双闭环直流数字调速系统

2016-10-23 09:35:11 | 117人围观 | 评论:

　　1. 确定整体方案
　　设计一个直流调速系统，首先应熟悉加工工艺要求，根据生产机械对调速系统所提出的拖动功率以及系统的静态、动态性能指标等要求，综合考虑各种因素，提出几种方案进行比较，最后选择确定一个合适的方案。这里，为重点讨论计算机控制系统设计的主要问题，直接设定为某生产机械的直流调速系统设计一个晶闸管供电的双闭环直流数字调速系统。整流装置采用三相全控桥式电路，且已知系统的动态性能及其主要参数。
　　本系统拟设计成采用计算机控制的全数字式直接数字控制系统。因此，要求计算机完成内环电流调节器运算、外环速度调节器运算以及完成晶闸管数字触发控制功能。
　　电流内环要获取电流反馈信号。在本例中采用交流电流互感器作为电流检测元件，检测到的交流电流信号，经整流、分压、滤波后，变成与负载电流成比例的0―5V的直流电压，再经A/D转换器将模拟电压转换成数字量，输入计算机。
　　速度外环要获取转速反馈信号。可采用测速发电机作为速度检测元件。测速发电机的输出电压经分压、滤波，再通过A/D转换器得到转速的数字量。这种方法的缺点是测速发电机本身存在死区和非线性以及转换、滤波电路带来的误差和时滞。因此，本例中采用主轴脉冲发生器（光电编码器）作为速度检测元件，通过计数器定时计数即可得到转速的数字信号。若选定每转产生Tn个脉冲的主轴脉冲发生器，则在转速为n(rpm)时，每秒产生Tn×n/60个脉冲。此时，若以60/Tn秒为间隔对脉冲进行计数，则计数量正好对应电动机每分钟的转速。
　　本系统拟由计算机来实现晶闸管数字触发功能。用数字触发器取代模拟触发器电路，不仅可以提高晶闸管触发的可靠性、灵活性，而且还为进一步提高触发精度和实现整个系统的多功能、智能化提供了必要的条件。
　　综上考虑，可画出本系统的组成粗框图如图1所示。
　　

　　　　　　　　　　　　　　图1 双闭环直流数字调速系统
　　2. 电流环、速度环数字控制器设计
　　数字控制器的设计既可以采用模拟化设计方法设计，也可以采用直接设计方法设计。这里采用模拟化设计方法对电流环、速度环数字控制器进行设计。
　　由于电流环调节器和速度环调节器均采用PI调节器，因此可以编制一个PI运算子程序，调用前将有关参数及偏差送入相应单元，则两个环可共用一个子程序。PI运算子程序流程图如图2所示。
　　

　　图2 PI运算子程序流程图
　　3. 晶闸管数字触发器设计
　　⑴ 数字触发器的任务与分类
　　晶闸管三相全控桥式整流电路及线电压曲线如图3（a）和图3（b）所示。t1～t6为自然换相点。取线电压u_cb从负半波到正半波的过零点（t1）作为同步基准点。根据波形图可分析出各晶闸管的触发时刻（对应于控制角α＝0°）及触发顺序如图4所示。
　　

　　　　　　　　图3 三相全控桥式整流电路及线电压曲线
　　

　　　　图4 晶闸管的触发时刻（α＝0°）及触发顺序
　　计算机对电流调节器的输出ｕ_ｋ进行计算，以同步基准点为参考点，算出晶闸管控制角α的大小，再通过定时器按触发角大小及图8.6的顺序，准确的给各个晶闸管发出触发脉冲，这就是数字触发器的任务。
　　目前，数字触发器主要分两类：绝对触发方式和相对触发方式。所谓绝对触发方式就是指触发脉冲形成的时刻都取绝于自然换相点（基准时刻点）。相对触发方式是以前一触发脉冲为基准来确定后一触发脉冲时刻的方法，用加长或缩短相邻两次触发脉冲之间的间距来改变控制角。在稳态时，这个间距等于60°，这个间距的瞬时减小或增加就相应地减小或增加控制角。但由于数字计数器的误差，会形成误差累积。另外，电网频率的波动等原因均会使控制角偏离要求值。因此，在相对触发方式下，电源电压的一个周期内，需要同步脉冲信号校正一次，以避免误差积累。
　　下面是用绝对触发方式设计数字触发器的一种方法。
　　⑵ 控制算法
　　触发角α是滞后自然换相点的角度。为了用一个定时器完成对触发角的定时，定时时间不能超过3.33ms。所以，需引进一个新的变量α′作为定时角度，其定义如下：
　　

　　其中α_min和α_mａx是触发角的最小值和最大值。
　　⑶ 建立α表
　　三相全控桥式整流电路输出电压Ｕｄ与控制角α之间的关系
　　

　　　　　（1）
　　其中E2为变压器二次侧相电压有效值。
　　若令触发整流环节成为一个放大系数为Ks的线性环节，即
　　

　　　　（2）
　　则有

　　　　（3）
　　其中

。
　　由此可见，若使ｃｏｓα与ｕ_ｋ之间成线性关系，即使α与ｕ_ｋ之间成为反余弦关系，就可使输出电压Uｄ与控制电压ｕ_ｋ之间保持线性关系。
　　给定一个ｕ_ｋ值，按公式可算出一个α。为满足快速实时控制要求，可离线算出ｕ_ｋ与α的所有对应值，列成表格存入内存，这个数据表就称为α表。这样，设定α表的首地址为基地址，以控制电压ｕ_ｋ为索引地址，二者相加即可得到某一控制电压ｕ_ｋ的α值。
　　⑷ 脉冲分配表
　　数字触发器要根据图4给出的触发顺序，顺次发出触发脉冲。为方便起见，建立一个脉冲分配表。当定时器定时的时间到时，定时器发出中断申请，在中断服务程序里从脉冲分配表中取出数据，由I/O口送出，经单稳态触发器形成宽度约1ms的脉冲，再经光电隔离、功率放大，最后通过脉冲变压器输出到晶闸管触发极。
　　4. 微型计算机选择
　　对给定的任务，选择何种机型合适，方案不是唯一的。这不仅有技术上的问题，还受一些客观条件的限制，但首先从技术上考虑，要能够满足控制系统所提出的控制要求。本系统要求微型计算机完成电流环和速度环的反馈信号采样、处理和控制算法计算，以及晶闸管的数字触发控制等功能。其中，电流环以及数字触发控制要求快速响应。可见，微型计算机所承担的任务相当繁重。下面简要介绍一种采用Intel8086微处理器构成的全数字式直流调速系统的控制方案，其原理框图5所示。
　　该系统主要由8086CPU、并行I/O接口8255A、可编程中断控制器8259、同步信号电路、A/D转换器，以及时钟电路、光电隔离器件等组成。
　　

　　图5 采用Intel8086微处理器构成的全数字式直流调速系统
　　5. 系统总体设计
　　系统总体设计的任务、内容、要求等在本章第一节已作了介绍。下面针对本系统进行分析和设计。
　　首先考虑电流环。电流反馈信号需经模拟量输入通道送入计算机。这一通道的主要组成部分是交流电流互感器、整流、分压和滤波电路及A/D转换器。考虑电流的检测精度，本系统选用12位A/D转换器，并通过8255A的B0～B7，C0～C3输入口送入计算机。
　　其次考虑速度环。速度反馈检测元件是每转产生1024个脉冲的主轴脉冲发生器，由前面可知，按T=60×1000/1024≈58.6ms为间隔对脉冲进行计数，则得到的计数值即代表电动机每分钟转数。
　　第三，考虑数字触发器。同步信号电路是数字触发器的核心部分，其原理框图如图6所示。从同步变压器取出同步信号ucb(图7a)，经过LM339比较器得到周期为20ms的方波信号（图7b）和同步脉冲（图7c）。为了与主电路电源的每个自然换相点同步，由周期为20ms的同步脉冲上升沿产生第一次IR3中断申请，CPU响应第一次IR3中断后，使8253#1产生周期为3.33ms的方波信号(图8.9d),这样就可以产生第二至第六次的IR3中断申请,并且每次IR3中断都能与主电路电源的每个自然换相点同步。
　　

　　　　　　　　　　　　图6 同步信号电路
　　为了减少8253#1的积累误差，在每次循环的第一次IR3中断后都要重新置入8253#1的时间常数。并且在第一次和第六次IR3中断后，置PC4和PC5为相应的状态以便继续循环。触发角α由IR3的上升沿启动8253#2定时，当定时结束时O2输出高电平，产生IR1中断申请，在IR1中断服务中，CPU通过8255A的A口输出相应的控制字，触发相应的晶闸管，同时启动8253#0定时。当8253#0定时结束时，产生IR2中断申请。在IR2中断服务中，CPU输出控制字00H，从而产生双窄脉冲。
　　

　　　　　　　　　　　　　图7 触发器的时序波形
　　最后，考虑CPU的时序安排。系统运行时，计算机要完成许多工作，但CPU在一个时刻只能执行某一种操作，因此，合理有效安排CPU时序是非常重要的。本系统采用五个中断IR1～IR5，中断级别为IR1<IR2<IR3<IR4<IR5。IR1为定时触发角的中断，稳态时3.3ms产生一次；IR2为产生双窄脉冲的中断，稳态时3.3ms产生一次；IR3为电流采样和电流环调节计算的中断，3.3ms产生一次；IR4为速度检测的中断，58.6ms产生一次；IR5为速度环调节计算的中断，10ms产生一次。
　　6. 系统硬件和软件设计
　　系统总体原理框图（图5）只是画出了系统硬件构成的简单框图，硬件设计要对这些框图逐个进行分析与设计，有的部分可能还要进行中间试验，最后画出详细的系统电气原理图。通常，硬件设计是在单板机或单片机的基础上，对照系统总体框图缺少部分加以扩充。本系统是在TP86A单板机基础上扩充的，所用的器件都是大家比较熟悉的通用器件。因此，根据系统总体原理框图画出电气原理图是不困难的，这里不再画出。
　　本系统的主要控制功能由中断服务程序完成，程序由汇编语言编写。主程序完成外围芯片设定和初始化、建立脉冲分配表及存储单元的设定任务；IR1中断程序完成启动IR2定时及输出控制字任务；IR2中断程序完成输出00H控制字任务；IR3中断程序完成电流采样、电流环调节计算及触发角α的计算；IR4中断程序完成速度检测任务；IR5中断程序完成速度环调节计算任务。
　　7. 系统调试
　　完成硬件和软件的分部安装、编制、调试之后，就要进行联调，联调要分步进行。数字触发器部分是比较独立的部分，可先单独调试通过，然后再和电流环、速度环联调。
　　联调是一项细致的工作。由于采样周期选择欠佳、参数估值误差等等原因，一般系统不能立即达到要求的动、静态品质指标，甚至系统是不稳定的。根据调试出现的现象对系统进行分析，仔细调整参数。在调试过程中，理论分析是需要的，但往往离不开试凑法，反复调试。调试首先要保证系统稳定，然后再保证动、静态特性，最后调至满足系统要求为止。

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