1. 確定整體方案
設(shè)計(jì)一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)，首先應(yīng)熟悉加工工藝要求，根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)所提出的拖動(dòng)功率以及系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)等要求，綜合考慮各種因素，提出幾種方案進(jìn)行比較，最后選擇確定一個(gè)合適的方案。這里，為重點(diǎn)討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要問題，直接設(shè)定為某生產(chǎn)機(jī)械的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)晶閘管供電的雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。整流裝置采用三相全控橋式電路，且已知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及其主要參數(shù)。
本系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)成采用計(jì)算機(jī)控制的全數(shù)字式直接數(shù)字控制系統(tǒng)。因此，要求計(jì)算機(jī)完成內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器運(yùn)算、外環(huán)速度調(diào)節(jié)器運(yùn)算以及完成晶閘管數(shù)字觸發(fā)控制功能。
電流內(nèi)環(huán)要獲取電流反饋信號(hào)。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(hào)，經(jīng)整流、分壓、濾波后，變成與負(fù)載電流成比例的0—5v的直流電壓，再經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入計(jì)算機(jī)。
速度外環(huán)要獲取轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。可采用測速發(fā)電機(jī)作為速度檢測元件。測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓經(jīng)分壓、濾波，再通過a/d轉(zhuǎn)換器得到轉(zhuǎn)速的數(shù)字量。這種方法的缺點(diǎn)是測速發(fā)電機(jī)本身存在死區(qū)和非線性以及轉(zhuǎn)換、濾波電路帶來的誤差和時(shí)滯。因此，本例中采用主軸脈沖發(fā)生器（光電編碼器）作為速度檢測元件，通過計(jì)數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)即可得到轉(zhuǎn)速的數(shù)字信號(hào)。若選定每轉(zhuǎn)產(chǎn)生tn個(gè)脈沖的主軸脈沖發(fā)生器，則在轉(zhuǎn)速為n(rpm)時(shí)，每秒產(chǎn)生tn×n/60個(gè)脈沖。此時(shí)，若以60/tn秒為間隔對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)量正好對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速。
本系統(tǒng)擬由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)晶閘管數(shù)字觸發(fā)功能。用數(shù)字觸發(fā)器取代模擬觸發(fā)器電路，不僅可以提高晶閘管觸發(fā)的可靠性、靈活性，而且還為進(jìn)一步提高觸發(fā)精度和實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)的組成粗框圖如圖1所示。
圖1 雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)
2. 電流環(huán)、速度環(huán)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)
數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)既可以采用模擬化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，也可以采用直接設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。這里采用模擬化設(shè)計(jì)方法對(duì)電流環(huán)、速度環(huán)數(shù)字控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。
由于電流環(huán)調(diào)節(jié)器和速度環(huán)調(diào)節(jié)器均采用pi調(diào)節(jié)器，因此可以編制一個(gè)pi運(yùn)算子程序，調(diào)用前將有關(guān)參數(shù)及偏差送入相應(yīng)單元，則兩個(gè)環(huán)可共用一個(gè)子程序。pi運(yùn)算子程序流程圖如圖2所示。
圖2 pi運(yùn)算子程序流程圖
3. 晶閘管數(shù)字觸發(fā)器設(shè)計(jì)
⑴ 數(shù)字觸發(fā)器的任務(wù)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(diǎn)。取線電壓ucb從負(fù)半波到正半波的過零點(diǎn)（t1）作為同步基準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)波形圖可分析出各晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻（對(duì)應(yīng)于控制角α＝0°）及觸發(fā)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(fā)時(shí)刻（α＝0°）及觸發(fā)順序
計(jì)算機(jī)對(duì)電流調(diào)節(jié)器的輸出ｕｋ進(jìn)行計(jì)算，以同步基準(zhǔn)點(diǎn)為參考點(diǎn)，算出晶閘管控制角α的大小，再通過定時(shí)器按觸發(fā)角大小及圖8.6的順序，準(zhǔn)確的給各個(gè)晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖，這就是數(shù)字觸發(fā)器的任務(wù)。
目前，數(shù)字觸發(fā)器主要分兩類：絕對(duì)觸發(fā)方式和相對(duì)觸發(fā)方式。所謂絕對(duì)觸發(fā)方式就是指觸發(fā)脈沖形成的時(shí)刻都取絕于自然換相點(diǎn)（基準(zhǔn)時(shí)刻點(diǎn)）。相對(duì)觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準(zhǔn)來確定后一觸發(fā)脈沖時(shí)刻的方法，用加長或縮短相鄰兩次觸發(fā)脈沖之間的間距來改變控制角。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，這個(gè)間距等于60°，這個(gè)間距的瞬時(shí)減小或增加就相應(yīng)地減小或增加控制角。但由于數(shù)字計(jì)數(shù)器的誤差，會(huì)形成誤差累積。另外，電網(wǎng)頻率的波動(dòng)等原因均會(huì)使控制角偏離要求值。因此，在相對(duì)觸發(fā)方式下，電源電壓的一個(gè)周期內(nèi)，需要同步脈沖信號(hào)校正一次，以避免誤差積累。
下面是用絕對(duì)觸發(fā)方式設(shè)計(jì)數(shù)字觸發(fā)器的一種方法。
⑵ 控制算法
觸發(fā)角α是滯后自然換相點(diǎn)的角度。為了用一個(gè)定時(shí)器完成對(duì)觸發(fā)角的定時(shí)，定時(shí)時(shí)間不能超過3.33ms。所以，需引進(jìn)一個(gè)新的變量α′作為定時(shí)角度，其定義如下：
其中αmin和αmａx是觸發(fā)角的最小值和最大值。
⑶ 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(guān)系
（1）
其中e2為變壓器二次側(cè)相電壓有效值。
若令觸發(fā)整流環(huán)節(jié)成為一個(gè)放大系數(shù)為ks的線性環(huán)節(jié)，即
（2）
則有 （3）
其中。
由此可見，若使ｃｏｓα與ｕｋ之間成線性關(guān)系，即使α與ｕｋ之間成為反余弦關(guān)系，就可使輸出電壓uｄ與控制電壓ｕｋ之間保持線性關(guān)系。
給定一個(gè)ｕｋ值，按公式可算出一個(gè)α。為滿足快速實(shí)時(shí)控制要求，可離線算出ｕｋ與α的所有對(duì)應(yīng)值，列成表格存入內(nèi)存，這個(gè)數(shù)據(jù)表就稱為α表。這樣，設(shè)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。
⑷ 脈沖分配表
數(shù)字觸發(fā)器要根據(jù)圖4給出的觸發(fā)順序，順次發(fā)出觸發(fā)脈沖。為方便起見，建立一個(gè)脈沖分配表。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)的時(shí)間到時(shí)，定時(shí)器發(fā)出中斷申請(qǐng)，在中斷服務(wù)程序里從脈沖分配表中取出數(shù)據(jù)，由i/o口送出，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成寬度約1ms的脈沖，再經(jīng)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(fā)極。
4. 微型計(jì)算機(jī)選擇
對(duì)給定的任務(wù)，選擇何種機(jī)型合適，方案不是唯一的。這不僅有技術(shù)上的問題，還受一些客觀條件的限制，但首先從技術(shù)上考慮，要能夠滿足控制系統(tǒng)所提出的控制要求。本系統(tǒng)要求微型計(jì)算機(jī)完成電流環(huán)和速度環(huán)的反饋信號(hào)采樣、處理和控制算法計(jì)算，以及晶閘管的數(shù)字觸發(fā)控制等功能。其中，電流環(huán)以及數(shù)字觸發(fā)控制要求快速響應(yīng)?？梢?，微型計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)相當(dāng)繁重。下面簡要介紹一種采用intel8086微處理器構(gòu)成的全數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方案，其原理框圖5所示。
該系統(tǒng)主要由8086cpu、并行i/o接口8255a、可編程中斷控制器8259、同步信號(hào)電路、a/d轉(zhuǎn)換器，以及時(shí)鐘電路、光電隔離器件等組成。
圖5 采用intel8086微處理器構(gòu)成的全數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)
5. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)、內(nèi)容、要求等在本章第一節(jié)已作了介紹。下面針對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。
首先考慮電流環(huán)。電流反饋信號(hào)需經(jīng)模擬量輸入通道送入計(jì)算機(jī)。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(zhuǎn)換器?？紤]電流的檢測精度，本系統(tǒng)選用12位a/d轉(zhuǎn)換器，并通過8255a的b0～b7，c0～c3輸入口送入計(jì)算機(jī)。
其次考慮速度環(huán)。速度反饋檢測元件是每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1024個(gè)脈沖的主軸脈沖發(fā)生器，由前面可知，按t=60×1000/1024≈58.6ms為間隔對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，則得到的計(jì)數(shù)值即代表電動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。
第三，考慮數(shù)字觸發(fā)器。同步信號(hào)電路是數(shù)字觸發(fā)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(hào)ucb(圖7a)，經(jīng)過lm339比較器得到周期為20ms的方波信號(hào)（圖7b）和同步脈沖（圖7c）。為了與主電路電源的每個(gè)自然換相點(diǎn)同步，由周期為20ms的同步脈沖上升沿產(chǎn)生第一次ir3中斷申請(qǐng)，cpu響應(yīng)第一次ir3中斷后，使8253#1產(chǎn)生周期為3.33ms的方波信號(hào)(圖8.9d),這樣就可以產(chǎn)生第二至第六次的ir3中斷申請(qǐng),并且每次ir3中斷都能與主電路電源的每個(gè)自然換相點(diǎn)同步。
圖6 同步信號(hào)電路
為了減少8253#1的積累誤差，在每次循環(huán)的第一次ir3中斷后都要重新置入8253#1的時(shí)間常數(shù)。并且在第一次和第六次ir3中斷后，置pc4和pc5為相應(yīng)的狀態(tài)以便繼續(xù)循環(huán)。觸發(fā)角α由ir3的上升沿啟動(dòng)8253#2定時(shí)，當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)o2輸出高電平，產(chǎn)生ir1中斷申請(qǐng)，在ir1中斷服務(wù)中，cpu通過8255a的a口輸出相應(yīng)的控制字，觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，同時(shí)啟動(dòng)8253#0定時(shí)。當(dāng)8253#0定時(shí)結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生ir2中斷申請(qǐng)。在ir2中斷服務(wù)中，cpu輸出控制字00h，從而產(chǎn)生雙窄脈沖。
圖7 觸發(fā)器的時(shí)序波形
最后，考慮cpu的時(shí)序安排。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)要完成許多工作，但cpu在一個(gè)時(shí)刻只能執(zhí)行某一種操作，因此，合理有效安排cpu時(shí)序是非常重要的。本系統(tǒng)采用五個(gè)中斷ir1～ir5，中斷級(jí)別為ir1<ir2<ir3<ir4<ir5。ir1為定時(shí)觸發(fā)角的中斷，穩(wěn)態(tài)時(shí)3.3ms產(chǎn)生一次；ir2為產(chǎn)生雙窄脈沖的中斷，穩(wěn)態(tài)時(shí)3.3ms產(chǎn)生一次；ir3為電流采樣和電流環(huán)調(diào)節(jié)計(jì)算的中斷，3.3ms產(chǎn)生一次；ir4為速度檢測的中斷，58.6ms產(chǎn)生一次；ir5為速度環(huán)調(diào)節(jié)計(jì)算的中斷，10ms產(chǎn)生一次。
6. 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體原理框圖（圖5）只是畫出了系統(tǒng)硬件構(gòu)成的簡單框圖，硬件設(shè)計(jì)要對(duì)這些框圖逐個(gè)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，有的部分可能還要進(jìn)行中間試驗(yàn)，最后畫出詳細(xì)的系統(tǒng)電氣原理圖。通常，硬件設(shè)計(jì)是在單板機(jī)或單片機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)照系統(tǒng)總體框圖缺少部分加以擴(kuò)充。本系統(tǒng)是在tp86a單板機(jī)基礎(chǔ)上擴(kuò)充的，所用的器件都是大家比較熟悉的通用器件。因此，根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)的主要控制功能由中斷服務(wù)程序完成，程序由匯編語言編寫。主程序完成外圍芯片設(shè)定和初始化、建立脈沖分配表及存儲(chǔ)單元的設(shè)定任務(wù)；ir1中斷程序完成啟動(dòng)ir2定時(shí)及輸出控制字任務(wù)；ir2中斷程序完成輸出00h控制字任務(wù)；ir3中斷程序完成電流采樣、電流環(huán)調(diào)節(jié)計(jì)算及觸發(fā)角α的計(jì)算；ir4中斷程序完成速度檢測任務(wù)；ir5中斷程序完成速度環(huán)調(diào)節(jié)計(jì)算任務(wù)。
7. 系統(tǒng)調(diào)試
完成硬件和軟件的分部安裝、編制、調(diào)試之后，就要進(jìn)行聯(lián)調(diào)，聯(lián)調(diào)要分步進(jìn)行。數(shù)字觸發(fā)器部分是比較獨(dú)立的部分，可先單獨(dú)調(diào)試通過，然后再和電流環(huán)、速度環(huán)聯(lián)調(diào)。
聯(lián)調(diào)是一項(xiàng)細(xì)致的工作。由于采樣周期選擇欠佳、參數(shù)估值誤差等等原因，一般系統(tǒng)不能立即達(dá)到要求的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)，甚至系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。根據(jù)調(diào)試出現(xiàn)的現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，仔細(xì)調(diào)整參數(shù)。在調(diào)試過程中，理論分析是需要的，但往往離不開試湊法，反復(fù)調(diào)試。調(diào)試首先要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，然后再保證動(dòng)、靜態(tài)特性，最后調(diào)至滿足系統(tǒng)要求為止。