基于單片機的邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)設計

1 引言
    生產(chǎn)中有許多機械要求既能正轉，又能反轉，而且常需要快速起動和制動，即需要可逆調速系統(tǒng)。由模擬電路實現(xiàn)的可逆調速系統(tǒng)，線路復雜，調整困難，可靠性低，缺乏靈活的控制。因此，這里給出一種基于單片機的邏輯無環(huán)流可逆調速控制系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)設計采用全數(shù)字電路，實現(xiàn)數(shù)字脈沖觸發(fā)、數(shù)字轉速給定檢測和數(shù)字PI算法等功能，由軟件實現(xiàn)轉速、電流調節(jié)及邏輯判斷和復雜運算，具有不同于一般模擬電路的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改靈活方便。

2 系統(tǒng)組成和控制原理
2．1 系統(tǒng)組成
    該數(shù)字邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)是由AT89C51單片機實現(xiàn)雙閉環(huán)控制、無環(huán)流邏輯控制、觸發(fā)脈沖的形成及相位控制，如圖1所示。圖1中，ASR為速度環(huán)，ACR為電流環(huán)，DLC為無環(huán)流邏輯控制器，GT為觸發(fā)脈沖，TA為電壓互感器，TG為測速發(fā)電機，M為直流電動機。主電路采用正組VF和反組VR兩組晶閘管裝置反并聯(lián)?？刂齐娐凡捎棉D速ASR和電流 ACR雙閉環(huán)系統(tǒng)。

2．2 控制原理
    數(shù)字無環(huán)流邏輯控制是根據(jù)速度調節(jié)器輸出值的正負來選擇正組或負組晶閘管，根據(jù)主電路的電流是否為零進行相應切換．并記憶工作組的工作狀態(tài)。通過轉矩極性檢測及零電流檢測做出相應邏輯判斷，釋放一組晶閘管，閉鎖另一組晶閘管。為此，在單片機中設置有2個存儲單元L1、L2，用于記憶正組晶閘管vF和反組晶閘管VR的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)硬件設計是以AT89C51單片機為核心，由程序存儲器EPROM、地址鎖存器、A/D轉換器、2個可編程計數(shù)器，計時器、脈沖擴寬、光電隔離、脈沖放大、過零檢測及波沿檢測等電路構成，如圖2所示。

3．1 觸發(fā)器
    主變壓器和同步變壓器均接為D／Y-11，對稱的三相交流同步電壓經(jīng)阻容移相后滯后30°。使其交流波形的過零點對準觸發(fā)延遲角α=0°處，其觸發(fā)脈沖只能在0°～180°之間產(chǎn)生。阻容移相后的三相交流電壓經(jīng)過零檢測器變成互差120°、寬 180°的三相方波，加在單片機的P1.0、P1.1和P1.2引腳，作為檢測到的電源狀態(tài)，并以此狀態(tài)作為脈沖分配依據(jù)，確定VR和VF的觸發(fā)順序。方波經(jīng)波沿檢測器輸出間隔為60°的負脈沖作為單片機的外部中斷請求信號。三相變壓器在每個周期產(chǎn)生6個中斷信號，在每次中斷服務程序中完成脈沖的形成、分配和移項控制。
3．2 PI調節(jié)器
    PI調節(jié)器的控制規(guī)律為：

  
式中，y(t)為PI調節(jié)器的輸出量；e(t)為PI調節(jié)器的輸入量；Kp為比例系數(shù)；T1為積分時間常數(shù)。
    對式(1)離散化后，可得第(k-1)和k次采樣時刻間的調節(jié)器輸出增量為△y(k)為：

    式中，△e=ek-ek-1;yk為PI調節(jié)器第k次輸出量；yk-1為PI調節(jié)器第(k-1)次輸出量；ek為第七次采樣時，給定量與反饋量之間的偏差；ek-1為第k-1次采樣時，給定量與反饋量之間的偏差；KI為積分系數(shù)，
    由式(5)求得差分方程為：

  
    式中，KI=Kp-K2，K2=TKI；yn為第n次的采樣輸出；△Un為第n次的采樣時輸入偏差。為了提高精度，PI運算采用雙字節(jié)。
3．3 無環(huán)流邏輯控制
    無環(huán)流邏輯控制是根據(jù)速度調節(jié)器輸出值的正負選擇VR和VF晶閘管，并由轉矩極性檢測做出相應邏輯判斷，釋放一組晶閘管，閉鎖另一組晶閘管，并記憶VF和VR晶閘管的工作狀態(tài)(0或1)，存儲在單片機存儲單元L1、L2。當釋放晶閘管時，L1、 L2存儲1；而封鎖晶閘管時，L1、L2中存儲0。將這些狀態(tài)信號送至單片機的P1.5和P1.6引腳控制觸發(fā)脈沖的釋放與閉鎖。

4 系統(tǒng)軟件設計
    用于控制電流和速度的軟件設計決定著調速裝置性能的好壞，要求單片機控制的邏輯無環(huán)流調速系統(tǒng)在幾個毫秒完成兩個閉環(huán)系統(tǒng)的信號采樣、數(shù)字濾波、PI運算和實時控制。其主程序流程如圖3所示。

    主程序中，等待中斷是一條踏步命令，由于電流內環(huán)響應速度快于速度外環(huán)的響應速度，為此，在定時中斷服務程序T0中，嵌套有外部中斷1的中斷請求。外部中斷1的中斷服務程序，先進行電流采樣，再根據(jù)電流的情況進行帶限幅的PI運算和數(shù)字觸發(fā)。系統(tǒng)通過定時器T0中斷服務程序，實現(xiàn)速度的采樣、濾波及無環(huán)流邏輯切換。

5 結論
    邏輯無環(huán)流可逆調速控制系統(tǒng)結果如圖4所示。由圖4可看出電動機電樞電流由所允許的最大值降至穩(wěn)態(tài)值的過程中變化迅速、平穩(wěn)。電動機從起動至穩(wěn)態(tài)的動態(tài)過程中無過沖電流和轉速超調，正反向切換過程平穩(wěn)，動態(tài)性能良好。研究表明，采用單片機控制的數(shù)字邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高，提高了調速系統(tǒng)的精度和控制性能，此外，還具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。