基于單片機(jī)的邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    生產(chǎn)中有許多機(jī)械要求既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常需要快速起動(dòng)和制動(dòng)，即需要可逆調(diào)速系統(tǒng)。由模擬電路實(shí)現(xiàn)的可逆調(diào)速系統(tǒng)，線路復(fù)雜，調(diào)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(jī)的邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖觸發(fā)、數(shù)字轉(zhuǎn)速給定檢測(cè)和數(shù)字PI算法等功能，由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)及邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，具有不同于一般模擬電路的最優(yōu)化、自適應(yīng)、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(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)是由AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制、無(wú)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(wú)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(cè)速發(fā)電機(jī)，M為直流電動(dòng)機(jī)。主電路采用正組VF和反組VR兩組晶閘管裝置反并聯(lián)。控制電路采用轉(zhuǎn)速ASR和電流 ACR雙閉環(huán)系統(tǒng)。

2．2 控制原理
    數(shù)字無(wú)環(huán)流邏輯控制是根據(jù)速度調(diào)節(jié)器輸出值的正負(fù)來(lái)選擇正組或負(fù)組晶閘管，根據(jù)主電路的電流是否為零進(jìn)行相應(yīng)切換．并記憶工作組的工作狀態(tài)。通過(guò)轉(zhuǎn)矩極性檢測(cè)及零電流檢測(cè)做出相應(yīng)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(jī)中設(shè)置有2個(gè)存儲(chǔ)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(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是以AT89C51單片機(jī)為核心，由程序存儲(chǔ)器EPROM、地址鎖存器、A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)可編程計(jì)數(shù)器，計(jì)時(shí)器、脈沖擴(kuò)寬、光電隔離、脈沖放大、過(guò)零檢測(cè)及波沿檢測(cè)等電路構(gòu)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(duì)稱(chēng)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(guò)零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)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(guò)零檢測(cè)器變成互差120°、寬 180°的三相方波，加在單片機(jī)的P1.0、P1.1和P1.2引腳，作為檢測(cè)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(cè)器輸出間隔為60°的負(fù)脈沖作為單片機(jī)的外部中斷請(qǐng)求信號(hào)。三相變壓器在每個(gè)周期產(chǎn)生6個(gè)中斷信號(hào)，在每次中斷服務(wù)程序中完成脈沖的形成、分配和移項(xiàng)控制。
3．2 PI調(diào)節(jié)器
    PI調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為：

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

    式中，△e=ek-ek-1;yk為PI調(diào)節(jié)器第k次輸出量；yk-1為PI調(diào)節(jié)器第(k-1)次輸出量；ek為第七次采樣時(shí)，給定量與反饋量之間的偏差；ek-1為第k-1次采樣時(shí)，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(shí)輸入偏差。為了提高精度，PI運(yùn)算采用雙字節(jié)。
3．3 無(wú)環(huán)流邏輯控制
    無(wú)環(huán)流邏輯控制是根據(jù)速度調(diào)節(jié)器輸出值的正負(fù)選擇VR和VF晶閘管，并由轉(zhuǎn)矩極性檢測(cè)做出相應(yīng)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(chǔ)在單片機(jī)存儲(chǔ)單元L1、L2。當(dāng)釋放晶閘管時(shí)，L1、 L2存儲(chǔ)1；而封鎖晶閘管時(shí)，L1、L2中存儲(chǔ)0。將這些狀態(tài)信號(hào)送至單片機(jī)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(shè)計(jì)
    用于控制電流和速度的軟件設(shè)計(jì)決定著調(diào)速裝置性能的好壞，要求單片機(jī)控制的邏輯無(wú)環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)在幾個(gè)毫秒完成兩個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的信號(hào)采樣、數(shù)字濾波、PI運(yùn)算和實(shí)時(shí)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(nèi)環(huán)響應(yīng)速度快于速度外環(huán)的響應(yīng)速度，為此，在定時(shí)中斷服務(wù)程序T0中，嵌套有外部中斷1的中斷請(qǐng)求。外部中斷1的中斷服務(wù)程序，先進(jìn)行電流采樣，再根據(jù)電流的情況進(jìn)行帶限幅的PI運(yùn)算和數(shù)字觸發(fā)。系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)速度的采樣、濾波及無(wú)環(huán)流邏輯切換。

5 結(jié)論
    邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)果如圖4所示。由圖4可看出電動(dòng)機(jī)電樞電流由所允許的最大值降至穩(wěn)態(tài)值的過(guò)程中變化迅速、平穩(wěn)。電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)至穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中無(wú)過(guò)沖電流和轉(zhuǎn)速超調(diào)，正反向切換過(guò)程平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能良好。研究表明，采用單片機(jī)控制的數(shù)字邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高，提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度和控制性能，此外，還具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。