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1. 確定整體方案 設計一個直流調速系統，首先應熟悉加工工藝要求，根據生產機械對調速系統所提出的拖動功率以及系統的靜態、動態性能指標等要求，綜合考慮各種因素，提出幾種方案進行比較，最后選擇確定一個合適的方案。這里，為重點討論計算機控制系統設計的主要問題，直接設定為某生產機械的直流調速系統設計一個晶閘管供電的雙閉環直流數字調速系統。整流裝置采用三相全控橋式電路，且已知系統的動態性能及其主要參數。 本系統擬設計成采用計算機控制的全數字式直接數字控制系統。因此，要求計算機完成內環電流調節器運算、外環速度調節器運算以及完成晶閘管數字觸發控制功能。 電流內環要獲取電流反饋信號。在本例中采用交流電流互感器作為電流檢測元件，檢測到的交流電流信號，經整流、分壓、濾波后，變成與負載電流成比例的0—5V的直流電壓，再經A/D轉換器將模擬電壓轉換成數字量，輸入計算機。 速度外環要獲取轉速反饋信號�？刹捎脺y速發電機作為速度檢測元件。測速發電機的輸出電壓經分壓、濾波，再通過A/D轉換器得到轉速的數字量。這種方法的缺點是測速發電機本身存在死區和非線性以及轉換、濾波電路帶來的誤差和時滯。因此，本例中采用主軸脈沖發生器（光電編碼器）作為速度檢測元件，通過計數器定時計數即可得到轉速的數字信號。若選定每轉產生Tn個脈沖的主軸脈沖發生器，則在轉速為n(rpm)時，每秒產生Tn×n/60個脈沖。此時，若以60/Tn秒為間隔對脈沖進行計數，則計數量正好對應電動機每分鐘的轉速。 本系統擬由計算機來實現晶閘管數字觸發功能。用數字觸發器取代模擬觸發器電路，不僅可以提高晶閘管觸發的可靠性、靈活性，而且還為進一步提高觸發精度和實現整個系統的多功能、智能化提供了必要的條件。 綜上考慮，可畫出本系統的組成粗框圖如圖1所示。  圖1 雙閉環直流數字調速系統 2. 電流環、速度環數字控制器設計 數字控制器的設計既可以采用模擬化設計方法設計，也可以采用直接設計方法設計。這里采用模擬化設計方法對電流環、速度環數字控制器進行設計。 由于電流環調節器和速度環調節器均采用PI調節器，因此可以編制一個PI運算子程序，調用前將有關參數及偏差送入相應單元，則兩個環可共用一個子程序。PI運算子程序流程圖如圖2所示。  圖2 PI運算子程序流程圖 3. 晶閘管數字觸發器設計 �、� 數字觸發器的任務與分類 晶閘管三相全控橋式整流電路及線電壓曲線如圖3（a）和圖3（b）所示。t1～t6為自然換相點。取線電壓ucb從負半波到正半波的過零點（t1）作為同步基準點。根據波形圖可分析出各晶閘管的觸發時刻（對應于控制角α＝0°）及觸發順序如圖4所示。  圖3 三相全控橋式整流電路及線電壓曲線  圖4 晶閘管的觸發時刻（α＝0°）及觸發順序 計算機對電流調節器的輸出ｕｋ進行計算，以同步基準點為參考點，算出晶閘管控制角α的大小，再通過定時器按觸發角大小及圖8.6的順序，準確的給各個晶閘管發出觸發脈沖，這就是數字觸發器的任務。 目前，數字觸發器主要分兩類：絕對觸發方式和相對觸發方式。所謂絕對觸發方式就是指觸發脈沖形成的時刻都取絕于自然換相點（基準時刻點）。相對觸發方式是以前一觸發脈沖為基準來確定后一觸發脈沖時刻的方法，用加長或縮短相鄰兩次觸發脈沖之間的間距來改變控制角。在穩態時，這個間距等于60°，這個間距的瞬時減小或增加就相應地減小或增加控制角。但由于數字計數器的誤差，會形成誤差累積。另外，電網頻率的波動等原因均會使控制角偏離要求值。因此，在相對觸發方式下，電源電壓的一個周期內，需要同步脈沖信號校正一次，以避免誤差積累。 下面是用絕對觸發方式設計數字觸發器的一種方法。 �、� 控制算法 觸發角α是滯后自然換相點的角度。為了用一個定時器完成對觸發角的定時，定時時間不能超過3.33ms。所以，需引進一個新的變量α′作為定時角度，其定義如下：  其中αmin和αmａx是觸發角的最小值和最大值。 �、� 建立α表 三相全控橋式整流電路輸出電壓Ｕｄ與控制角α之間的關系  �。�1）其中E2為變壓器二次側相電壓有效值。 若令觸發整流環節成為一個放大系數為Ks的線性環節，即  �。�2） 則有  �。�3）其中  。由此可見，若使ｃｏｓα與ｕｋ之間成線性關系，即使α與ｕｋ之間成為反余弦關系，就可使輸出電壓Uｄ與控制電壓ｕｋ之間保持線性關系。 給定一個ｕｋ值，按公式可算出一個α。為滿足快速實時控制要求，可離線算出ｕｋ與α的所有對應值，列成表格存入內存，這個數據表就稱為α表。這樣，設定α表的首地址為基地址，以控制電壓ｕｋ為索引地址，二者相加即可得到某一控制電壓ｕｋ的α值。 �、� 脈沖分配表 數字觸發器要根據圖4給出的觸發順序，順次發出觸發脈沖。為方便起見，建立一個脈沖分配表。當定時器定時的時間到時，定時器發出中斷申請，在中斷服務程序里從脈沖分配表中取出數據，由I/O口送出，經單穩態觸發器形成寬度約1ms的脈沖，再經光電隔離、功率放大，最后通過脈沖變壓器輸出到晶閘管觸發極。 4. 微型計算機選擇 對給定的任務，選擇何種機型合適，方案不是唯一的。這不僅有技術上的問題，還受一些客觀條件的限制，但首先從技術上考慮，要能夠滿足控制系統所提出的控制要求。本系統要求微型計算機完成電流環和速度環的反饋信號采樣、處理和控制算法計算，以及晶閘管的數字觸發控制等功能。其中，電流環以及數字觸發控制要求快速響應�？梢�，微型計算機所承擔的任務相當繁重。下面簡要介紹一種采用Intel8086微處理器構成的全數字式直流調速系統的控制方案，其原理框圖5所示。 該系統主要由8086CPU、并行I/O接口8255A、可編程中斷控制器8259、同步信號電路、A/D轉換器，以及時鐘電路、光電隔離器件等組成。  圖5 采用Intel8086微處理器構成的全數字式直流調速系統 5. 系統總體設計 系統總體設計的任務、內容、要求等在本章第一節已作了介紹。下面針對本系統進行分析和設計。 首先考慮電流環。電流反饋信號需經模擬量輸入通道送入計算機。這一通道的主要組成部分是交流電流互感器、整流、分壓和濾波電路及A/D轉換器�？紤]電流的檢測精度，本系統選用12位A/D轉換器，并通過8255A的B0～B7，C0～C3輸入口送入計算機。 其次考慮速度環。速度反饋檢測元件是每轉產生1024個脈沖的主軸脈沖發生器，由前面可知，按T=60×1000/1024≈58.6ms為間隔對脈沖進行計數，則得到的計數值即代表電動機每分鐘轉數。 第三，考慮數字觸發器。同步信號電路是數字觸發器的核心部分，其原理框圖如圖6所示。從同步變壓器取出同步信號ucb(圖7a)，經過LM339比較器得到周期為20ms的方波信號（圖7b）和同步脈沖（圖7c）。為了與主電路電源的每個自然換相點同步，由周期為20ms的同步脈沖上升沿產生第一次IR3中斷申請，CPU響應第一次IR3中斷后，使8253#1產生周期為3.33ms的方波信號(圖8.9d),這樣就可以產生第二至第六次的IR3中斷申請,并且每次IR3中斷都能與主電路電源的每個自然換相點同步。  圖6 同步信號電路 為了減少8253#1的積累誤差，在每次循環的第一次IR3中斷后都要重新置入8253#1的時間常數。并且在第一次和第六次IR3中斷后，置PC4和PC5為相應的狀態以便繼續循環。觸發角α由IR3的上升沿啟動8253#2定時，當定時結束時O2輸出高電平，產生IR1中斷申請，在IR1中斷服務中，CPU通過8255A的A口輸出相應的控制字，觸發相應的晶閘管，同時啟動8253#0定時。當8253#0定時結束時，產生IR2中斷申請。在IR2中斷服務中，CPU輸出控制字00H，從而產生雙窄脈沖。  圖7 觸發器的時序波形 最后，考慮CPU的時序安排。系統運行時，計算機要完成許多工作，但CPU在一個時刻只能執行某一種操作，因此，合理有效安排CPU時序是非常重要的。本系統采用五個中斷IR1～IR5，中斷級別為IR1<IR2<IR3<IR4<IR5。IR1為定時觸發角的中斷，穩態時3.3ms產生一次；IR2為產生雙窄脈沖的中斷，穩態時3.3ms產生一次；IR3為電流采樣和電流環調節計算的中斷，3.3ms產生一次；IR4為速度檢測的中斷，58.6ms產生一次；IR5為速度環調節計算的中斷，10ms產生一次。 6. 系統硬件和軟件設計 系統總體原理框圖（圖5）只是畫出了系統硬件構成的簡單框圖，硬件設計要對這些框圖逐個進行分析與設計，有的部分可能還要進行中間試驗，最后畫出詳細的系統電氣原理圖。通常，硬件設計是在單板機或單片機的基礎上，對照系統總體框圖缺少部分加以擴充。本系統是在TP86A單板機基礎上擴充的，所用的器件都是大家比較熟悉的通用器件。因此，根據系統總體原理框圖畫出電氣原理圖是不困難的，這里不再畫出。 本系統的主要控制功能由中斷服務程序完成，程序由匯編語言編寫。主程序完成外圍芯片設定和初始化、建立脈沖分配表及存儲單元的設定任務；IR1中斷程序完成啟動IR2定時及輸出控制字任務；IR2中斷程序完成輸出00H控制字任務；IR3中斷程序完成電流采樣、電流環調節計算及觸發角α的計算；IR4中斷程序完成速度檢測任務；IR5中斷程序完成速度環調節計算任務。 7. 系統調試 完成硬件和軟件的分部安裝、編制、調試之后，就要進行聯調，聯調要分步進行。數字觸發器部分是比較獨立的部分，可先單獨調試通過，然后再和電流環、速度環聯調。 聯調是一項細致的工作。由于采樣周期選擇欠佳、參數估值誤差等等原因，一般系統不能立即達到要求的動、靜態品質指標，甚至系統是不穩定的。根據調試出現的現象對系統進行分析，仔細調整參數。在調試過程中，理論分析是需要的，但往往離不開試湊法，反復調試。調試首先要保證系統穩定，然后再保證動、靜態特性，最后調至滿足系統要求為止。 |
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GMT+8, 2021-12-6 20:44
