 7 ( 数据总线) ：双向、三态总线，和系统数据总线相连；用于c p u 和8 2 7 9 间的数据命令传递。 c l k ( 系统时钟) ：输入线，为8 2 7 9 提供内部时钟的输入端： r e s e t ( 复位) ：输入线，当r e s e t = i 时，9 2 7 9 复位，其复位状态为： 1 6 个字符显示； 编码扫描键盘一双键锁定； 程序时钟编码为2 3 l 。 c s ( 片选) ：输入线，当c s = 0 时8 2 7 9 被选中，允许c p u 对其读、写，否 则被禁止。 , s o ( 数据选择) 输入线。当a o = l 时c p u 写入数据为命令字，读出数据为 状态字；a o = 0 时c p u 读、写的字节均为数据。 r d 、w r ( 读、写信号) ：输入线。低电平有效，来自c p u 的控制信号，控 制8 2 7 9 的读、写操作。 i r q ( 中断请求) ：输出线。高电平有效。 在键盘工作方式中，当f i f o ，传感器r a m 存有数据时，i r q 为高电平。c p u 每次从r a m 中读出数据时，i r q 变为低电平。若r a m 中仍有数据，则i r q 再 次恢复高电平。 在传感器工作方式中，每当检测到传感器状态变化时，i r q 就出现高电平。 第3 章。直流调速系统的硬件设计 s l o s l 3 ( 扫描线) ：输出线。用来扫描键盘和显示器。它们可以编程设定 为编码( 1 6 中取1 ) 或译码输出( 4 取1 ) 。 r l , o r l 7 ( 回复线) ：输入线，它们是键盘矩阵或传感矩阵的列( 或行) 信 号输入线。上一 1。 s h i f t ( 移位信号) ：输入线、高电平有效。该输入信号是键盘数据的 最高位( d 7 ) ；通常用来扩充键开关的功能，作为控制功能键用。 在选通输入方式时，该信号的上升沿可将来自砌j p i u 7 的数据存入f i f o r a m 中。 在传感器输入下，该信号无效。 一 o u t a 0 o u t 加( a 组显示信号) ：输出线。 o i 皿o o l 厂r b 3 ( b 组显示信号) ：输出线。 。 这两组引线都是显示数据输出线，与多位数字显示的扫描线s l o - 一s l 3 同步， 两组可以独立使用，也可以合并使用。 ：i b d ( 显示消隐) ：输出线。低电平有效。该信号在数字切换显示或使用消隐 命令时，将显示消隐。， 3 3 2 2 键盘显示电路， 键盘显示电路主要通过键盘进行转速的设定，通过上行数码管显示；转速反 馈值通过下行数码管显示。键盘显示电路如下图3 4 所示。 ， 根据8 2 7 9 芩片的工作方式，键盘为独立式按键；设定为选通输入方式。要求 c n t l s t b 端应该与按键通过一个8 路与非门连接，那样 当有按键按下时，信号的上升沿可将r l 0 r l 7 的数据存 入f i f or a m 中，此时s 哪无效。电路不需要上拉电 阻，因为8 2 7 9 芯片r l 0 r l 7 内部本身就是高电平。显 示电路选择编码扫描方式，那样s l o s l 2 经3 8 译码器 7 4 h c l 3 8 后，可以直接驱动数码管。显示电路经过调试， 不需要加任何驱动，数码管就已经达到了显示的要求。 ， 出于参数设置简便方面的考虑，本文中设计8 个按键。 分别是启动键、停止键、改参键、确定键、左右移动键和 f 厂 厂 厂 厂 卜r 叫卜- 一卜一卜一 l i l _ jl _ jli l _ u “入八 o j | 启动键。1 “b 。 o o 、o 停年键j 改参键确定键 一 1 ； i 上下增减键。具体布置如图3 5 所示。图3 5 键盘，显示示意图 、 ， 沈阳理工大学硕士学位论文 图3 4 键盘显不电路 直流调速控制系统的启动与停车通过按启动键和停止键实现。通过按动改参 键进入参数的调节系统，这时可以对第一位数码管进行设置；通过左右移动键改 变预置数码管的位置；通过上下增减键改变数码管显示的参数，范围是( o 9 ) 。 通过按确定键完成本次参数的调节动作，同时将设定转速转换成给定的电压信号。 嘲在改参的过程中，直流调速系统仍然以上一次设定的转速进行转速调节控制，直 到确定键按下，调速系统才以新的设定转速进行调节控制。8 位l e d 数码管，分 两行布置，上面一行显示转速设定值，下面一行显示转速反馈值，显示值均用b c d 码表示看起来更直观。由于8 2 7 9 接口芯片在初始化后就能自动实现对传感器阵列 进行扫描和刷新显示，所以8 9 c 5 1 单片机既能及时地对调速系统状态和转速值进 行处理，又不会因为这些功能而加重单片机c p u 的负担。为了节省中断源和充分 利用执行同步脉冲中断服务程序执行的间隙时问，所以8 9 c 5 1 单片机可改用查询 方式读取8 2 7 9 传感器的状态信息。节省下来的i n t l 中断源用作后面介绍的转速 检测电路中读计数值中断。 3 3 3 数字测速硬件电路设计 数字测速电路主要是在单位时间内对转速脉冲个数进行计数，从而得到直流 电机当前转速，作为转速反馈信号本文中将光电编码器与电机轴用软性联轴器 第3 章直流调速系统的硬件设计 连接，j 光电编码器就产生与电机转速对应的转速脉冲。光电编码器选择z s f 6 2 1 5 型号，工作电压5 v ，每转输出脉冲数为1 0 0 0 个。方波脉冲信号幅值电压为4 v 左 右，可以直接输入到单片机中进行计数。本设计通过可编程定时计数芯片8 2 5 3 的 0 号和1 号计数器进行转速检测。0 号计数器检测转速脉冲的个数；。i 号计数器定 时采样时闻。j 3 3 3 1 可编程定时