1 概述
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、金属切削机床、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流调速系统，它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：结构简单、维修方便、动态参数调整方便、系统可靠性高、可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能、可采用数字反馈来提高系统的精度、具有信息存储和数据通信的功能以及成本低。
2 总体结构设计
2.1 调速方案的选择
本设计选用V-M系统。由于金属切削机的生产工艺要求机器在工作时应该平稳，因此直流电压脉动必须较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥供电方案。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案[1]。
2.2 总体结构设计
采用转速电流双闭环调速系统[2]，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。
综上所述，本系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。其硬件结构如图2-1所示。
图2-1 单片机控制的直流调速系统结构图
3 主电路的设计
3.1 整流变压器的设计
通过对变压器二次侧电压U2的计算、一次、二次相电流I1、I2的计算以及变压器容量的计算最后确定整流变压器的型号。
3.2 晶闸管元件的选择
经过计算晶闸管的额定电压和晶闸管的额定电流来确定晶闸管的型号。
3.3 直流调速系统的保护
晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压[3]、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。在电流保护中，快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器。
3.4 主电路及保护电路原理图
图3-1 主电路及保护电路原理图
4 控制电路的设计
4.1 单片机系统
对于快速性和控制精度要求不高的调速系统，可选用高性能8位单片机，本系统采用Inter的MCS-51中的80C31单片机[5]。
在本次设计的单片机系统中，80C31外接27128EPROM作为16K程序存储器，存放全部控制软件。用两片74LS374和四个PNP中功率三极管以动态扫描方式驱动四位LED数字，以显示转速、设定速度、电流等数据，两片74LS374采用线选法与80C31接口，地址分别为0DFFFH和0BFFFH。在80C31的P3口上外接三个按键，一个为启动/停止键，用于启动或停止电机运转；另两个为显示选择键，一个用于控制显示速度设定值，另一个用于控制显示电流值，不按这两个键时，显示实际电机转速。另外利用一片74LS374的多余输出线，外接两个LED发光管，一个用于显示工作正常与否，它每隔1秒闪亮一次；另一个用于显示是否处于运行状态。
4.2 电流测量和速度给定值输入
本系统使用ADC0808A/D转换器。写入该地址，启动A/D转换器。A/D转换完成，产生EOC脉冲和 中断。这时，MCU可读入转换结果。交流电流通过电流互感器变成0～5V电压信号，经整流和滤波后加到ADC0808的IN0上。速度给定采用电位器输入，它加到IN1上。在调整速度给定值时，可按下速度给定显示键。这时，四位LED上将显示对应于电位器输入的速度给定值，可调整电位器至显示值为所需的给定值。
4.3 速度测量
对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。本系统的速度测量采用数字M/T法测速[6]。其中利用T1作为定时器，计时Tc时间产生中断，旋转编码器输出的脉冲个数M1由P1.6口检测，同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2由P1.7口检测，最后由转速中断程序完成转速的测量等等。
4.4 晶闸管控制
晶闸管触发采用80C31的定时器T0实现。在T0溢出时，转到T0中断处理程序，按脉冲分配表从P1口（P1.0～P1.5）输出晶闸管触发脉冲。然后延时50μs，置位P1.0～P1.5，从而输出宽度为50μs的触发脉冲。同步校正由80C31的定时器T0和外部中断 实现
5 调节器的设计
5.1 电流调节器的设计
图5-1 单片机控制直流调速系统结构
由系统结构图可以容易的推导出电流反馈传递函数，其传函为：
采用二阶最佳[7]来设计电流调节器。令电流调节器传递函数为
根据二阶最佳工程设计方法设：
DLT(s)=K0 + K’/s
由上式PI调节器,可以导出离散化方程和差分方程:
离散化方程：
差分方程：Ck =Ck-1+(K1+K2)ek-K1ek-1
其中，K1 = K0-K,TLT
K2 = K,TLT
最后带入已知数据就可设计出电流调节器。
5.2 速度调节器的设计
在本次设计中按二次型性能指标最优控制[8]来设计速度调节器，首先求取速度环的状态方程，对于单输入系统，R为常数，选R=1，用计算机离线求出P阵，求出状态反馈阵为
K = R-1BTP
若考虑速度调节器采用PI调节器,并加入比例微分负反馈，可以推导出
从而推导出速度调节器的传递函数为
由上式可以导出离散化方程和差分方程
离散化方程：
差分方程：Ck =Ck-1+(K1+K2)ek-K1ek-1
其中，K1 = K0-K,TST
K2 = K,TST
6 系统软件设计
6.1 主程序设计
如图6-1所示的主程序流程图[9]，它完成主程序完成系统的各种功能初始化操作。
6.2 电流环中断服务程序的设计
它主要完成电机索零运算、电流调节器PI运算、轻载时电流自适应的运算。设系统电流断续临界值为I0，反馈电流采样值为I，则程序框图如图6-2所示。
6.3 速度环中断服务程序的设计
速度环计算子程序完成速度给定值输入、转速计算、偏差计算、PID计算、输出限幅等功能。程序框图略。
图6-1 主程序流程图
图6-2 电流环中断服务程序简化框图
7 结束语
本设计用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。用软件编程完成电流、转速等各项参数的计算，实现最优化调节。
图7-1 转速、电流仿真曲线
通过图7-1所示的MATLAB仿真[10]结果可以看出系统运行稳定，稳态无静差，电流超调量≤5%,控制效果比较理想。
参考文献：
[1]陈伯石.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2003.
[2]孙虎章.自动控制系统[M].北京：中央广播电视大学出版社,1984.
[3]王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2003.
[4]张明勋.电力电子设备和应用手册[M].北京：机械工业出版社,1992.
[5]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社,1996.
[6]潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社,2003.
[7]Bimal K Bose.Modern Power Electronics and AC Drives[M].北京：机械工业出版社,2003.
[8]余永权,汪明慧,黄英.单片机在控制系统中的应用[M].北京：电子工业出版社,2003.
[9]教育部高等教育司,北京市教育委员会.高等学校毕业设计（论文）指导手册[M].北京:高等教育出版社,经济日报出版社,1998.
[10]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2004.
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