基于80C196KC单片机数字触发的转速电流双闭环.doc

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1、基于80C196KC单片机数字触发的转速电流双闭环目 录摘 要 2第1章 设计任务 2第2章 系统设计32.1 系统总原理框图32.2 控制电路总体图42.3 系统主电路图5第3章 主要环节设计63.1 电流环的设计63.2 转速环的设计8第4章 单元模块设计 104.1 电源及转速给定电路设计 104.2 转速检测电路设计114.3 电流检测电路设计 124.4 系统触发电路设计13第5章 主电路元件参数计算及选型225.1 变压器容量计算及选型225.2 整流元件晶闸管的选型255.3保护电路计算与选型25六 心得体会：28七 附件28附件一 系统总原理图29附件二 参考文献30摘要 本文

2、是在以80C196KC单片机为基础的数字触发器上，实现了转速电流双闭环的直流V-M调速.论文重点介绍了转速环和电流环的设计思想及参数计算，并详细介绍了以单片机实现数字触发器的各个部分的实现原理。完成了具有良好的起动性能，宜于在大范围内平滑无静差调速的直流电动机调速任务。关键字 80C196KC单片机 数字触发器 双闭环 直流V-M调速 Abstract：This paper is based on intel 80C196KC digital trigger, realize the double closed loop of speed and current of DC speed on

3、V-M. Whats more, place an important emphasis on the rotation speed loop and current loop of the design idea and parameters calculation, and introduces the MCU to various parts of the digital trigger the realization of the principle. The system Complete the task of good start performance, in the larg

4、e range of speed regulation for DC speed control smooth. Key words: intel 80C196KC digital trigger double closed loopDC speed on V-M一 设计任务1.1 设计题目转速电流双闭环直流调速系统设计1.2. 已知参数某转速电流双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，已知基本数据如下： （1）电动机参数： =220V , =136A , =1460r/min, =0.2, 允许过载倍数 。（2）闸管放大系数： =40。（3）电枢回路总电阻：R=0.5（4）电枢

5、回路总电感：L=15mH；（5）电动机轴上的总飞轮力矩：=22.5N.；（6）电流反馈系数：（7）转速反馈系数：（8）滤波时间常数：电流反馈滤波时间常数 =0.002s ，转速反馈滤波时间常数 =0.01s。1.3 设计指标：电流超调量转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量。1.4 设计要求： （1）运用调节器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR与ACR的结构与参数。电流环设计为典1系统，转速环设计为典2系统。（2）设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用Protel软件画图。（3）说明原理图实现上述直流调速系统的原理。（4）给出原理图每

6、个元件的型号与值，并说明选值依据。（5）系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现，要说明软件实现流程以及核心软件的算法。二 系统设计2.1 系统总原理框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。其中，驱动电路由同步变压器和80C196KC单片机以及驱动放大电路组成。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电转速电流负反馈驱动电路保护电路图1 系统框图80C196KC单片机输入信号预处理隔离驱动放大同步电路模拟输入Uc同步电压Ut图 2 驱动

7、电路2.2 控制电路总体本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图3所示。转速，电流双闭环调速系统属于多环控制系统。为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。对电流双闭环调速系统而言，先从内环（即电流环）出发，根据电流控制要求，确定把电流环校正为那种典型系统。按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环环节之后，把它等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分。然后用同样的方法进行转速环的设计，每个环的设计都是把该环校正为一个典型系统，以获得预期的性能指标。目前的V-M调速系统多为带电流内环的速度控制系统。双闭环调速系统的稳态结构图如图4所示，动态结构图如图

8、5所示。 图3 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注: ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG直流测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子装置 Un*转速给定电压 Un转速反馈电压 Ui*电流给定电压 Ui 电流反馈电压）图4 双闭环直流调速系统稳态图图5 双闭环直流调速系统动态结构图说明：转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，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。从闭环反馈的结构上看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态性能，转速和电流两

9、个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。2.3 系统主电路图 系统采用三相桥式全控整流电路。如下图所示：图6 系统主电路及保护电路 说明： 该桥式全控整流电路有如下特点： （1）三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它为线电压的包络线。 （2）晶闸管在一个周期内导通120，关断240，管子换流只在本组内进行，每隔120换流一次。 （3）出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为1

10、20，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60，即每隔60换流一次。 （4）晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。三 主要环节设计 根据调节器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR与ACR的结构与参数。进行有关的计算，具体如下：3.1.电流环设计图7含给定滤波器和反馈滤波的PI电流调节器(1) 时间参数的确定1、电动机的电动势系数：2、电机额定励磁下的转矩系数：3、电枢回路电磁时间常数：4、电力拖动系统机电时间常数：5、整流滤波时间常数：三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s6、电流滤波时间常数：

11、三相桥式电路每个波头的时间是0.0033s，为了基本滤平波头，应有（12）=0.0033s，因此取=2ms=0.002s7、电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。(2) 典型系统的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递

12、函数可以写成 (3) 计算电流调节器的参数1、ACR超前时间常数: 2、电流环开环增益：在本设计中，要求时，应取，因此：于是，ACR的比例系数为： (4) 校验近似条件电流环截止频率1、校验晶闸管整流装置传递函数近似条件为： 满足近似条件。2、忽略反电动势变化对电流环影响的条件为： 满足近似条件。3、校验电流环小时间常数近似处理条件为： 满足近似条件。(5) 计算调节器电阻和电容由运算放大器的电路原理可以得出，当调节器输入电阻时，电流调节器的具体电路参数如下： ，取40，取0.75，取0.23.2转速环设计图8 含给定滤波器和反馈滤波的PI型转速调节器（1）时间常数的确定：1、电流环等效时间常

13、数：2、转速滤波时间常数 ：3、转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取（2）选择转速调节器结构： 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 (3) 选择转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则1、 ASR的超前时间常数为：2、转速环开环增益： 于是，ASR的比例系数: （4）检验近似条件：由转速截止频率：;1、电流

14、环传递函数简化条件: 满足简化条件2、 转速环小时间常数近似条件为： 满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容由运算放大器的电路原理可以得出，当调节器输入电阻时，电流调节器的具体电路参数如下：，取470，取，取1（6）校核转速超调量 由 可得：当h=5时, =81.2%，因此 能满足设计要求。四 单元模块设计根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含基准电源及转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、整流及晶闸管保护电路、触发脉冲输出电路等几个部分。4.1电源及转速给定电路设计本系统需要+15V电源，在设计中，直流稳压电源电路通过三端集成稳压器获得各路直流电源，由电源

15、变压器、整流电路、滤波滤波和稳压电路四部分组成。采用这种电路输出的电压比较稳定，而且价格低廉，电路也比较简单、实用。如果选用开关电源，不但价格昂贵，而且使用也不是很方便。图9为+15V直流稳压电源电路，电压变压器是将电网220V的交流电压变为所需要的电压值送入整流电路(这里选用输出为交流+10V的变压器)，经过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。470uF的滤波电容C1将脉动直流电压的纹波加以滤除，得到比较平滑的直流电压，0.1uF的电容C2在这里是起去耦的作用。稳压电路7805的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，能维持输出稳定的+15V直流电压，10uF的电容C3和0.1uF的电容C

16、4同样分别是稳压和去耦作用。转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。其电路原理图如图9所示。图9 基准电源及转速给定电路原理图4.2 转速检测电路设计(1)原理图转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速成正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图10所示。 图10 转速检测电路原理图(2)转速检测装置选择选永磁式ZYS231/110型测速发电机，额定数据为P

17、=23.1W，U=110V，I=0.21A，n=1900r/min。测速反馈电位器RP2的选择 考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，这样，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。测速发电机工作最高电压 测速反馈电位器阻值 此时RP2所消耗的功率为 为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选RP2为4W，取2000。4.3 电流检测电路设计(1)检测原理通过霍尔传感器测量电流原理如图11所示。图11 闭环霍尔电流传感器的工作原理霍尔电流传感器的结构如图13所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯

18、上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点： 1）可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流； 2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV12kV； 3）电流测量范围宽，可测量额定1mA50kA电流； 4）跟踪速度di/dt50A/s； 5）线性度优于0.1IN； 6）响应时间1s； 7）频率响应0100kHz。（2）电路设计电流反馈环的输入信号是主电路的电流量，经过滤波整流后，获得输出为直流电压的反馈量，用于控制系统中。根据电流反馈环节的组成，常用的电流反馈方式和检测元件为霍尔效

19、应电流变换器。由系统对于电流反馈环节的基本要求是：电流反馈信号要保证10V左右。信号大小取决于转速调节器ASR输出限幅值的整定，即=10.2V霍尔变换器的线性度好、无惯性、装置简单，但是输出电压一般为mV级，使用时须附加电压放大器。实际电路图如图12所示。 图12 电流检测电路原理图4.4触发电路设计晶闸管整流器装置在工业中得到了广泛的应用。晶闸管的触发控制则是应用中的关键环节，触发电路的控制精度与稳定性将直接决定主回路的工作性能。晶闸管的触发电路，大体上可以分为模拟和数字两大类。模拟电路由分立元件组成，体积较大，控制精度较低，很难达到标，现在已很少采用；晶闸管触发信号，本质上是一种离散量，可

20、由数字信号实现。目前已有大量的数字式触发器产品问世，这些数字触发器大体由过零检测器、计数器、脉冲分配器等几个部分组成。随着微电子技术的发展特点是微型计算机的广泛应用，采用以单片机为控制核心设计数字式触发器，可以大大简人硬件电路的组成，并可提高触发器的控制精度，其中触发角的分辨率可达0.10.01，甚至更高。另外由于软件的可编程性，使微机数字触发器的调节范围相当灵活，能满足多方面的需要。 由于调速系统比较大，对系统稳定性要求高。数字触发电路相较模拟电路连线少，生成周期短，调试时间短，生产效率高。并且容易实现，精度要稍高于模拟系统，可靠性好，可维护性高。因此要求CPU要有较高的运算速度和比较完善的

21、中断。因此，本装置中选用了Intel公司的16位微控制器80C196KC作为触发电路控制核心。80C196KC是Intel公司生产的CHMOS高性能低功耗16位单片机，其CPU采用寄存器寄存器结构，CPU直接面向512字节的寄存器，消除了CPU结构中单一累加器的瓶颈，提高操作速度和数据吞吐能力。同时80C196KC还集成了更为丰富的外设装置，如：PTS(外设事务服务器)、EPA(事件处理器阵列)、HSIO(高速输入输出器)、ADC等，具有速度快，可靠性高，功能强大，硬件资源资源丰富等特点。MCS-96系列单片机自带A/D转换通道，具有高速输入口HIS和高速输出口HSO，对于脉冲的检测和生成极其

22、方便。其中六路并行的高速输出HSO可以按程序规定的时间去触发其一事件。当HSO的触发时刻在内容定址存储区CAM中确定以后，规定的时间一到，在HSO端口上即可产生触发脉冲，而且触发脉冲的上升沿和下降沿产生的时刻可以同时设定。利用HSO的这一特点，能够很方便地构成晶闸管整流器的触发电路.单片机具有高速输入、输出口(HIS.0HIS.3和HSO.0HSO.5)，它们独立于CPU而工作。本设计中，HIS.0口用于检测记录A、B、C三相线电压的过零点发生的时间，时间基准由定时器提供形成同步信号。HSO口的输出信号可以预先设置，并且可以对6个引脚同时寻址，这正好可以用作三相全控桥的六路触发脉冲输出，在程序

23、设计时只要根据触发角的要求，分别对HSO.0HSO.5写入不同的脉冲触发事件，就可以实时触发相应的晶闸管。另外，80C196KC单片机还具有外设事件服务器PTS，对中断提供了一种类似于DMA的响应，更有效地处理中断事务，使CPU的开销比一般的中断响应要小得多，增加了单片机的实时性。4.4.1 触发器的硬件设计微机数字触发器的硬件电路主要以MCS-8096为控制核心，包括输入信号预处理电路、同步脉冲产生电路、脉冲的形成与输出电路、存储器扩展及附属电路等几个部分。硬件框图如图13所示。80C196KC单片机输入信号预处理隔离驱动放大同步电路模拟输入Uc同步电压Ut图13 驱动电路硬件框图1 同步脉

24、冲产生电路在各种晶闸管整流电路中，各晶闸管的触发脉冲必须与加在晶闸管上的交流主电源电压有相对固定的相位关系（即各管的触发时刻与主电源电压的某一个固定的相位点之间相差一个控制角），对应这一触发时刻的脉冲称为同步脉冲，完成这一任务的电路就是同步脉冲产生电路。数字触发器根据同步脉冲的不同触发方式分为绝对触发和相对触发方式。所谓绝对触发方式是指每一触发脉冲的形成时刻均由同步基准决定，这在三相桥式电路中就需要有六个同步基准交流电压；而相对触发方式仅需一个同步基准。当第一个脉冲由同步基准产生后，再以第一个触发脉冲作为下一个触发脉冲的基准。在三相桥式电路中，两相邻触发脉冲之间相差60电角度，但由于电网频率会

25、在50Hz附近波动，所以必须进行电网周期的跟踪测量。图14 同步电路在同步变压器二次侧各相的相电压经过R41和C41滤波电路（附加相移30）电压比较器LM339比较后输出，再经TIL117光电隔离及整形电路后后形成S1、S2、S3三个方波逻辑电平同步信号，分别送给单片机的P0.0、P0.1和P0.2口作为脉冲分配判断信号。而S1S2S3的边沿正好与自然换相点重合，因此可以利用它作为同步电压信号向80C196KC申请中断，进行同步认相判断。HIS.0口向单片机申请中断，当同步脉冲信号的上跳沿发生时，单片机的HIS.0中断立即响应，通过检测P1.0、P1.1和P1.2口脉冲信号从而确定同步相序关系

26、。S1、S2、S3三个方波信号再经74LS86异或后产生6倍频的脉冲信号,脉冲宽度取决于R44、C42电路的参数。查得LM339的最小电流为1.3mA，供电电源为15V，为保证电压比较器正常工作，故选U为10V,取;又因RC低通滤波，一般选对象频率的12.5倍，取，即可选.又有PC817光耦的正向电流,取,可完全保证光耦导通时，其电压为高电平。同步信号加到80C196KC的外中断EXTINT，作为同步中断信号。同时加到告诉输入电路的HSO.1端，一件事同步中断信号是否正常，可以检测到缺相故障。2 输入信号预处理电路图15 输入信号预处理电路输入信号预处理电路的主要作用是产生脉冲移相控制信号。由

27、于80C196KC具有四路10位A/D转换通道，不需要再外接A/D转换电路。但80C196KC单片机A/D转换器对外加控制电压有一定要求，它只允许0至+5V的标准电压进行转换。而实际的输入不仅有幅值的有效期异而且有极性的不同，因此设置输入信号预处理电路。它的任务主要是判断输入信号的极性，提取输入信号的幅值，将外加电压信号转换成05V的标准电压信号。其中，精密线性光耦合器TIL300可补偿LED时间和温度特性的非线性，使输出信号与LED发出的伺服光通量成线性化。则可得上图中,其中，为电路的输出电压，为输入的模拟量，即电流调节器的输出。3 触发脉冲隔离、驱动与输出电路晶闸管脉冲触发电路是调速系统电

28、路中非常关键的一部分。为确保电路的正常工作，同时导通的两个晶闸管需保证均有触发脉冲，本设计采用双窄脉冲对晶闸管进行触发，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲，两个脉冲的前沿相差60。当同步信号的正跳沿发生时，立即引起HIS.0外中断，由脉冲同步与移相的子程序，计算每周期第一个脉冲上升沿对应的定时值T1U。脉冲下降沿定时值T1D由其脉宽决定，设脉宽对应的电角度为15，则T1D=（+15）T/360，将T1U、T1D值置入HSO的内容定址存储区CAM中，HSO通过与定时器T1比较，在T1U时刻输出高电平，在T1D时刻输出低电平这样就形成了1号触发脉冲。当1号脉冲上升沿到来时，HS

29、O产生中断，根据当前值，加上两相邻冲之间的相位差（在三相桥电路中=60），则2号脉冲的定时值为：上升沿定值T2U=（+60）T/360，下降沿定时值T2D=(+75)T/75）/360。同理当2号至5号脉冲的上升沿产生时，也分别引起HSO中断，产生3号至6号触发脉冲。为不使脉冲变压器饱且减少不必要的功率消耗，本设计中采用双窄脉冲触发方式，如图16所示。图16 晶闸管双窄脉冲触发示意图为了防止干扰和满足晶闸管的门极对触发脉冲功率的要求，脉冲触发信号由单片机直接输出，其幅值和功率都不能满足要求，必须经过功率放大器件才能可靠的触发晶闸管。为保证晶闸管能正常可靠的触发，由缓冲器、光电隔离器、变压器等器

30、件组成的触发脉冲电路如图17所示。图17 触发脉冲驱动电路前面所述的精确同步电路检测到的同步脉冲信号通过单片机80C196KC的 HIS.0口信号作为中断申请，经过单片机的运算后，通过80C196KC输出口HSO.0HSO.5输出六个相应的PWM波触发脉冲。为了抑制功放电路对控制系统造成的干扰，在前面加了一级光电耦合器进行隔离；为了满足晶闸管门极对触发脉冲的功率要求，在电路中设置了三极管和脉冲变压器对触发脉冲进行功率放大，同时脉冲变压器也起到了隔离的作用；稳压管起电压箝位的作用，从而保证形成一定幅值的触发脉冲；脉冲变压器的副边接入了两个二极管，保证了输出正的触发脉冲。 从产品目录中查得晶闸管的

31、触发电流为250mA,触发电压。由已知条件可以计算出 ， 因为，所以触发变压器的匝数比为，取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数.4.4.2 触发电路软件设计触发器的软件设计主要分为主程序、脉冲同步与移相和脉冲的形成与输出等几个部分，分别说明如下。1 主程序主程序是系统程序，主要完成系统初始化、角度的显示及等待中断等功能，主程序框图如图18所示。开中断初始化HIS、HIS、ADC相关寄存器及定时器显示触发角的大小等待中断图18 主程序2 脉冲同步与移相在此装置中，当同步脉冲信号

32、的上跳沿发生时，80C196KC的HIS.0中断立即响应，获取并计算值，以实现脉冲的同步与移相。对于工频交流电源，每个工频周期为20ms。因此，移相控制角和延时时间是对应的。对应移相角的延时时间用表示。经分析，在晶振频率为12MHz时，状态周期为0.25,则定时器的计时周期为。那么与的关系为：式中：为期望的移相控制角。按模拟触发器的思路，触发电路的控制电压正比于整流器的输出电压，同时通常来自电流调节器的输出电压。那么与的关系为：，式中，的取值范围为0。脉冲同步与移相的子程序框图如图19所示。保护现场开中断读，取当前延迟角计算1号脉冲定时值，存入HSO内容定地址区CAM恢复现场返回图19 脉冲同

33、步与移相子程序3 脉冲的形成与输出利用8096软硬件定时器，高速输出通道HSO和高速输入通道HIS的功能，使用软件定时中断，在六路HSO口实现六路触发脉冲的输出。保护现场开中断发上一号脉冲是6号脉冲？计算相邻脉冲角差，调整相邻脉冲间距，松下一号脉冲定时值至CAM脉冲序列号1恢复现场返回脉冲序列号置1YN图20 脉冲形成子程序4.4.3 电源同步和晶闸管触发过程80C196KC单片机具有高速输入、输出口(HIS.0HIS.3和HSO.0HSO.5)，它们独立于CPU而工作。HIS口用于记录A，B，C三相线电压的过零点发生的时间，时间基准由定时器提供形成同步信号。80C196KC的高速输出口HSO

34、用于按程序设定时间去触发某一事件，可接通多达6根输出线(HSO.0HSO.5)，同一时刻可以挂号8个事件。由于要求CPU的开销极少，故速度很高，程序设计也非常简单，只需把命令和预定触发时间写入CAM(按内容寻址存储器)即可。另外，80C196KC单片机还具有外设事件服务器PTS，对中断提供了一种类似于DMA的响应，更有效地处理中断事务，使CPU的开销比一般的中断响应要小得多，增加了单片机的实时性。只要有同步脉冲送入单片机， 就产生中断，进入相应的中断处理程序，然后装载相应的高速输出口。高速输出口根据装载的时间常数延时， 时间一到便发出触发脉冲，经触发电路触发晶闸管。同步信号检测电路将检测到的同

35、步脉冲信号送入单片机80C196KC ，80C196KC主控制器通过运算后按照设定的模式发出触发脉冲以驱动晶闸管模块的导通，单片机通过控制触发脉冲的宽度来改变晶闸管的触发角的大小，电机软起动开始。为保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲，采用同步变压器作为同步测量器件。如图14所示在同步变压器二次侧各相的相电压经过滤波电路、电压比较器LM339比较后输出，再经TIL117光电隔离后形成S1、S2、S3三个方波逻辑电平同步信号，分别送给单片机的P1.0、P1.1和P1.2口作为脉冲分配判断信号。而S1S2S3的边沿正好与自然换相点重合，利用S1、S2、S3三个方波信号经

36、74LS86异或后产生同步信号输入到HIS.0口向单片机申请中断，通过检测P1.0、P1.1和P1.2口脉冲信号从而确定同步相序关系，检测到的自然换相点，便是电压的过零点。如图16所示，经过单片机的运算后，通过80C196KC输出口HSO.0HSO.5输出六个相应的PWM波触发脉冲。当单片机80C196KC的高速输出口HSO.0HSO.5有触发脉冲信号输出时，其输出为“1”，光电隔离TIL117截止，则三极管Q基极为高电平，因此三极管导通，此时脉冲变压器T原边和电源构成回路，其副边向有脉冲输出，在晶闸管门极形成满足晶闸管门极触发条件的触发脉冲。反之，由于脉冲变压器副边的两个二极管的作用，脉冲变

37、压器无脉冲输出，晶闸管门极无触发脉冲。本设计采用双窄脉冲对晶闸管进行触发，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲，两个脉冲的前沿相差60。五 主电路各器件的参数计算及选型51 变压器容量的计算和选择在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用Y联接。为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压, 为一次侧电流, 为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧的电流，、为相数，以下就是各量的推导和计算过程。5

38、.1.1 的计算为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压。 主要受以下因素影响：(1)值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的。(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用表示。(3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。(4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。(5)电枢电阻的压降。综合以上因素得到的精确表达式为： 式中 表示当控制角时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；表示控制角为时和时整流电压平均值之比；C是与整流主电

39、路形式有关的系数；为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取，1001000千伏安的变压器取；为电网电压波动系数。通常取,供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值； 表示电动机电枢电路总电阻的标么值.表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。- 负载电流最大值；所以,表示过载倍数。对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。，,，（其中A、B、C可以查表4.1中三相全控桥）表1 变流变压器的计算系数整流电路单相双半波单相半控桥单相全控桥三相半波三相半控桥三相全控桥带平衡电抗器的双反星形0.90.90.91.

40、172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289 以下为计算过程和结果： 这里可以取。实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。5.1.2 电流的计算即得出二次侧电流的有效值,从而求的、出变压器二次侧容量。而一次相电流有效值，所以一次侧容量。一次相电压有效值取决于电网电压。所以变流变压器的平均容量为。 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故 5.1.3变压器的容量计算根据整流变压器的特性，即 取3，所以，所以整流

41、变压器的容量为： 设计时留取一定的裕量，可以取容量为整流变压器。触发电路需要三个互差120，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。同步电压二次侧取10V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/10=38。52 整流元件晶闸管的选型正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流 首先确定晶闸管额定电压，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则计算

42、公式： 对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压， 取。再确定晶闸管额定电流，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。 由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为： 可以取额定电流为150A。本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-150A额定电压： VDRM 800V 额定电流： IT(AV) 150A门极触发电压：VGT 3.5 V 门极触发电流：IGT 300 mA5.3整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图6所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此

43、具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。5.3.1过电压保护和du/dt限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图3.4所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放

44、出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。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。（1）交流侧过电压保护压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。 在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成三角形如图12所示。压敏电阻额定电压的选择可按下式计算： 压敏电阻承受的额定电压峰值 式中 -压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等；为电网电压升高系数，可取。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压。由此可将上式转化成 可得压敏电阻额定电压 所以压