专利名称：一种数字化交流调压调速装置的制作方法
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，是一个成熟的晶间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pic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ATmegal^和ATmega8，AC220V电源经过降压整流后， 产生两路士 MV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和士 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Al输入端经放大后，输入到单片机模块ICl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，输出报间控制逻辑，经功率驱动模块All控制继电器Kl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ICl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AlO变换为0 士 IOV电压信号，送到单片机ICl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ICl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ICl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DCMV1，和内部DCMV2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士 15V，和单片机的+5V工作电压，Al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PVM两路24V直流电源；其中PVM经过DC/DC变换模块A4输出5伏电压P5给单片机供电；PM经过DC/DC变换器模块A5，输出正15V电源P15和负15伏电源附5，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， ATmegal28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ICl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DSl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DSl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IOmA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OV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 士10相对于速度0 100%的额定速度，模拟量速度给定信号由Al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)系统静差率彡5%3)电流环阶跃响应彡IOOms4)速度环阶跃响应彡500ms。
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。图北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ATmegaUS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IOa是本发明的速度检测电路图。图IOb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M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。图沈是本发明的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。图四是本发明的INO中断程序流程图。图30是本发明的T1中断程序流程图。
具体实施例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)系统静差率彡5%(3)电流环阶跃响应彡IOOms(4)速度环阶跃响应彡500ms1. 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，实现勻加减速。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Ul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，要求各晶间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，这是晶间管调压电路的缺点。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
^3pU,2i 2/ST = ~Fp-^-^式(2-1)
ω^+R2ZS)2+Co12CLu+L12)2 P式中ρ-电动机的极对数；U1, OJ1 -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；Ln、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IY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。图北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ATmegaUS单片机来实现， 如图1中芯片ICl所示。其引脚排列如图4所示。ATmegaUS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lMIPS/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。ATmegal28单片机内置U8KB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Jtandby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^andby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 Rffff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，ATmegaU8 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。ATmegaUSAVR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ATmegaUS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ATmegaS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ftOtel 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. IAVR 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，ATmegal28在SRAM里还有扩展的I/O空间，2. 4. 2. 21CCAVR 的特点
由于系统控制电路的主要芯片为ATmegaUS，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ATmegaUS和ATmegaS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DCMV1，和内部DCMV2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士 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Al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PM 和PVM两路24V直流电源。其中PVM经过DC/DC变换模块A4输出5伏电压P5给单片机供电。PM经过DC/DC变换器模块A5，输出正15V电源P15和负15伏电源附5，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ICl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DSl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DSl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IOmA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OV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 士 10相对于速度0 100 %的额定速度。模拟量速度给定信号由Al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士 IOV电压输入。接口电路图如图8所示模拟速度给定输入的士 IOV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Tl、T2，检测主回路电流实际值，通过R1、R2电阻取得压降ul、u2，输入到放大器进行处理，如图9(b) 所示，放大器U19C检测Ll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ATmegaU8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ul、u2为IV。计算进入单片机的值如下
权利要求
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ATmegaUS和 ATmegaS,AC220V电源经过降压整流后，产生两路士MV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和士 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Al输入端经放大后，输入到单片机模块ICl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，输出报间控制逻辑，经功率驱动模块 All控制继电器Kl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ICl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AlO变换为0 士 IOV电压信号，送到单片机ICl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ICl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ICl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DCMV1，和内部DCMV2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士 15V，和单片机的+5V工作电压，Al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PM和PVM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；PM经过DC/DC变换器模块 A5，输出正15V电源P15和负15伏电源附5，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，ATmegal28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ICl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 DSl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DSl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IOmA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OV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 士10相对于速度0 100%的额定速度，模拟量速度给定信号由Al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。
全文摘要
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。
文档编号H02P23/00GK102185555SQ20111006489
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月10日 优先权日2010年12月28日
发明者刘成龙, 孙晶, 王展英, 许成, 马有亮 申请人:上海智大电子有限公司