数字化直流电机双闭环调速系统

数字化直流电机双闭环调速系统主讲教师徐少川主要内容第一章双闭环直流调速系统设计第二章调速系统的硬件组成第三章控制系统的软件设计第一章双闭环直流调速系统设计转数、电流双闭环直流调速系统的组成及工作原理转速、电流双闭环直流调速系统的组成图1双闭环调速系统原理图MTGnACRASRnIGTTA--+*nUnUnU*iUiUiUctUVdI第一章双闭环直流调速系统设计转速、电流双闭环直流调速系统的组成图1为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。由图可见，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，因此称之为双闭环调速系统。转速环为外环，电流环为内环。ACR和ASR均为比例积分调节器，并设有限幅电路，ACR输出限幅值为ctmU，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值dmU。ASR输出限幅值为imU，它决定了主环中的最大允许电流dmI。第一章双闭环直流调速系统设计为了更清楚地了解转速、电流双闭环直流调速系统的特性，必须对双闭环调速系统的稳态结构图进行分析。图2双闭环调速系统稳态结构图ACRASR--*nUnUnU*iUiUiUctUdIRsKeC1RIdEdoU-+n第一章双闭环直流调速系统设计（1）以电流调节器ACR为核心的电流环，当*iU一定时，由于电流负反馈的调节作用，使输出电流保持在*iU数值上。当*idUI时，自动调节过程为：dIdiiIUU*ctUdUdI最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。（2）以转速调节器ASR为核心的转速环，当*nU一定时，转速n将稳定在/*nU数值上。当/*nUn时，其自动调节过程为：负载nnUUnn**iUiUctUdUn最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。第一章双闭环直流调速系统设计双闭环调速系统的起动特性1、启动过程的第一阶段（电流上升）原因：初始条件，转速n为零，nUUnn*最大，*iU迅速增大，达到限幅值*imU，如图4（a）和（b）。转速环相当开环，ASR迅速达到饱和状态，不在起到调节作用。电枢电流迅速增加，0/nRnCUIedod当dLdII时，n开始上升，由于ACR调节作用，很快使dmdII，标志上升过程结束，如图4（c）。第一章双闭环直流调速系统设计2、启动过程的第二阶段（恒流升速）原因：随着转速上升，电动机反电动势E也上升，电流dI下降，由公式（4）可见。但ACR是比例积分调节器，可实现无静差调节，使dmdII，电流保持最大值，电动机转速直线上升。ASR饱和，ACR起到调节作用，输出控制电压ctU线性上升。Ⅱ阶段，一致持续到*nn。3、启动过程的第三阶段（转速趋于稳定）随着转速n不断上升，当转速*nn之后，转速出现超调，0*nUUnn，ASR退出饱和，ASR也是比例积分调节器，同样可实现无静差调节，最终使*nn，如图4（d）。第一章双闭环直流调速系统设计图4双闭环调速系统的启动特性*nUnU*nUnUnU稳态ⅠⅡⅢ0000iiUU,**imUiUdLIiUdIdLIdmIEn,*n*nEABCD1t2t3t4tt****abcdttt第一章双闭环直流调速系统设计双闭环调速系统中两个调节器的作用1、转速调节器的作用。（1）使转速n跟随给定电压*nU变化，稳态无静差；（2）对负载变化起抗扰作用；（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。2、电流调节器的作用。（1）电动机启动时，保证获得最大电流，起动时间短，使系统具有良好的动态特性。（2）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压*iU变化。（3）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到保护作用。（4）对电网电压波动起到快速抑制作用第二章调速系统的硬件组成第一节计算机控制单元第二节检测单元和接口电路第三节主电路单元和触发电路第四节移相角的定时第二章调速系统的硬件组成根据双闭环调速系统原理框图，可将系统分解为四个部分，如下图所示：一、计算机控制单元；二、检测单元和接口电路；三、主电路单元和触发电路。图5双闭环调速系统原理分解框图MTGnACRASRnIGTTA--+-*nUnUnU*iUiUiUctUVdI12234第二章调速系统的硬件组成其中计算机单元包含如下主要芯片：8088、8259、8253、8255、8279、6264和2764；检测单元和接口电路包括ADC0809、电流采样电路、测速单元电路和同步电源信号检测电路；主电路由晶闸管组成三相全控桥整流电路，SCR门级驱动控制电路；电机及负载单元由直流电机、平波电抗器和负载组成。下面就每一单元具体功能实现介绍。第一节计算机控制单元计算机的核心控制芯片是8088，中断接口芯片8259（分配地址08H，09H），键盘显示器接口8279（分配地址28H，29H），并行接口8255（分配地址20H～23H），计数器8253（分配地址10H～13H），控制器的PID算法实现子程序、各个芯片的初始化程序以及主程序写入存储器芯片ROM2764（分配地址00000H～01FFFH），另外还有RAM6264（分配地址0E000H，0FFFFH）。主要控制芯片的功能参照《计算机控制课程设计指导书》。计算机单元硬件原理图如图6所示，8088主要执行程序、计算功能，8259用于处理中断事件；8255用于读入电源状态和输出控制信号（晶闸管的门极控制信号）；8253的计数器0和1用于记录电机的转速，计数器2用于晶闸管的触发移相功能；AD0809用于对电机电枢电流的采样数模转化；2764用于存储初始化程序、主程序和数据存储器；6264用于做随机数据存储器；8284用于提供内部标准时钟，其它设备的时钟都是基于该标准时钟。第一节计算机控制单元图6计算机控制单元硬件原理图808862642764AD0809827982598253低8位地址总线高8位地址总线1381388255245数据总线8284电流采样转速信号输出控制信号输入电源同步信号第一节计算机控制单元系统主时钟在8088CPU组织的计算机系统中，专门设计了一个时钟发生器8284。它除了产生振荡，提供主时钟外，还向CPU提供准备就绪信号和系统复位信号。在本设计中接低电平，由和外接晶振以形成8088的时钟脉冲。晶振的频率为14.31818MHz，8284将晶振频率三分频，在CLK引脚上输出4.77MHz的8088系统时钟CLK88。CLK88的占空比为1/2，即高电平占1/3，低电平占2/3，时钟周期是210ns。CLK88经两分频产生PCLK（占空比为1/2），供8279使用。PCLK再两分频1.19MHz，供8253使用。第一节计算机控制单元并行接口8255作用8255有两个8位并行端口，分别称为PA口和PB口，还有两个4位并行端口称为PC口。8255有三种工作方式：方式0（基本输入输出方式），方式1（选通输入输出方式），方式2（双向传输方式）。8255的PA口选为方式0输出，输出可控硅触发字码；PB口为方式0输入，由PB口可得到同步电路中提供的电源状态321,,SSS。由此分析判断当前应该触发的相应主电路可控硅组号；PC口为方式0，其上半部47~PCPC定为输入方式，下半部03~PCPC定为输出方式。其中0PC输出启动测速和停止测速的信号，1PC端输出ADC0809的启动信号，4PC输入8253触发移相角定时时间到信号，此信号与8253的2OUT相连，2PC与ADC0809的OE相连。第一节计算机控制单元可编程定时/计数器8253在本设计中，8253用于数字测速及数字触发移相，其中计数器2用于实现角移相定时，当角移相定时时间存入8253定时器后，定时器开始工作，当定时时间到，其输出2OUT上升沿直接开始触发闸门74LS175，使原已等待在D端的触发字码传送到Q端，经光电隔离、脉冲功放后触发对应的可控硅。计数器1和计数器0分别对光电脉冲发生器输出的脉冲数1m和高频脉冲的个数2m进行计数。第一节计算机控制单元8259中断控制器外部中断源通过8088CPU的INTR引脚向CPU请求中断，在正常情况下，这样的中断源在一个计算机系统中不止一个，可是8088CPU只有一个INTR输入端，8259就是用来管理不同的中断源，以提供一个总的可控制信号给CPU。本设计中，8088CPU可屏蔽中断INTR与8259中断请求线INT相连，中断优先级的顺序是：0IRQ接同步中断，2IRQ接8279中断，1IRQ接ADC0809的转换结束端EDC。8259的0A与74LS373的0A脚相连，____CS接74LS138的__1Y。第二节检测单元和接口电路检测单元和接口电路主要包括三个部分，（1）电源检测电路；（2）电流检测电路；（3）转速检测电路，如图7所示。图7检测单元原理图MABC5V5V5V滤波电路S1S2S3(a)(b)(c)ABCD第二节检测单元和接口电路一、电源检测电路主变压器与同步变压器均接成Y/Y-12接法，同步电压经二级RC滤波以滤除电源中的干扰，并实现90的相移。同步电路一方面将每两个相邻的自然换相点之间的电源状态用数字量1S、2S、3S来表示，供微机分配触发脉冲时参考，另一方面在边沿与自然换相点对齐的方波321SSS的边沿处产生同步中断脉冲，于是在电源的每个自然换相点向8259提出中断申请，使微机的触发操作与电源同步。CPU响应中断后，根据所求得的角及电源状态定时定相输出触发脉冲。同步电路原理图如图8。第二节检测单元和接口电路图8同步电路原理图5V5V5V滤波电路S1S2S3(a)第二节检测单元和接口电路二、电流检测ADC0809用于将电枢电流dI转换成数字量，为了检测电流，本系统选用了交流互感器作检测元件，这是由于交流互感器能够准确反映主电路的电流，又能使控制电路与主电路隔开，减少了干扰。由交流互感器检测到的三相交流电经三相桥式整流、电容滤波、电阻分压可得到0~5V的直流电压信号，采样电路如图9所示：第二节检测单元和接口电路图9采样电路第二节检测单元和接口电路三、转速检测电路测速装置属于电机调速系统中的速度闭环。转速检测的精度和快速性对整个控制系统的静、动态指标影响极大。该装置使用每转1024线的脉冲发生器作为转速传感器，它产生的脉冲列频率与电机转速有固定的比例关系。微机对该频率按M/T法进行处理后，便可在较宽的速度范围内获得高精度和快速响应的数字测速值。1．M/T法测速原理该法是在对光电脉冲发生器输出的脉冲数1m进行计数的同时，对高频脉冲的2m也进行计数。1m反映转角（1024/3601m），2m反映测速时间，通过计算可得转速值n。其原理如图10所示：第二节检测单元和接口电路图10M/T测速法原理示意图第二节检测单元和接口电路其中，测速时间dT由脉冲发生器的脉冲来同步，即dT等于1m个脉冲周期。设从图上a点开始，计数器分别对1m和2m计数，到达b点时，预定的测速时间CT到，微机发出停止计数指令，但由于CT不一定恰好等于整数个脉冲发生器的脉冲周期，所以计数器仍对高频脉冲计数，直到c点时，才由脉冲发生器产生脉冲的上升沿使计数器停止。这样，2m就代表了1m个脉冲周期的时间。设高频脉冲的频率为f，脉冲发生器每发出P个脉冲，电机的转速n应计算为：21212160601mmkpmfmmTpmn（r/min）其中：pm1表示多少转；fmmT22表示所花时间；60表示分秒6011。第二节检测单元和接口电路在本系统中，由于f=2MHz，p=1024，所以转速计算式应为：215.117187mmn（r/min）在低速测量时，为了在短时内获得更高的精度，将光电脉冲发生器输出相位上互差90的两路矩形波经过4倍频处理（原理和边沿检测器同）后再送至8253。则：2112292974160mmpmmfn（r/min）其