1 引言

生產中有許多機械要求既能正轉，又能反轉，而且常需要快速起動和制動，即需要可逆調速系統。由模擬電路實現的可逆調速系統，線路復雜，調整困難，可靠性低，缺乏靈活的控制。因此，這里給出一種基于單片機的邏輯無環流可逆調速控制系統設計方案。該系統設計采用全數字電路，實現數字脈沖觸發、數字轉速給定檢測和數字PI算法等功能，由軟件實現轉速、電流調節及邏輯判斷和復雜運算，具有不同于一般模擬電路的最優化、自適應、非線性、智能化等控制規律，而且更改靈活方便。

2 系統組成和控制原理

2．1 系統組成

該數字邏輯無環流可逆調速系統是由AT89C51單片機實現雙閉環控制、無環流邏輯控制、觸發脈沖的形成及相位控制，如圖1所示。圖1中，ASR為速度環，ACR為電流環，DLC為無環流邏輯控制器，GT為觸發脈沖，TA為電壓互感器，TG為測速發電機，M為直流電動機。主電路采用正組VF和反組VR兩組晶閘管裝置反并聯。控制電路采用轉速ASR和電流 ACR雙閉環系統。

2．2 控制原理

數字無環流邏輯控制是根據速度調節器輸出值的正負來選擇正組或負組晶閘管，根據主電路的電流是否為零進行相應切換．并記憶工作組的工作狀態。通過轉矩極性檢測及零電流檢測做出相應邏輯判斷，釋放一組晶閘管，閉鎖另一組晶閘管。為此，在單片機中設置有2個存儲單元L1、L2，用于記憶正組晶閘管vF和反組晶閘管VR的工作狀態。

3 系統硬件設計

系統硬件設計是以AT89C51單片機為核心，由程序存儲器EPROM、地址鎖存器、A/D轉換器、2個可編程計數器，計時器、脈沖擴寬、光電隔離、脈沖放大、過零檢測及波沿檢測等電路構成，如圖2所示。

3．1 觸發器

主變壓器和同步變壓器均接為D／Y-11，對稱的三相交流同步電壓經阻容移相后滯后30°。使其交流波形的過零點對準觸發延遲角α=0°處，其觸發脈沖只能在0°～180°之間產生。阻容移相后的三相交流電壓經過零檢測器變成互差120°、寬 180°的三相方波，加在單片機的P1.0、P1.1和P1.2引腳，作為檢測到的電源狀態，并以此狀態作為脈沖分配依據，確定VR和VF的觸發順序。方波經波沿檢測器輸出間隔為60°的負脈沖作為單片機的外部中斷請求信號。三相變壓器在每個周期產生6個中斷信號，在每次中斷服務程序中完成脈沖的形成、分配和移項控制。

3．2 PI調節器

PI調節器的控制規律為：

式中，y（t）為PI調節器的輸出量；e（t）為PI調節器的輸入量；Kp為比例系數；T1為積分時間常數。

對式（1）離散化后，可得第（k-1）和k次采樣時刻間的調節器輸出增量為△y（k）為：

式中，△e=ek-ek-1;yk為PI調節器第k次輸出量；yk-1為PI調節器第（k-1）次輸出量；ek為第七次采樣時，給定量與反饋量之間的偏差；ek-1為第k-1次采樣時，給定量與反饋量之間的偏差；KI為積分系數，

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次的采樣時輸入偏差。為了提高精度，PI運算采用雙字節。

3．3 無環流邏輯控制

無環流邏輯控制是根據速度調節器輸出值的正負選擇VR和VF晶閘管，并由轉矩極性檢測做出相應邏輯判斷，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（0或1），存儲在單片機存儲單元L1、L2。當釋放晶閘管時，L1、 L2存儲1；而封鎖晶閘管時，L1、L2中存儲0。將這些狀態信號送至單片機的P1.5和P1.6引腳控制觸發脈沖的釋放與閉鎖。

4 系統軟件設計

用于控制電流和速度的軟件設計決定著調速裝置性能的好壞，要求單片機控制的邏輯無環流調速系統在幾個毫秒完成兩個閉環系統的信號采樣、數字濾波、PI運算和實時控制。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，由于電流內環響應速度快于速度外環的響應速度，為此，在定時中斷服務程序T0中，嵌套有外部中斷1的中斷請求。外部中斷1的中斷服務程序，先進行電流采樣，再根據電流的情況進行帶限幅的PI運算和數字觸發。系統通過定時器T0中斷服務程序，實現速度的采樣、濾波及無環流邏輯切換。

5 結論

邏輯無環流可逆調速控制系統結果如圖4所示。由圖4可看出電動機電樞電流由所允許的最大值降至穩態值的過程中變化迅速、平穩。電動機從起動至穩態的動態過程中無過沖電流和轉速超調，正反向切換過程平穩，動態性能良好。研究表明，采用單片機控制的數字邏輯無環流可逆調速系統穩定性好，可靠性高，提高了調速系統的精度和控制性能，此外，還具有信息存儲、數據通信和故障診斷等模擬控制系統無法實現的功能。