CN102185555A - 一种数字化交流调压调速装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字化交流调压调速装置，包括电源电路输入信号接口电路、输出信号接口电路、脉冲触发电路、按键及菜单显示电路及单片机ATmega128和ATmega8，本发明基于目前市场及现场使用环境的要求，在原有模拟量调压调速系统的基础上开发全数字调压调速系统。其系统的基本功能如下：1)数字化控制可以提高系统的稳定性，避免由于放大器零飘及电位器震动造成参数的漂移。2)调试方便，可以通过人机界面用PC机直接输入参数，或通过控制面板快捷键进行参数设置，快捷操作，缩短调试时间。3)人机界面实时监控电机运行时的电流、电压、速度等工作状态。4)有故障自诊断和记忆监控功能，当故障发生时，通过控制板显示故障类型代码，方便查找故障。

Description

一种数字化交流调压调速装置

技术领域

本发明涉及一种交流调压调速装置，特别是涉及一种精度高，动态性能好，调速范围宽，电压波动小的数字化交流调压调速装置。

背景技术

90年代初在起重机电动机调速系统中，大量采用ABB公司生产的ASTAT9模拟量交流定子调压调速控制系统，及德国西门子公司生产的6RS系列模拟量交流定子调压调速控制系统。交流定子调压调速控制系统，是一个成熟的晶闸管相位起重机电动机控制系统。

它的控制方式采用模拟量控制方式，系统每个参数全部用电位器调节，信号显示采用发光二极管。系统采用外部速度环和内部电流环组成的双闭环系统，最大转矩可通过改变电流调节器的电流限幅值来实现，以避免我们所不希望的转矩冲击。电机平滑的加速和减速与内部斜坡发生器设定时间一致，可减少对机械冲击，延长部件使用寿命。该装置具有有级或无级控制功能，调速范围从5％～100％。由于是速度闭环系统，机械特性硬，速度平稳。该技术在全国各大钢厂被大量采用，市场需求量比较大。

但是，因为起重机使用环境比较恶劣，灰尘多，温度高，尤其震动很大，模拟量控制系统参数是由电位器设定，由于灰尘及震动原因长时间使用会出现参数设定飘移。由于模拟量元器件受温度影响发生漂移，系统参数需要经常调整。其速度反馈方式采用测试发电机和脉冲编码器，如使用脉冲编码器需要增加一个转换装置，增加了系统的故障点。发生故障后由于没有自诊断和监控记忆，查找故障会比较困难，在一定程度上影响生产。由于原系统没有设计防溜钩保护功能，在宝钢曾发生溜钩事故，给安全生产带来极大隐患。

进入21世纪后的今天，起重机控制进入计算机时代，需要通过使用现代计算机技术将起重机控制特性与综合信息数据处理相结合，实现和PLC的通讯。这是模拟量控制无法实现的。随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使调速控制的各种功能几乎均可通过微处理机，借助软件来实现。即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展，最后实现全数字化。

在数字化系统中，除具有常规的调速功能外，还具有故障报警，诊断及显示等功能，同时，数字系统通常具有较强的通信能力，通过选配适当的通信接口模板，可方便地实现主站(如上一级plc或计算机系统)和从站(单机交，直流传动控制装置)间的数字通信，组成分级多机的自动化系统。为易于调试，数字系统的软件，一般设计有调节器参数的自化优化，通过启动优化程序，实现自动寻优和确定系统的动态参数，以及实现如电动机磁化特性曲线的自动测试等，有利于缩短调试时间和提高控制性能。全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优点，技术更先进，操作方便。数字调速系统与模拟调速系统相对比，技术性能有如下优点：

(1)静态精度高，不受外部环境温度影响；

(2)动态性能好，借助于丰富的软件，易于实现各类自适应和复合控制；

(3)调速范围宽；

(4)电压波动小；

(5)参数实现软件化，无漂移影响；

(6)所用元件数量少，不易失效；

(7)设定值量化程度高，且状态重复率好；

(8)放大器和级间耦合噪声很小，电磁干扰小；

(9)调试即投产灵活方便，易于设计和修改设计；

(10)标准及通用化程度高，除主cpu模块外，仅数种附加模块；可实现，包括工艺参数在内的多元闭环控制；

(11)适用范围广，可实现各类变速控制及易于实现与单片机或plc系统通信。

数字化是调速系统自动化的基础，特别是当前网络技术在工业领域的普及与发展，就更加确定了数字控制的主导地位，由此，数字化将在未来的调速设备中得到大量应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种全数字化交流调压调速装置。模拟量调压调速装置有很多不便，现场调试中不方便且故障率高，长时间使用稳定性较差，参数容易发生漂移，发生故障以后处理困难。特别是在生产繁忙发生故障以后，由于处理时间较长影响生产，加大设备维护人员的工作量。开发全数字定子调压调速系统，可以提高系统的稳定性。现场调试方便。调试时，可以通过PC机把系统参数设置好，通过电脑通讯接口把参数输入到装置中。还可以通过控制板上的快捷操作键设定，使用方便，还可以通过人机界面实时监控电动机运行时的电流，电压，速度等重要参数，对电动机参数实时监控。建立故障自诊断和记忆监控系统，当发生故障时，通过控制板显示器显示故障类型代码，能够快速，方便查找故障，提高工作人员的工作效率，很快的找到毛病，同时还可以通过装置上的通讯板和PLC联动，用PLC来控制系统的个个参数及故障信息。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种数字化交流调压调速装置，其特征在于：所述装置包括电源电路输入信号接口电路、输出信号接口电路、脉冲触发电路、按键及菜单显示电路及单片机ATmega128和ATmega8，AC220V电源经过降压整流后，产生两路±24V电压分别给输入接口以及内部继电器供电，并通过A4、A5模块产生5V和±15V电压，分别给单片机和运算放大器模块供电，信号输入通道，模拟量的速度信号电压UA，通过运算放大器模块A1输入端经放大后，输入到单片机模块IC1经内部A/D转换成数字量，经过数据处理程序后，输出触发脉冲信号经达林顿模块A6放大后，经A9脉冲板触发可控硅模块U1，输出报闸控制逻辑，经功率驱动模块A11控制继电器K1动作，使机械报闸动作，输出转子回路切除电阻控制逻辑，经功率驱动模块A12控制继电器K2、K3动作，控制转子切电阻接触器闸动作，电流反馈信号通过电流互感器检测到电流信号，经AC/AC变换模块A7转换为电压信号，送到单片机IC1的输入端，经过内部A/D转换器转换成数字量信号，经过数据处理程序构成电流闭环系统，速度反馈信号共有三个通道：测速发电机反馈、脉冲编码器反馈、转子电压反馈，测速发电机反馈信号，通过DC/DC转换模块A10变换为0～±10V电压信号，送到单片机IC1的输入端，经过内部A/D转换器转换成数字量信号，经过数据处理程序构成速度闭环系统，脉冲编码器反馈脉冲信号，通过光耦模块A8隔离后，送到单片机IC2的输入端，经过数据处理程序产生速度实际值，通过单片机IC1和IC2之间的通讯，把信号传输到单片机IC2中，经过数据处理程序构成速度闭环系统，转子电压反馈信号，通过V/F变换转换成转子电压，送到单片机IC1的输入端，经过数据处理程序构成速度闭环系统。

其中，所述电源回路采用两路独立的DC24V供电，起到外部输入接口和内部隔离作用，本控制系统的供电电源，主要分为外部开关量输入部分DC24V1，和内部DC24V2作为继电器和脉冲触发部分的工作电压，外围芯片和接口电路需要的±15V，和单片机的+5V工作电压，A1模块采用AC220V输入，通过变压器降压、整流、滤波、输出两路独立的直流电源P24和PV24两路24V直流电源；其中PV24经过DC/DC变换模块A4输出5伏电压P5给单片机供电；P24经过DC/DC变换器模块A5，输出正15V电源P15和负15伏电源N15，给外围芯片接口电路供电。

其中，所述输入信号接口电路包括：开关量接口电路，模拟信号接口电路，ATmega128的模数转化电路，数字信号接口电路，所述开关量输入信号，主要有主令器给出的零位、停止、2个方向信号及3个速度档位信号，限位信号，过温、过载及抱闸的故障信号等接点信号；通过光电耦合模块A2，到微处理器模块IC1输入端进行信号处理，开关量输入的接点信号，通过X2∶1端子和发光二极管和限流电阻R9到光耦CNY17-2的输入端；当X2∶1端子为高电平时，发光二极管DS1点亮通过光电耦合三极管导通，发射极输出高电平作为单片机的输入信号；发光二极管DS1作为输入信号显示；由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力；又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力；所以它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比；在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性；光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高，为了提高光耦传输比，电阻R9的选择应保证光耦输入电流在10mA以上；这里利用光耦的隔离作用，为单片机提供可靠的输入信号；此信号为+5V的高电平，或0V的低电平。

其中，所述装置设计是采用速度闭环和电流闭环的双闭环调速系统，所述速度反馈方式采用脉冲编码器、测速发电机、转子频率反馈三种方式。

其中，所述模拟信号接口电路中采用和操作手柄同轴的电位器作为速度给定，输入电压0～±10相对于速度0～100％的额定速度，模拟量速度给定信号由A1模块输入，通过运算送到单片机内部的A/D转换器把模拟量变成数字量，通过CPU处理控制。

其中，所述按键及菜单显示电路中按键的键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下，按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保持高电平。当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平，按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O仍然保持高电平。

本发明的积极进步效果在于：基于目前市场及现场使用环境的要求，在原有模拟量调压调速系统的基础上开发全数字调压调速系统。其系统的基本功能如下：

1)数字化控制可以提高系统的稳定性，避免由于放大器零飘及电位器震动造成参数的漂移。

2)调试方便，可以通过人机界面用PC机直接输入参数，或通过控制面板快捷键进行参数设置，快捷操作，缩短调试时间。

3)人机界面实时监控电机运行时的电流、电压、速度等工作状态。

4)有故障自诊断和记忆监控功能，当故障发生时，通过控制板显示故障类型代码，方便查找故障。

本发明的主要的技术指标为：

1)调速范围：D＝20∶1(D为最大速度与最小速度的比值)

2)系统静差率：≤5％

3)电流环阶跃响应：≤100ms

4)速度环阶跃响应：≤500ms。

附图说明

图1是本发明的整体结构的硬件方框图。

图2是本发明的可控硅连接电路图。

图3a是本发明的交流异步电动机机械特性曲线图。

图3b是本发明的高转子电阻电机变压时的机械特性曲线图。

图4是本发明的ATmega128芯片的引脚图。

图5是本发明的AVR采用的HARVARD结构方框图。

图6是本发明的电源电路的原理图。

图7是本发明的开关量信号原理图。

图8是本发明的模拟信号电路图。

图9a是本发明的主回路电流检测电路图。

图9b是本发明电流反馈电路结构图。

图10a是本发明的速度检测电路图。

图10b是本发明的测速发电机速度反馈电路图。

图11是本发明的ADC分频器的结构示意图。

图12是本发明的ADC连续转化时序图。

图13是本发明的ADC模拟输入电路图。

图14是本发明的编码器反馈控制原理框图。

图15是本发明的编码器反馈控制接口电路图。

图16是本发明的编码器脉冲时序图。

图17是本发明脉冲触发电路中的同步电源电路。

图18是本发明脉冲触发的触发脉冲流程图。

图19是本发明同步信号与触发信号的波形图。

图20是本发明的脉冲调制电路图。

图21是本发明的输出电路接口电路图。

图22是本发明的按键及菜单显示电路图。

图23是本发明的I/O管等效原理图。

图24是本发明的按键程序流程图。

图25是本发明的主程序流程图。

图26是本发明的PID调解器方框图。

图27是本发明的速度电流双闭环程序图。

图28是本发明的INT中断程序流程图。

图29是本发明的IN0中断程序流程图。

图30是本发明的T1中断程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

1.总体设计方案

1.1系统功能

基于目前市场及现场使用环境的要求，在原有模拟量调压调速系统的基础上开发全数字调压调速系统。其系统的基本功能如下：

(1)数字化控制可以提高系统的稳定性，避免由于放大器零飘及电位器震动造成参数的漂移。

(2)调试方便，可以通过人机界面用PC机直接输入参数，或通过控制面板快捷键进行参数设置，快捷操作，缩短调试时间。

(3)人机界面实时监控电机运行时的电流、电压、速度等工作状态。

(4)有故障自诊断和记忆监控功能，当故障发生时，通过控制板显示故障类型代码，方便查找故障。

主要的技术指标为：

(1)调速范围：D＝20∶1(D为最大速度与最小速度的比值)

(2)系统静差率：≤5％

(3)电流环阶跃响应：≤100ms

(4)速度环阶跃响应：≤500ms

1.2系统总体设计

本次设计是在我公司原有模拟调压调速系统KJT-400基础上的一次数字化开发，系统硬件图如图1所示。其控制原理为通过改变电动机的定子电压，根据电机学原理，电动机的定子电压的平方和转矩成正比，控制装置通过改变可控硅的移相角来改变电动机的定子电压，实现调速目的。为了提高系统的机械特性硬度和限制电动机的起制动电流，实现匀加减速。系统设计采用双闭环控制系统，即外环为速度环，内环为电流环，通过软件实现。电源通过可控硅功率模块向电机提供能量，使电机产生转矩。控制器根据所需速度基准值，控制可控硅的移相角，改变电动机的定子电压，改变电动机的转矩。通过速度反馈装置如测速发电机、脉冲编码器等方式构成速度闭环系统，实现速度恒定。控制器控制可控硅功率模块的电压并通过控制接触器的通断来控制转子电阻的切换，进行转矩-转速特性的优化，以达到最优控制。电动机的反转是通过改变电动机的相序来实现。电动机的制动是通过反接制动来实现。

1.3系统主要难点

(1).建立新的数学模型

由于控制系统是由模拟量转化为数字量，所以要对自动控制系统的稳定性进行计算，把原系统中的电流调节器、速度调节器、斜坡发生器，各种保护功能等，转换成对应的数学模型，并通过算法用软件来实现。通过新建的数学模型来补充所需的数据量，以此来进行静态参数、动态响应、保护功能以及人机界面的分析提供数字基础。

(2).人机界面的研究

研究如何进行动态人机界面的开发，参数设定，电机参数监控，故障显示记忆等问题以及增强人机界面的灵活性和可监控性。

2.系统的组成：

2.1主回路

本设计主回路采用晶闸管双脉冲触发电路来控制电机，如图1中U1模块所示。实际连接电路如图2所示，用五对晶闸管反并联串接在每相绕组上。调压时用相位控制，当负载电流流通时，至少要有一相的正向晶闸管和另一组的反向晶闸管同时导通，所以正如三相桥式整流电路那样，要求各晶闸管的触发脉冲宽度都应大于60°，或者采用双脉冲触发。采用双脉冲触发电路，移相调压时，输出电压波形已不是正弦波，经分析可知，输出电压不含偶次谐波，奇次谐波中以三次谐波为主要成分。如果电机绕组不带零线，则三次谐波电动势虽然存在，却不会有三次谐波电流。由于电机绕组属感性负载，电流波形会比电压波形平滑些，但仍含有谐波，从而产生脉冲转矩和附加损耗等不良影响，这是晶闸管调压电路的缺点。当电机正反转运行时，除正转工作的晶闸管1-6外，尚须供给逆相序电源的晶闸管7-10，它们和1、4一起，来实现反转工作。这个电路还可以实现电机的反转制动和能耗制动。反转制动时，工作的晶闸管也就是上面所说的反转工作的六个器件。当需要进行能耗制动时，可以根据制动电路的形式选择某几个晶闸管不对称地工作，例如让1、2、6三个器件导通，其它器件都关断，就可使电机定子绕组中流过直流电流，面对旋转着的电机转子产生制动作用。

本设计所采用的可控硅是IXYS公司生产的单向可控硅模块，每个模块由两个可控硅组成。该产品主回路采用五个可控硅模块，实现了大功率半导体的高度集成，降低了电子电路回路设计的投入，且节省空间。

2.2交流电动机回路

本设计采用三相异步绕线式电动机，采用转差功率消耗型调速中的调压调速设计方法。其调压原理为：据异步电动机的机械特性方程式

$T=\frac{3p{U_1}^2{R}_2/S}{{\mathrm{\ω}}_1[{(R_1+R_2/S)}^2+{{\mathrm{\ω}}_1}^2{(L_{11}+L_{12})}^2]}$ 式(2-1)

式中p       -电动机的极对数；

U₁、ω₁ -电动机定子相电压和供电角频率；

S       -转差率；

R₁、R₂  -定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻；

L₁₁、L₁₂-定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感。

可见，当转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比，这就说明不同的定子电压，可以得到一组不同的人为机械特性，如图3a。带恒转矩负载T_L时，可得不同的稳定转速，如图3a中的A、B、C线。由于普通异步电动机工作段转差率s很小，为了能在恒转矩负载下扩大变压调速范围，须使电机在较低速下稳定运行而又不致过热，就要求电机转子绕组有较高的电阻值。图3b给出了高转子电阻电机变电压时的机械特性，显然在恒转矩负载下的变压调速范围增大了。而且在堵转转矩下工作也不致烧坏电机。因此本装置要求在电机带负载运行中，转子始终串接一段电阻，使电机在低速不过热、堵转时不烧坏电机。

2.3速度反馈回路

本装置设计是采用速度闭环和电流闭环的双闭环调速系统。速度反馈方式采用脉冲编码器、测速发电机、转子频率反馈三种方式。其中脉冲编码器和测速发电机反馈方式精度高，适用于要求精度高的场合。转子频率反馈方式应用简单，无需增加速度传感器，节约成本使用方便。其控制精度和性能比前两种方式差，可用在速度精度要求不高的场合，用户可根据实际需要选择。

2.3系统微处理器硬件芯片

系统CPU微处理器芯片，是采用美国Atmel公司生产的ATmega128单片机来实现，如图1中芯片IC1所示。其引脚排列如图4所示。ATmega128单片机为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，凭借先进的指令集以及单周期指令执行时间，其数据吞吐率高达1MIPS/MHz，可以缓解系统的功耗和处理速度之间的矛盾。AVR单片机内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐量。

ATmega128单片机内置：128KB的在系统可编程Flash程序存储器，具有在写的过程中还可以读的能力，即同时读写(RWW)；4KB的EEPROM；4KB的SRAM；53个通用I/O端口线；32个通用工作寄存器；实时时钟(RTC)；4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/c)；2个UJSART；面向字节的两线接口(TWI)；8通道10位ADC；可选的可编程增益；片内振荡器的可编程看门狗定时器；串行外围设备接口(SPI)；与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口，此接口同时还可以用于片上调试；6种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声一直模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式时振荡器工作，而其他部分睡眠，使器件消耗极小的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式，则允许振动器和异步定时器继续工作。器件是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的。片内ISP Flash可以通过SPI接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器。在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续进行，实现RWW操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega128为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。ATmega128AVR有整套的开发工具，包括C编译器，宏编译器，程序调试器、仿真器和评估板。测速发电机反馈回路A/D转换处理由ATmega128芯片内部A/D转换器处理。脉冲编码器的数据处理，由单片机ATmega8芯片实现。

2.4系统开发环境

2.4.1硬件开发环境

控制系统需要设计的硬件主要有：主控电路板、脉冲电路板、显示控制电路板。这里选用Protel 99作为硬件开发环境。

Protel是Protel Technology公司的产品。Protel 99是一个基于Windows平台的32位EDA设计系统，它具有丰富多样的编辑功能、强大便捷的自动化设计能力、完善有效的检测工具、灵活有序的设计管理手段，良好的开放性还使它可以兼容多种格式的设计文件。Protel 99还支持Windows平台上的所有输出外设，提供高分辨率的光绘文件，使用户可以轻松地控制电子线路设计全过程。

2.4.2软件开发环境

2.4.2.1AVR CPU内核介绍

为了得到最大程度的性能以及并行性，AVR采用了Harvard结构，结构的方框图如图5所示。

具有独立的数据和程序总线。程序存储器的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器为可以在线编程FLASH。快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器，而且都可以在一个时钟周期内访问。从而实现单时钟周期的ALU操作。在典型的ALU操作过程中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行相应的运算，结果再被送回寄存器文件。整个过程仅需要一个时钟周期。

寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接地址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16位的X，Y，Z寄存器。ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容将更新以反映操作结果。

程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16位或32位的指令。

程序存储分为两个空区，引导程序区和应用程序区，这两个区都有专门的所定位以实现读和读/写保护。用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。

在中断和调用子程序时返回地址程序计数器(PC)保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，故此其深度仅受限于SRAM的大小。在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O空间，可以进行读写访问。数据SRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。

AVR存储器空间为线性的平面结构。

AVR具有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O状态寄存器里有全局中断使能位。在程序存储器起始处有一个中断向量表，每一个中断在此都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。

I/O存储器空间包含64个可以直接寻址的地址。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址$20_$5F。此外，ATmega128在SRAM里还有扩展的I/O空间，

2.4.2.2ICCAVR的特点：

由于系统控制电路的主要芯片为ATmega128，所以控制系统的软件开发环境为ICCAVR。

自ATMEL公司的AT90系列单片机诞生以来有很多第三方厂商为AT90系列开发了用于程序开发的C语言工具，ICCAVR就是ATMEL公司推荐的第三方C编译器之一。ICCAVR是一种符合ANSI标准的C语言来开发MCU程序的一个工具，功能合适、使用方便、技术支持好，它主要有以下几个特点：

1).ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境(IDE)；

2).源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成，错误显示在状态窗口中，并且当你点击编译错误时，光标自动跳转到错误的那一行；

3).工程管理器还能直接生成可以直接使用的INTEL HEX格式文件，该格式的文件可被大多数编程器所支持，用于下载到芯片中；

4).ICCAVR是一个32位的程序支持长文件名。

C语言是一种结构化的语言，可产生紧凑的代码，与汇编语言相比，有如下优点：

①对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对存储器结构有初步了解；

②寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理；

③程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化；

④具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；

⑤关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用；

⑥编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率；

⑦提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；

⑧已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。

3.系统硬件设计与实现

3.1控制系统的组成

控制系统主要由电源电路、输入信号接口电路、输出信号接口电路、脉冲触发电路、按键及菜单显示电路及单片机ATmega128和ATmega8等组成。输入信号有开关量信号、模拟量信号和速度反馈的数字信号等；输出信号主要是控制接触器切换电阻及综合故障报警；由单片机发出的脉冲控制可控硅的输出；在按键及菜单显示电路板上可以对系统的参数进行设置，并通过故障显示代码显示故障信息。控制系统原理框图见图1所示。

3.2.1电源电路设计

为了保证装置具有良好的抗干扰能力提高系统的稳定性，电源回路采用两路独立的DC24V供电，起到外部输入接口和内部隔离作用。本控制系统的供电电源，主要分为外部开关量输入部分DC24V1，和内部DC24V2作为继电器和脉冲触发部分的的工作电压，外围芯片和接口电路需要的±15V，和单片机的+5V工作电压。电源电路的原理框图如图1所示，图中A1模块采用AC220V输入，通过变压器降压、整流、滤波、输出两路独立的直流电源P24和PV24两路24V直流电源。其中PV24经过DC/DC变换模块A4输出5伏电压P5给单片机供电。P24经过DC/DC变换器模块A5，输出正15V电源P15和负15伏电源N15，给外围芯片接口电路供电。电源电路的原理图如图6所示。

电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压，整流桥将交流电压变换成脉动的直流电压，经过电容滤波，在经过模块电源变换，得到需要的电路工作电压。

3.2.2输入信号接口电路设计

3.2.2.1开关量接口电路设计

开关量输入信号，主要有主令器给出的零位、停止、2个方向信号及3个速度档位信号，限位信号，过温、过载及抱闸的故障信号等接点信号；通过光电耦合模块A2，到微处理器模块IC1输入端进行信号处理，电路框图如图1所示。电路原理图如图7所示。

开关量输入的接点信号，通过X2∶1端子和发光二极管和限流电阻R9到光耦CNY17-2的输入端。当X2∶1端子为高电平时，发光二极管DS1点亮通过光电耦合三极管导通，发射极输出高电平作为单片机的输入信号。发光二极管DS1作为输入信号显示。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高，为了提高光耦传输比，电阻R9的选择应保证光耦输入电流在10mA以上。

所以，这里利用光耦的隔离作用，为单片机提供可靠的输入信号。此信号为+5V的高电平，或0V的低电平。

3.2.2.2模拟信号接口电路设计

1.模拟速度给定电路

模拟速度给定即无级调速，采用和操作手柄同轴的电位器作为速度给定，输入电压0～±10相对于速度0～100％的额定速度。模拟量速度给定信号由A1模块输入，通过运算送到单片机内部的的A/D转换器把模拟量变成数字量，通过CPU处理控制。见图1系统框图所示。本系统共设计有有三个连续给定输入端可以用来连接外部给定信号，所有输入端都可以用±10V电压输入。接口电路图如图8所示：

模拟速度给定输入的±10V电压信号，经过跟随器U26B放大器作用后，和跟随器U26A产生的2.5V标准电压，同时送到加法器U26D运算后得到0～2.5V的电压信号，输入到单片机内，在单片机内进行A/D转换。

2.电流反馈电路设计

电流反馈回路主要提供电流调节器的电流反馈值，构成电流环，提供过电流保护，该值送到单片机，通过软件处理，原理如图9(a)所示，通过电流互感器副边电阻T1、T2，检测主回路电流实际值，通过R1、R2电阻取得压降u1、u2，输入到放大器进行处理，如图9(b)所示，放大器U19C检测L1相电流，放大器U19A检测L3相电流，通过放大器U19B和U19B进行叠加，输出电流反馈值到单片机。

因为单片机ATmega128中的ADC的参考电压源REF为2.56V，所以I-back，要小于这个电压值，因为电机在启动时，启动电流会达到额定电流的2倍左右，所以在确定反馈电阻时应考虑起动电流的大小。电流互感器的变比设计为当系统达到额定电流时，互感器副边电流为1A，取样电阻R1、R2选1欧，则u1、u2为1V。计算进入单片机的值如下：

$I-\mathrm{back}=(\frac{8.2K}{10K}*1V)*(1K+\frac{1K}{2K})$ 式(3-1)

$=1.23V$

3.速度反馈电路设计

本装置速度反馈方式分为测速发电机速度反馈、脉冲编码器速度反馈、转子频率反馈三种形式。本节主要叙述采用测速发电机作为速度检测元件的输入电路。常用的测速发电机其转速为1000RPM时，输出电压100V或60V，因此需要加衰减电路。该电路设计采用电阻分压的方式获得速度反馈电压，输入电路框图如图1所示。测速发电机所检测的电压经衰减模块A10，输入到单片机模块IC1进行A/D转换。实际电路如图10(a)所示。根据测速发电机输出电压不同及驱动电机的转数的不同，通过微处理器控制电子开关来短接调节板上的电阻以获得的测速发电机的反馈信号。对于100V/1000转的测速发电机，4极电机时不短接；6极电机短接R74与R61；8极电机短接R74、R61和R54；10级电机短接R74、R61、R54和R46。对于60V/1000转的测速发电机，4极短接R74与R61，6极短接R74、R61和R54，8极短接R74、R61、R54和R46。

从而获得-12V≤Ui≤+12V，Ui先进入跟随器中，再与给定的2.5V，进行信号叠加。在经过反相比例运放电路获得反馈速度speadback。原理图如图10(b)所示，运算公式为：

$\mathrm{speedback}=-\frac{10K}{10K}[(-\frac{2.5K}{5K})*2.5V+(-\frac{2.5K}{24K})*\mathrm{Ui}]$ 式(3-2)

由此可以得到0～2.5V的输入信号。

4.转子电压反馈

根据交流异步电动机原理，电动机的转子电压和转子频率成正比，和电动机转速成反比。通过转子电压信号取样作为速度反馈信号，可以实现和测速发电机相同的功能。该控制方式精度、性能比测速发电机和脉冲编码器反馈方式略差点，可用在控制精度要求不高的场合。用户可根据实际情况选用。控制原理如图1所示，从电动机转子取出两相电压，经f/v频压转换模块处理后，变换成和转速成正比的电压信号，送到单片机模块工C1进行处理。

3.2.2.3ATmega128的模数转化的实现

由编码器和测速发电机而来的信号是0～2.5V的电压信号，我们知道，单片机需要处理的是0或1的数字信号，所以在单片机对连续输入的速度反馈进行处理前，要对输入的模拟信号进行数字转化。

ADC模拟/数字转化过程主要包括两部分，首先要对欲转换的数据进行取样与保存，然后再将采集到的数据加以量化。如此就完成了数据的转化。其中采样的目的在于将原始数据一一采集，因此采样率越高则讯号越不易失真，亦即分辨率越高，量化的目的则是在于将取样所获得的数据以0与1的组合予以编码，同样的量化的位数越高则分辨率越高。

(1)ADC转化

ATmega128有一个10位的逐次逼近行ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V(GND)为准。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB。通过ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC或内部2.56V的参考电压练级到AREF引脚。在AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。

(2)欲分频和转化时序

在默认条件下，逐次逼近电路需要一个从50KHZ到200KHZ的输入时钟以获得最大精度。如果所需的转换精度低于10比特，那么输入时钟频率可以高于200KHZ，以达到更高的采样率。ADC模块包括一个预分频器，它可以由任何超过100HZ的CPU时钟来产生可接受的ADC时钟。分频器如图11所示。

正常转换需要13个ADC时钟周期。为了初始化模拟电路，ADC使能后的第一次转换需要25个ADC时钟周期。在普通的ADC转换过程中，采样保持在转换启动之后的1.5个时钟开始，而第一次ADC转换的采样保持则发生在转换启动后的13.5个ADC时钟。转换结束后，ADC结果被送入ADC数据寄存器。在连续转换模式下，当ADSC为1时，只要转换一结束，下一次转换马上开始。转换时序图如图12所示。

(3)ADC模拟输入通道

单端通道的模拟输入电路如图13所示，不论是否用作ADC的输入通道，输入到ADCn的模拟信号都受到引脚电容及输入泄露的影响。用作ADC的输入通道时，模拟信号源必须通过串联电阻(输入通道的组合电阻)驱动采样保持(S/H)电容。ADC针对那些输出阻抗接近于10KΩ或更小的模拟信号做了优化。对于这样的信号采样时间可以忽略不计。若信号具有更高的阻抗，那么采样时间就取决于对S/H电容充电的时间。这个时间可能变化很大。

(4)ADC的精度定义及误差

一个n位的单端ADC将GND与VREF之间的线性电压转换成2ⁿ个(1LSB)不同的数字量。最小的转化码为0，最大的转化码为2ⁿ-1。单次转换的结果如下：

$\mathrm{ADC}=\frac{V_{\mathrm{IN}}\·1024}{V_{\mathrm{REF}}}$ 式(3-3)

式中，V_IN为被选中引脚的输入电压，V_REF为参考电压。

量化误差：由于输入电压被量化成有限位的数码，某个范围的输入电压(1LSB)被转换相同的数码，量化误差总是为±0.5LSB。

绝对精度：所有实际转换(未经调整)与理论转换之间的最大偏差。由偏移、增益误差、差分误差、非线性及量化误差构成，理想值为±0.5LSB。

3.2.2.4数字信号接口电路

实现速度反馈的方式及手段，对系统的稳态误差和动态响应性能都有很大的影响，对于一个高精度的的控制系统，要求能在较大速度范围内实现高分辨率稳定而准确的速度反馈。传统的模拟量作为速度反馈参数的系统，由于受非线性、温度变化和元件老化等因素的影响，很难满足控制过程中的快速性和准确性的要求。编码器，是以数字量完成反馈的器件。它可以与微机直接接口。如图1.1框图所示，和电动机同轴的脉冲编码器IG，在电机旋转时所产生的脉冲通过光电耦合模块A8到单片机模块IC1输入端处理。

采用光电编码器完成反馈控制的原理图框图如图14所示，

1.编码器的测速原理

光电编码器与电机主轴直接连接，从而使编码器与电机主轴完全一致。其工作原理是，光电编码器随电机旋转，产生与转速成正比两相(A相、B相)相差90。相位角的正交编码脉冲。如果A相编码脉冲比B相编码脉冲超前，则光电编码器正转，否则为反转。A相用来测量脉冲个数，B相与A相配合测量出旋转方向，由此可测出电机转速与转向。光电编码器在低速时输出脉冲数较少，按一般的方法应用很难保证精确性。为了提高测量精度和分辨率，除选用高分辨率的编码器外，还可以将编码器的输出进行多倍频细分，再由计数器对产生的多倍频脉冲信号进行计数。通过测量时间T和在T内计数器对被测脉冲信号的计数值M。计算后就可以确定电机的转速。速度给定数据由主控计算机送来，与实测的转速数据相比较，控制系统根据比较结果输出控制参数，完成速度反馈的闭环控制。

2.常用的测速方法

常用的测速方法有3种：分别为T法、M法和M/T法。T法是通过计量编码器两个相脉冲的时间间隔来确定转速，该方法在转速高时准确性较差，一般适用于速度比较低的场合：M法是通过测量一段固定时间内编码器的脉冲数来确定转速，适合高速场合；而M/T法则是前两种方法的结合，在整个速度范围内都有较好的准确性。但在低速时为保证结果的准确性，该方法需要较长的检测时间，这样就无法满足转速检测系统的快速动态响应指标，因而又出现了变M/T测速法，变M/T测速法的原理图如图16所示，

所谓变M/T法，是指测速过程中，既检测光电编码器计数脉冲M_d，还同时检测高频时钟脉冲M_t，检测时间T始终等于M_d个脉冲信号周期之和。M_d个数可预置，但显然检测时间T不是固定的，T随着转速的升高而减少。变M/T法测量原理如图所示，其中测量时间T由高频时钟脉冲计取，即T＝M_t×T₀，M_t为高频时钟脉冲计数值，T₀为高频时钟周期。设电机每转发出D个光电编码脉冲，则对应的转角为θ＝2πM_d/D，由此可以得到变M/T法的电机每分钟转速测量值计算公式N＝60θ/2πT＝60M_d/DM_tT₀。

据此计算出电机的实时转速。随着电机转速的升高，检测时间T相应变短。转速测量的实时性也随着提高。用变M/T法实现的转速测量能够满足控制系统对转速测量的精度和实时性的要求。

由分立器件构成的变M/T法测量电路存在着电路结构复杂的缺点，除电阻、电容外，还需要多片门电路、触发器、外围芯片等，器件多，功耗大。易受外界噪声的干扰，可靠性差，本系统采用ATMega8为核心完成光电编码器速度反馈的信号处理，简化了电路的设计。然后将处理后的数据与ATMega128通过串口进行信号通讯。

3.2.3脉冲触发电路设计

3.2.3.1同步电源电路

同步变压器是在晶闸管(既俗称的可控硅)触发电路中起同步触发和触发电路电源作用的变压器，同步变压器和晶闸管主电路接同一交流电源，可以实现触发电路产生的触发脉冲与主电路同步。同步电源的电路图如图17所示。

L1-L2和L3-L2是从同步变压器获得的正弦波电压，当信号的正半周经过比较器LM148J后，输出电压为+15V，三极管导通，再经过分压电阻后得到约+5V电压，当信号的负半周经过比较器LM148J后，输出电压为0V，三极管是截止的。分压后的电压进入施密特触发器MC14106整形。在数字电路中，正常脉冲信号常会受到电网上其它负载频繁启动而产生干扰信号的影响，经过施密特触发器后，即可获得无干扰的脉冲信号输出，只要施密特触发器的回差电压大于干扰信号的幅度即可。这样输入的正弦波电压就转换成了0-5V的方波电压，输入到单片机中。在工频为50HZ时，电源1个周期理论上应为：T＝1/50＝0.02S＝20ms。因此，系统初始化时T＝20ms。实际应用时由于电网负荷的变化，经常出现周期不严格等于20ms的情况。如果不相应调整T值的话，就会产生触发误差。定义16位的定时器T1工作在系统时钟频率的1/8(即1μs，最大计时为65.5ms)，用计数器1计时两个下降沿之间的时间就是周期T。这样就消除了电网频率不稳定造成的触发误差。

3.2.4.2触发脉冲的形成

ATmega128有3个外部中断，不需要扩展中断就可以做到三个同步信号的获取。定义单片机的中断为下降沿有效，中断一来，延时指定的时间t后就在指定的I/O口输出一个高电平，经过1ms输出低电平。流程见图18各相中断信号互为独立。图19所示为同步信号和触发信号的波形。

触发角a与延时时间的关系：设工频电源1个周期T，理论上应为20ms，但是，由于电网负荷的变化，经常出现周期不严格等于20ms的情况，延时时间t与触发角的关系为：

式(3-4)

可见，电网的频率变化时，要输出a的触发角，延时时间也要相应调整。单片机测量各个周波的周期作为这个周波的周期，从上式也可以看出当电网电压稳定时，延时的时间与触发角成正比的关系。

3.2.4.3触发脉冲的调制电路

为了减小脉冲变压器的初级电流，提高其传输能力，降低损耗，脉冲输出采用50KHZ的调制脉冲，脉冲变压器采用铁氧体磁芯，提高作用率。由单片机给出的触发脉冲+L1和-L1、+L2和-L2、+L3和-L3及调制脉冲M_PULSE经脉冲调制电路作用后根据程序的设定，作用对应的可控硅的导通。调制电路如图20所示。

3.2.4输出信号接口电路设计

输出信号的作用是在控制外部转子接触器，当控制器发出速度指令时，就切换相应的转子电阻，来控制电机的转速，输出信号还包括抱闸释放接触器和综合故障报警接触器。控制原理框图如图1所示，单片机IC1输出分别控制达林顿模块A11驱动报闸继电器K1，控制报闸的开合。达林顿模块A12驱动转子切电阻继电器K2和K3，控制转子电阻R1的切换。达林顿驱动电路原理图如图21所示：

ULQ2003为达林顿管，又称复合管。它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。这等效于三极管的放大倍数是二者之积。在这个电路中，用来驱动输出继电器和指示二极管。

3.2.5按键及菜单显示电路设计

这部分电路的主要功能是实现参数的设定及故障显示等。按键采用的是独立键盘的链接方法。每个键直接连到到单片机ATmega128的一个I/O口上，本设计有五个按键其功能分别为S1为复位键，S2为上升键，S3为下降键，S4为确定键，S5为退出键。并采用LCD128-64作为菜单显示器。12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。电路原理图如图22所示。

3.2.5.1独立式键盘的实现方法

独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保持高电平。当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O的电平状态就可以了解是否有键按动作了。

ATmega128的I/O端口作为通用数字I/O使用时，所有AVRI/O端口都是具有真正的读-修改-写功能。这意味着用SBI或CBI指令改写某些管脚的方向(或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻)时不会无意地改变其他管脚的方向(或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻)。输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动LED。所有的端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻。并有保护二极管与VCC和地相连。如图23所示。

ATmega128的每个I/O端口引脚都具有三个寄存器，分别为DDxn、PORTxn、PINxn，其中以DDxn来选择引脚的方向。下表给出了管脚的配置说明

表1管脚配置说明

不论如何配置DDxn，都可以通过读取PINxn寄存器来获得引脚电平。

此处C代码可编程为：

3.2.5.2键盘的去抖动问题：

在此部分电路的设计过程中的一个关键问题就是按键的去抖动问题。抖动指的是机械的抖动。当键盘在未按到按下时的临界区产生的电平不稳定现象。这不是我们在按键时通过注意就可以避免的。这种抖动一般在10-200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于时钟是微秒级的单片机而言影响很大。为了提高系统的稳定性，必须去除或避开这个时间。目前的技术有硬件去抖动和软件去抖动，硬件区抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，但是实现的难度较大又会提高成本。软件区抖动不是去掉抖动，而是避开抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。这里我们只研究软件去抖动，实现方法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时10-200毫秒以避开抖动，延时结束后再读一次I/O的值，这一次的值如果为1表示低电平的时间不到10-200毫秒，视为干扰信号。当读出的值时0时则表示有键按下，调用相应的处理程序。

4.软件部分设计

4.1系统主程序设计

主程序完成系统的各种功能初始化操作，包括ATmega128的片内I/O寄存器、各种状态和标志位、各个控制数据等的初始化，然后循环定时执行速度环和电流环的计算，并完成键盘输入、显示扫描等各种功能。主程序的流程图如图25所示。

要使电机的转速稳定在某一预定的转速，需要随时监测(采样)电机的转速并与预定值(设定值)相比较，根据比较的结果来不断调整电机的转速，使之尽量接近设定值，这一过程称为闭环反馈控制。其控制方法称为控制算法，控制算法多种多样，典型的的控制算法是PID控制。PID控制有连续PID控制和数字PID控制，前者由模拟电子电路构成，不含智能元件(单片机)，后者以微计算机为核心构成，本设计，直接采用AVR单片机由软件产生脉冲调制信号，经过PID算法来实现闭环控制。

4.2数字PID调节器程序设计

在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。

ATmega128的PID控制器，包括一个完成算术和逻辑功能的ALU，以及一个存储状态变量和有关系数的存储器。其端口如下：RESET端口为复位端口，当RESET为高电平时，PID控制器复位，FSIGNIN为输入设定转速，HOSTINTERRUPT为主机请求信号，当此信号为“1”时，PID开始计算，为“0”时停止输出结果。PID控制器运行时，电机转动时HOSTINTERRUPT信号发生变化时进行采样，然后与给定转速比较，得到转速偏差，在设计中采用模块化设计。

模拟PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。系统方框图如图26所示。

该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图26中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)。

e(t)＝r(t)-y(t)    式(4.1)

作为PID控制输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟控制器的控制规律为

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+\mathrm{Td}\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

其中：K_P——控制器的比例系数

T_i——控制器的积分时间，也称积分系数

T_d——控制器的微分时间，也称微分系数

4.2.1PID调节器各校正环节的作用

4.2.1.1比例部分：

在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比列系数K_P，比例系数K_P越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是K_P越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比列系数选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。

4.2.1.2积分部分：

从积分部分的表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加：只有在偏差为0的时候，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数T_i越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡：但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也越长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当T_i较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短，所以必须根据实际控制的具体要求来确定T_i。

4.2.1.3微分部分：

实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应(比例环节的作用)，而且根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础加入微分环节，形成PID控制器。

微分环节的作用是阻止偏差的变化，它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。

微分部分的作用由微分时间常数T_d决定。T_d越大时，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强：T_d越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用，适当的选择微分常数，可以使微分作用达到最优。

4.2.2位置式数字PID控制器

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算空置量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行控制。由于这一点，式(4-1)中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化得处理方法为：以T作为采样周期，K作为采样序号，离散采样时间KT对应着连续时间t，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，

$\left.\begin{array}{c}t\≈\mathrm{KT}(K=\mathrm{0,1,2}...)\\ {\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}\≈T\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(\mathrm{jT}\right)=T\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j\\ \frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\≈\frac{e\left(\mathrm{KT}\right)-e\left[(K-1)T\right]}{T}=\frac{e_k-e_{k-1}}{T}\end{array}\right\}$ 式(4-3)

将式(4-3)代入式(4-2)中，就得到离散的PID的表达式

$u_k=\mathrm{Kp}[e_k+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j+\mathrm{Td}\frac{e_k-e_{k-1}}{T}]$ 式(4-4)

或

$u_k=\mathrm{Kp}*e_k+\mathrm{Ki}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j+\mathrm{Kd}(e_k-e_{k-1})$ 式(4-5)

其中：

K——采样序号，K＝0，1，2……

u_k——第K次采样周期时刻的计算机输出值；

e_k——第K次采样时刻输入的偏差值

e_k-1——第K-1次采样时刻输入的偏差值；

Ki——积分系数；

Kd——微分系数；

如果采样周期足够小，则式(4-6)的近似计算可以获得足够精确地结果，离散控制过程与连续过程十分接近。式(4-6)表示的控制算法是直接按式(4-1)所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法。这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对e_k进行累加，工作量大，并且，因为计算机输出的u_k对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的u_k将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产故障，这在实际生产中式不允许的，增量式PID控制算法可以避免这种现象的出现。

4.2.3增量型PID控制算法

所谓增量型PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的控制量式增量，而不是位置量的绝对值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。

增量式PID控制算法可以通过式(4-4)推导出，由式(4-4)可以得到控制器的第K-1个采样时刻的输出值为：

$u_{k-1}=\mathrm{Kp}[e_{k-1}+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}_j+\mathrm{Td}\frac{e_{k-1}-e_{k-2}}{T}]$ 式(4-6)

将式(4-4)与式(4-6)相减并整理，就可以得到增量型PID的控制算法公式为：

${\mathrm{\Δu}}_k=u_k-u_{k-1}=\mathrm{kp}(e_k-e_{k-1}+\frac{T}{T_i}{e}_i+\mathrm{Td}\frac{e_k-{2e}_{k-1}+e_{k-2}}{T})$

$=\mathrm{Kp}(1+\frac{T}{\mathrm{Ti}}+\frac{\mathrm{Td}}{T})e_k-\mathrm{Kp}(1+\frac{2\mathrm{Td}}{T})e_{k-1}+\mathrm{Kp}\frac{\mathrm{Td}}{T}{e}_{k-2}$ 式(4-7)

$={\mathrm{Ae}}_k+{\mathrm{Be}}_{k-1}+{\mathrm{Ce}}_{k-2}$

其中 $A=\mathrm{Kp}(1+\frac{T}{\mathrm{Ti}}+\frac{\mathrm{Td}}{T})$

$B=\mathrm{Kp}(1+\frac{2\mathrm{Td}}{T})$

$C=\mathrm{Kp}\frac{\mathrm{Td}}{T}$

由式(4-7)可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A，B，C。只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由式(4-7)求出控制量。

增量式PID控制算法与位置式PID算法相比，计算量小的多，因此在实际中得到广泛的应用。而位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：

u_k＝Δu_k+u_k-1    式(4-8)

式(4-8)就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。

4.3中断处理程序设计

中断程序是程序设计中非常关键的部分，是控制系统软件的核心，它将完成大部分计算以及控制任务。主要是速度电流的双闭环中断处理程序。

4.3.1速度电流双闭环中断处理程序

在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级联接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。速度调节器程序框图如图27所示。

4.3.2其它中断处理程序

4.3.2.1INT1中断程序(A/D转换)

这部分程序的主要功能是它完成a/d数据读入操作，在模拟量的输入信号经过外围电路处理后，送入单片机，当中断起动时，就分别判断电流反馈、测速发电机的速度反馈及模拟速度给定等模拟量数据，然后起动A/D转换器，进行转化。这里A/D转换，是采用平均值的方式。程序流程图如图28所示。

4.3.2.2外部中断INT0中断程序

这部分程序的主要功能是完成同步校正的数据测量功能，判断输入的同步电压的相序，相序正确就启动T1计数器，如果，相序错误，就退出中断程序，并输出错误状态标志。

4.3.2.3定时器t1比较中断程序

它完成晶闸管触发输出和同步校正计算功能。通过判断该时刻脉冲的次数，输出相应的可控硅触发脉冲，当脉冲数为6时，更新脉冲次数值为0，当脉冲数不等于6时，退出程序。程序流程图如图30。

4.3.3.4定时器t0中断程序

它完成采样时间定时和转速脉冲周期测量计算功能。转速计算由速度环子程序完成。采样时间为10ms。

5.系统测试

本装测试选择380V三相交流异步电动机作为控制对象，利用检测车间的电气控制柜、电阻器及操作箱搭建系统的硬件检测平台。系统实验平台搭建完毕后，做了一系列的相关调试和实验工作，下面简要介绍一下试验的过程及实验结果。

5.1硬件电路部分测试

1.电源部分测试：电源输入端接入24V直流电压，U1模块输出电压值为15.05V、-15.07V，U7模块输入电压为5.04V，误差范围为±2％。

2.开关量输入部分：将24V电压经纽扣开关输入到开关量输入端，在光耦输出端测量其输出电压，开关闭合的时候为高电平5V，断开的时候为低电平0V。

3.可控硅脉冲触发电路测试：通过程序，输出触发脉冲，测得触发移相角范围在0～180°，用示波器测得波形，可控硅脉冲触发波形测试是为了保证触发相位的正确性和较宽的移相范围，防止由于相位不正确烧坏可控硅。

5.2系统参数测试

1.给定部分：可以根据实际需要调整，调整范围为5％～100％。

1)数字给定：1档速度时系统默认值为额定速度的10％，

2档速度时系统默认值为额定速度的25％，

3档速度时系统默认值为额定速度的50％，

4档速度时系统默认值为额定速度的100％，

通过开关量输入端口分别给出1-4档速度，用转速表测得各个速度实际值，误差为±2％。测试条件：交流绕线式异步电动机6极转速980rpm。1档实际速度99rpm，2档速度246rpm，3档速度492rpm，4档速度978rpm，满足设计要求。

2)模拟给定：系统设置了模拟量输入端，输入电压为0～±10V，用电位器，给出连续的1～±10V电压，10V时，电机的速度为100％，在任意位置时对应一个电机速度。如电压为5V时，速度为50％。

3)斜坡输入：系统斜坡时间设定范围为0.7S～20S。误差±2％，测试条件为设置5S的斜坡时间，系统在4档位置直接启动，用示波器测量加减速时间，实测值为5.04S，满足设计要求。

2.电流环测试：

1)电流限幅值：主要是限制电机的起制动电流，保证系统在加减速的时候保持恒流，以保证匀加减速，电流平稳，电流限幅有正向限幅和反向限幅。电流限幅调整为额定电流的100％～400％，测试时，使电动机处于堵转状态，外加一个给定值，用钳形电流表测得电流值为150％的额定速度。

2)电流响应时间：系统在突加10V阶跃信号下，测电流环响应时间小于等于60ms。

3.速度环测试：

1)静差率测试：电动机在空载状态下调整给定值，使其达到额定转速，把电机负载加到额定值，其转速变化率不大于5％。

2)调整范围：采用无级调速方式时，调速范围可以从5％～100％的额定转速连续可调，调速比不小于20∶1；采用有级调速方式时，调速可分10％、25％、50％、100％的额定速度4个档位。

4.零点控制：主要是控制抱闸动作时机，保证停车平稳，减小抱闸的磨损一般设置为10％的额定速度时，抱闸动作，系统设置范围为0～30％的额定速度。测试时，先把零速设置10％的额定速度，从4档速度缓慢减速到停止，用示波器测量抱闸控制继电器动作时间，满足设计要求。

5.转子切电阻测试：在上升方向任意速度档位切1段电阻，在上升4档时切2段电阻，对应继电器动作，下降方向，不切任一段电阻。速度切换值设置范围为30％～60％的额定速度，系统默认值为48％的额定速度。

5.3显示部分测试

1.故障显示测试：

在输入端口模拟电机热过载、电机超载、相序错误，电机缺相、系统过电流、功率元器件过热、力矩保护等故障，综合故障报警继电器动作，且在显示面板上显示相应的故障代码。

2.驱动部分显示测试：

给定某一档位速度，用测速表测定实际转速，并同显示速度一致，用电流表测得实际电流与现实电流值一致。

六、发明的效果

1.系统采用ATmega128作为核心控制器件，其具有强大的兼容性及数字处理能力。基于AVR完成数字化系统的全部逻辑电路的软件设计。该装置由于所有的信息处理均由微处理器实现，工作性能稳定，它具有在恶劣环境下工作效率高、安全可靠、运行成本低，便于维护，操作简单、现场维护方便等优点。功能更加强大，使用更加方便，调速性能更加完善，同时也降低了硬件的成本。目前全国各大钢厂都采用此技术，市场前景非常好。

2.大大节省了硬件电路，降低了电路板的复杂度，便于系统的维护，速度反馈采用测速发电机反馈、转子电压反馈、脉冲编码器反馈三种控制方式，用户可根据实际情况选用很方便。

3.采用双闭环系统，具有良好的动态响应指标，系统起制动平稳，调速范围宽，适用于起重机调速系统和交流电动机的软起动，市场前景良好，该产品经过现场两个多月使用情况调查，工作稳定可靠，稳定性好。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种数字化交流调压调速装置，其特征在于：所述装置包括电源电路输入信号接口电路、输出信号接口电路、脉冲触发电路、按键及菜单显示电路及单片机ATmega128和ATmega8，AC220V电源经过降压整流后，产生两路±24V电压分别给输入接口以及内部继电器供电，并通过A4、A5模块产生5V和±15V电压，分别给单片机和运算放大器模块供电，信号输入通道，模拟量的速度信号电压UA，通过运算放大器模块A1输入端经放大后，输入到单片机模块IC1经内部A/D转换成数字量，经过数据处理程序后，输出触发脉冲信号经达林顿模块A6放大后，经A9脉冲板触发可控硅模块U1，输出报闸控制逻辑，经功率驱动模块A11控制继电器K1动作，使机械报闸动作，输出转子回路切除电阻控制逻辑，经功率驱动模块A12控制继电器K2、K3动作，控制转子切电阻接触器闸动作，电流反馈信号通过电流互感器检测到电流信号，经AC/AC变换模块A7转换为电压信号，送到单片机IC1的输入端，经过内部A/D转换器转换成数字量信号，经过数据处理程序构成电流闭环系统，速度反馈信号共有三个通道：测速发电机反馈、脉冲编码器反馈、转子电压反馈，测速发电机反馈信号，通过DC/DC转换模块A10变换为0～±10V电压信号，送到单片机IC1的输入端，经过内部A/D转换器转换成数字量信号，经过数据处理程序构成速度闭环系统，脉冲编码器反馈脉冲信号，通过光耦模块A8隔离后，送到单片机IC2的输入端，经过数据处理程序产生速度实际值，通过单片机IC1和IC2之间的通讯，把信号传输到单片机IC2中，经过数据处理程序构成速度闭环系统，转子电压反馈信号，通过V/F变换转换成转子电压，送到单片机IC1的输入端，经过数据处理程序构成速度闭环系统。

2.根据权利要求1所述的数字化交流调压调速装置，其特征在于：所述电源回路采用两路独立的DC24V供电，起到外部输入接口和内部隔离作用，本控制系统的供电电源，主要分为外部开关量输入部分DC24V1，和内部DC24V2作为继电器和脉冲触发部分的工作电压，外围芯片和接口电路需要的±15V，和单片机的+5V工作电压，A1模块采用AC220V输入，通过变压器降压、整流、滤波、输出两路独立的直流电源P24和PV24两路24V直流电源；其中PV24经过DC/DC变换模块A4输出5伏电压P5给单片机供电；P24经过DC/DC变换器模块A5，输出正15V电源P15和负15伏电源N15，给外围芯片接口电路供电。

3.根据权利要求1所述的数字化交流调压调速装置，其特征在于：所述输入信号接口电路包括：开关量接口电路，模拟信号接口电路，ATmega128的模数转化电路，数字信号接口电路，所述开关量输入信号，主要有主令器给出的零位、停止、2个方向信号及3个速度档位信号，限位信号，过温、过载及抱闸的故障信号等接点信号；通过光电耦合模块A2，到微处理器模块IC1输入端进行信号处理，开关量输入的接点信号，通过X2∶1端子和发光二极管和限流电阻R9到光耦CNY17-2的输入端；当X2∶1端子为高电平时，发光二极管DS1点亮通过光电耦合三极管导通，发射极输出高电平作为单片机的输入信号；发光二极管DS1作为输入信号显示；由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力；又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力；所以它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比；在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性；光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高，为了提高光耦传输比，电阻R9的选择应保证光耦输入电流在10mA以上；这里利用光耦的隔离作用，为单片机提供可靠的输入信号；此信号为+5V的高电平，或0V的低电平。

4.根据权利要求1所述的数字化交流调压调速装置，其特征在于：所述装置设计是采用速度闭环和电流闭环的双闭环调速系统，所述速度反馈方式采用脉冲编码器、测速发电机、转子频率反馈三种方式。

5.根据权利要求3所述的数字化交流调压调速装置，其特征在于：所述模拟信号接口电路中采用和操作手柄同轴的电位器作为速度给定，输入电压0～±10相对于速度0～100％的额定速度，模拟量速度给定信号由A1模块输入，通过运算送到单片机内部的A/D转换器把模拟量变成数字量，通过CPU处理控制。

6.根据权利要求1所述的数字化交流调压调速装置，其特征在于：所述按键及菜单显示电路中按键的键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下，按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保持高电平，当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平，按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O仍然保持高电平。

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