提升機(jī)運行過程交流拖動變頻調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計1[2]

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)格式樣板常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）作 者： 何亮亮 學(xué) 號： 4082111240821112 系 部： 電氣工程系電氣工程系 專 業(yè)： 電機(jī)與電器 題 目：提升機(jī)運行過程交流拖動變頻調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)者：白穎林浩評閱者：2011 年 4 月 畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要 利用單片機(jī)控制技術(shù)和變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制原理對礦井提升機(jī)運行過程進(jìn)行控制，具有控制系統(tǒng)安全可靠、動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快、加載精度高、節(jié)能效果好等特點，對現(xiàn)有礦井提升機(jī)的改進(jìn)及設(shè)計高性能的礦井提升設(shè)備提供有效的途徑。本項目采用變頻控制技術(shù)、結(jié)合單片機(jī)控制原理(即運用數(shù)字信號處理器這種可編程的單片機(jī),選取專用

2、電機(jī)芯片 TMS320F240, 利用變頻器中的逆變器的脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)輸出方式控制電機(jī)的控制從而控制整個提升機(jī)的運作)對提升機(jī)交流拖動系統(tǒng)運行過程進(jìn)行控制，在加速和爬行階段實行變頻控制，當(dāng)?shù)V井提升機(jī)處于減速下落過程中，采用帶測速負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，運用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對提升機(jī)制動力矩進(jìn)行自動調(diào)節(jié).本項目的研究可為礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計和性能分析奠定理論基礎(chǔ)，并為礦井的設(shè)計提供一個新的思路和更廣闊的研究空間。關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)；變頻控制;直接轉(zhuǎn)矩控制；TMS320F240；PWM。畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要TitleTitle：Hoist operation process exchang

3、e VVVF drive system designAbstractAbstract：SCM control technology and direct torque converter control principle of mine hoist operation process control, control system is safe and reliable, dynamic performance and fast response, high accuracy load, the effect of energy-saving features of the existin

4、g mine hoist improvements and the design of high-performance shaft to upgrade equipment to provide effective ways.The project uses the frequency control technology microcontroller control principle (that is, use of digital signal processor such programmable microcontroller, Motor selection dedicated

5、 chip TMS320F240 The converter using inverter pulse width modulation (PWM) control of the electrical output of the control so as to control the entire reference or machine operation) to enhance the exchange of machine drive system operation process control, and the crawling stage to accelerate imple

6、mentation of frequency control, When the mine hoist the whereabouts of the slowdown in the process, using guns with the negative feedback loop system, use of Direct Torque Control technology to enhance Moment mechanism for automatic adjustment.The project study for the mine hoist control System Desi

7、gn and Performance Analysis lay the theoretical foundation, and the mine design a new way of thinking and a broader research in space.Keywords：Mine Hoist; Frequency control; Direct torquecontrol;TMS320F240; PWM.目錄目錄1 緒論.11.1 研究意義 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .21.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢 .52 礦井提升機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)分析.82.1 礦井提升機(jī)的數(shù)學(xué)模型 .82.2

8、 礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方式的選擇 .133.變頻器的控制原理.173.1 變頻器的介紹 .173.2 變頻器的設(shè)計 .183.2.1 變頻器的構(gòu)成.193.2.2 主電路.193.2.3 控制回路.213.2.4 變頻器的幾種主要控制方式.213.2.5 變頻器的制動方式簡介.224 直接轉(zhuǎn)矩的控制系統(tǒng)的基本原理.234.1 直接轉(zhuǎn)矩控制理論的提出與發(fā)展 .234.2 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理 .244.3 六邊形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制 .274.4 圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制 .294.5 兩種控制方法的比較分析 .324.6 六邊形磁鏈控制系統(tǒng) .334.6.1 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié).334.6.2 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)

9、調(diào)節(jié).345 基于單片機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計.355.1 DSP 簡介.355.2 DSP 控制器 TMS320F240 結(jié)構(gòu)概述.385.2.1 TMS320F240 的內(nèi)核.385.2.2 TMS320F240 的外設(shè)功能.405.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件電路 .425.3.1 硬件結(jié)構(gòu).425.3.2 采樣反饋電路.435.3.3 IPM 逆變器電路.446 匯編軟件設(shè)計.456.1 軟件總體設(shè)計方案 .466.1.1 變量定義.466.1.2 主程序及中斷服務(wù)程序.476.2 初始化子程序 .506.3 A/D 轉(zhuǎn)換子程序.526.4 相電壓計算子程序 .526.5 M/T 法測速子

10、程序.546.6 PWM 脈沖產(chǎn)生子程序.57結(jié)論.60致謝.601 1 緒論緒論礦井提升機(jī)常被人們稱為礦山的咽喉，是礦山最重要的關(guān)鍵設(shè)備，是地下礦井與外面的唯一通道，肩負(fù)著礦石、物料、人員等的重要運輸責(zé)任。對提升機(jī)來說，運行的安全性與可靠性是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)礦井提升機(jī)調(diào)速性能較差，在啟停車、制動、邏輯控制等方面存在諸多安全問題，隨著計算機(jī)和單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)的控制技術(shù)改造傳統(tǒng)礦山行業(yè)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，從而使礦井提升機(jī)的控制性能得到極大的改善，其自動化水平、安全、可靠性都達(dá)到了新的高度，并采用現(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障提升機(jī)的安全運行。在該礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用國內(nèi)外先進(jìn)的單

11、片機(jī)控制技術(shù)改造礦井傳統(tǒng)落后的繼電器接觸器式罐籠邏輯運行系統(tǒng)；采用先進(jìn)的全數(shù)字直流調(diào)速晶閘管變頻技術(shù)改造傳統(tǒng)的直流電機(jī)傳動系統(tǒng);采用基于數(shù)字信號處理器DSP 的多功能數(shù)字深度指示器取代原有粗大笨重的機(jī)械傳動的牌坊式深度指示器；采用先進(jìn)的計算機(jī)控制技術(shù)實現(xiàn)礦井提升機(jī)的微機(jī)管理與控制，從而，保證礦井提升機(jī)可靠、準(zhǔn)確地運行，實現(xiàn)礦井提升機(jī)的計算機(jī)控制?，F(xiàn)場調(diào)試和運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作可靠、控制精度高，完全可以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)運行的要求。1.11.1 研究意義研究意義 礦山企業(yè)是用電大戶，而礦井提升機(jī)作為礦山機(jī)械的大型綜合機(jī)械電器設(shè)備，又是礦山耗電量最大的設(shè)備之一，因此，研制礦井提升機(jī)的交流拖動運行過程

12、及過程中的電力回饋系統(tǒng)，提高它的用電效率、增加提升機(jī)的控制可靠性，將具有很重要的意義。 提升機(jī)工作循環(huán)周期分為初加速、主加速、等速、減速、爬行和停車 6 個階段，目前我國使用的礦井提升機(jī)中比較先進(jìn)的是利用國外引進(jìn)的交-交變頻同步電動機(jī)拖動控制技術(shù)，但是大部分依然采用轉(zhuǎn)子金屬電阻調(diào)速的交流繞線異步電動機(jī)拖動，該類提升機(jī)拖動在啟動、加速和爬行階段均采用轉(zhuǎn)子切割電阻的方法進(jìn)行調(diào)速，大量的電能消耗在金屬電阻上；在減速階段采用能耗制動、動力制動和電動機(jī)減速制動，前兩者也需要亂費大量的電能或電動機(jī)的動能，提升設(shè)備的效率為 50左右，因此，若能在提升機(jī)加速階段采用變頻調(diào)速，在減速階段采用回饋系統(tǒng)將提升機(jī)的勢

13、能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伒诫娋W(wǎng)，在爬行階段采用變頻控制，這大大提高了設(shè)備效率。 目前，采用變頻控制使提升機(jī)在爬行階段能夠以低速和硬特性運行，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的；在減速階段，可用結(jié)協(xié)制動和電氣制動兩制方式1，為了較少閘瓦的磨損和工作的安全特性，礦井提升機(jī)的減速制動方式常采用動力制動和低頻拖動的電氣減速方式。采用動力制動方式進(jìn)行制動時進(jìn)行制動時將提升機(jī)轉(zhuǎn)化為同步電動機(jī)，將卸貨的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能消耗在電阻上，從而實現(xiàn)繞線異步電動機(jī)金屬電阻調(diào)速，這種調(diào)速方法雖然簡單，但在電阻的電能消耗很大，而且消耗的電能隨著提升機(jī)電動機(jī)的容量增加而增加，很不經(jīng)濟(jì)；采用低頻拖動進(jìn)行制動時，將電動機(jī)的定子繞組從四鄉(xiāng)電網(wǎng)上斷開

14、后，接到與工頻電壓相同的低頻電源上，使得提升機(jī)有制動到電動自然過渡，對于消除失控電壓現(xiàn)象有很大的意義，但采用低頻發(fā)電機(jī)作為低頻電源，存在閉環(huán)性能較差，噪音大，維修大等缺點；若采用交交變頻器，利用模擬量來控制，控制技術(shù)和裝備的可靠性低，不能滿足提升機(jī)運行性能要求至今還未得到廣泛的使用。因此，設(shè)計一套性能好，控制安全可靠，響應(yīng)速度快，加載精度高，節(jié)能效果好的控制系統(tǒng)以及提高提升機(jī)在減速制動階段的精度具有重大的理論和實際的指導(dǎo)意義5。1.21.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 礦井提升設(shè)備是提升煤炭、礦石、器材的機(jī)械設(shè)備，有大型的機(jī)械電氣組成，在礦井設(shè)計中占有舉足輕重的地位，而且，由于提升機(jī)的電能使

15、用效率只有 50左右，雖然在爬升階段利用變頻技術(shù)解決了低速和硬特性運行的問題，但變頻器對制動階段的性能的改善并不明顯。因此世界各國科研工作者都在對提升機(jī)自動化控制領(lǐng)域進(jìn)行研究。礦井提升機(jī)要求四象限工作，并且負(fù)載變化很大，較先進(jìn)的控制系統(tǒng)采用晶閘管耦合供電的直流調(diào)速系統(tǒng)和交交變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)，上述兩種調(diào)速系統(tǒng)分別采用直流電動機(jī)和低速同步電動機(jī)或異步電動機(jī)。同轉(zhuǎn)速的低速電動機(jī)與直流電動機(jī)有關(guān)參數(shù)的比較可知，同步電動機(jī)有效率高，體積少、轉(zhuǎn)動慣量小、過載能力的、維護(hù)量小等優(yōu)點。但大部分交流異步電動機(jī)在設(shè)計時未顧及到輕載點，從而使電機(jī)效率和功率因素很低。隨著電力電子技術(shù)的計算機(jī)技術(shù)及自動化的發(fā)展，交

16、流調(diào)速的性能日漸接近直流調(diào)速性能，因而，交流調(diào)速的應(yīng)用越來越廣泛。在 70 年代初期，德國學(xué)者 F.Bblaschke 首次提出將矢量控制（磁場定向控制）技術(shù)應(yīng)用到鼠籠感應(yīng)電動機(jī)控制，開辟了電氣傳動控制領(lǐng)域的新紀(jì)元，成為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的開端。近 20 年來，隨著電力電子技術(shù)的計算機(jī)技術(shù)及自動化的迅速發(fā)展，交流調(diào)速所有的變頻裝置所增加的成本已能被采用交流電動機(jī)而節(jié)約的成本所補(bǔ)償，且采用矢量控制技術(shù)后，交流調(diào)速的性能已經(jīng)可以與直流調(diào)速的性能相媲美，因此出現(xiàn)了交流調(diào)速取代直流調(diào)速的趨勢。表 1.1 為德國 AEG 公司提供的有關(guān)礦井提升機(jī)傳動系統(tǒng)的性能比較分析表55。表 1.1 三種傳動方式提升機(jī)

17、的性能比較交交變頻調(diào)速系統(tǒng)平均值/每個提升機(jī)循環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)籠式異步電動機(jī)工作循環(huán)時間159.6159.16159.16有效功率389435483743無功功率706467478476視在功率806676239166功率因數(shù)0.40.470.4電能消耗172.2156.9165.5若 cos=0.85 所需補(bǔ)償?shù)臒o功功率465145486165 續(xù)表 交交變頻調(diào)速系統(tǒng)平均值/每個提升機(jī)循環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)籠式異步電動機(jī)與直流傳動補(bǔ)償容量的比較10098132 由表 1.1 可知，交交變頻器同步電動機(jī)傳動系統(tǒng)功率因數(shù)最高，電能消耗最小，因此在條件允許的情況下，優(yōu)先選擇

18、同步電動機(jī)傳動，這已取得國內(nèi)外電氣傳動專家和工程技術(shù)人員的認(rèn)同。礦井提升裝置是采礦業(yè)的重要設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和礦井生產(chǎn)現(xiàn)代化要求的不斷提高，人們對提升機(jī)工作特性的認(rèn)識進(jìn)一步深化，提升設(shè)備及拖動控制系統(tǒng)也逐步趨于完善，各種新技術(shù)、新工藝逐步應(yīng)用于礦井提升設(shè)備中。特別是模擬技術(shù)、微電子技術(shù)、微電腦技術(shù)在提升機(jī)控制中的應(yīng)用己成為必然的發(fā)展方向。 從 70 年代開始，隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)控制技術(shù)己逐步應(yīng)用于礦井提升機(jī)中。目前，國外已達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，使整個拖動控制產(chǎn)生一次重大的變革。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面44： (1) 提升工藝過程微機(jī)控制在交流變頻裝置中，提升工藝過程大都采用微機(jī)控制

19、。由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用靈活，運算速度快，監(jiān)視顯示易于實現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的。如 AEG 公司采用 CP-80 微機(jī)、ABB 公司采用 MASTER-200 和SIEMENS 公司采用 S5-150 等微機(jī)實現(xiàn)的變頻控制，都獲得了相當(dāng)成功。它們把控制、監(jiān)視、基準(zhǔn)值預(yù)測以及模擬控制等組合在公共的微機(jī)控制總線上組成靜止變流器的傳動控制，計算機(jī)實現(xiàn)速度及多個變量的調(diào)節(jié)。 (2) 提升行程控制提升機(jī)的控制從本質(zhì)上說是一個位置控制，要保證提升機(jī)在預(yù)定地點準(zhǔn)確停車，要求準(zhǔn)確度高，目前可達(dá)2cm。采用微機(jī)控制，可通過采集各種傳感信號，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒位置、滾筒及鋼絲繩

20、磨損等信號進(jìn)行處理，計算出罐籠準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。在罐籠提升時可實現(xiàn)無爬行提升，大大提高了提升能力。如 AEG, ABB, SIEMENS 等公司己采用 32 位微機(jī)來構(gòu)成行程給定器，并還提供性能不盡相同的機(jī)械行程控制器。一般過程控制用微機(jī)不同時用于監(jiān)視，行程控制也采用單獨微機(jī)完成，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 (3) 提升過程監(jiān)視由于近代提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計特別強(qiáng)調(diào)安全可靠性，所以提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機(jī)主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視；各主要設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視；各傳感器(如位置開關(guān)、停車開關(guān))信號的監(jiān)視。

21、其目的在于使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存貯、保留或打印輸出，甚至與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中. (4) 安全回路安全回路旨在出現(xiàn)機(jī)械、電氣故障時控制提升機(jī)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)。為確保人員和設(shè)備的安全，對不同故障一般采用不同的處理方法，大致分為以下四種情況：報警顯示，如冷卻器溫度過高等；二次不能開車，如電機(jī)繞組過熱、制動油過熱等；立即進(jìn)行電氣制動，如停車終點設(shè)備出現(xiàn)故障時本次提升應(yīng)盡快停下來；立即進(jìn)行安全制動，如過卷、超速等。安全回路極為重要，它是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一，英、德等公司都采用兩臺 PC 微機(jī)構(gòu)成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能。無論是

22、提升機(jī)還是安全回路本身出現(xiàn)故障時都能準(zhǔn)確地實施安全制動。 (5) 制動系統(tǒng)的控制與監(jiān)視制動(可調(diào)閘)控制系統(tǒng)除要可靠地完成工作制動和安全制動外，還要完成對液壓站的控制以及各環(huán)節(jié)參數(shù)(如油壓、閘瓦磨損等)的監(jiān)視，其技術(shù)要求與安全回路相似。 (6) 全數(shù)字化調(diào)速控制系統(tǒng)德國 AEG 公司的 Logidyn D(32 位機(jī))西門子公司的 Siemadyn D(16 位機(jī))以及 ABB 公司的 16 位機(jī)系統(tǒng)都已應(yīng)用于提升機(jī)上1919。全數(shù)字化系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)單一，參數(shù)穩(wěn)定且調(diào)整方便，可方便地與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。當(dāng)然此類系統(tǒng)要求維護(hù)人員有更高的技術(shù)水平和計算機(jī)知識。 1.31.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢單片

23、機(jī)的發(fā)展趨勢單片機(jī)在近 10 年取得了飛速的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)從事單片機(jī)開發(fā)的有 4個區(qū)域：一是歐美 ，開發(fā)廠家及其最新單片機(jī)系列產(chǎn)品有 National Semi condutor 的 COP8 系列單片機(jī)1111；美國 SCENIX 公司 8 位單片機(jī)系列；PHILIPS的 51 系列單片機(jī)美國 AMD 公司的 l86 系列 16 位嵌人式微控制器，STMicroelectronics 公司的 ST62 系列單片機(jī)；MICROCHIP 的 PIG 系列單片機(jī)；MOT0R0LA 的各個系列單片機(jī)以及 Infineon technologies 的 C500 和 C166 系列等，二是日本，T

24、OSHIBA 公司開發(fā)了從 4 位到 64 位的多系列單片機(jī)；日立公司也有從 4 位到 32 位的單片機(jī)；另外還有 FUJITSU Microelectronics 的 F2MC一 8L 微控制器系列產(chǎn)品；OKIElectronics 的 MSM80、MSM 66、MSM 63 系列單片機(jī)；NEC 的 75X、78X 系列微機(jī)3333。三是臺灣地區(qū)，主要有 WINBoND 公司的w741W536、w78w77 等系列產(chǎn)品微控制器；HOLTEK 的 HT46474849CXX系列微控制器；EMC 公司的 E78 系列單片機(jī)等。四是韓國，主要有 HYUNDAI mlcroelectronics 的

25、 GMS800、GMS30 系列微控制器；另外還有 LG 等公司也生產(chǎn)單片機(jī)。由此可見單片機(jī)發(fā)展到今天可以說是種類繁多，性能各異。 在過去的一段時間內(nèi)，單片機(jī)的指令運行速度一直在 10MIPS 以下，這對于應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的單片機(jī)來說是足夠了，但當(dāng)單片機(jī)被應(yīng)用在通訊及DSP 領(lǐng)域作為高速運算、編碼或解碼時就會出現(xiàn)因指令運行速度不夠而限制單片機(jī)應(yīng)用的情形因此提高單片機(jī)指令運行速度已經(jīng)成為迫切需要解決的問題。提高單片機(jī)指令運行速度的前提是在單片機(jī)的設(shè)計中必須采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)。目前比較多的單片機(jī)采用改進(jìn)的哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)基于具有分離地址總線的兩個存儲器其中一個放程序，另一個放

26、數(shù)據(jù)，允許數(shù)據(jù)從程序存儲器傳遞到 SRAM，該功能也允許從程序存儲器中讀取數(shù)據(jù)表.這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是取指令和存儲器數(shù)據(jù)交換可在多步流水線中同時進(jìn)行,這意味著當(dāng)前指令執(zhí)行時就可從程序存儲器中取 出下條指令。這是一種一個時鐘周期運行完一條指令的并行流水線操作方式，因此可大大提高指令運行速度。另外，目前許多單片機(jī)均采用了精簡指令集機(jī)構(gòu) (RISC)，使得單片機(jī)所有的指令均為單字節(jié)指令。因此其程序空間的效率比較高，代碼也比較緊湊是美國 Mieroehip 公司推出的PIC8 位單片機(jī)系列采用了先進(jìn)結(jié)構(gòu)后在運行速度、代碼空間占有兩方面與其它單片機(jī)的比較。PHILIPS 公司的 51LPC 系列單片機(jī)的指令

27、執(zhí)行速度比現(xiàn)有的80C51 器件高 1 倍。因為它在結(jié)構(gòu)上有所改善：采用雙數(shù)據(jù)指針，依據(jù)條件讀取擴(kuò)展或外接存儲器；采用四級中斷優(yōu)先用來處理越來越頻繁的中斷；芯片上具有多個存儲器，有最大到 64kB 的 ROM 或 EPROM，有 512B 或 1KB 的 RAM 等；改善的 UART，用來進(jìn)行 FRAMING 錯誤檢測，自動地址檢測。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，MCU 的 Flash 版本逐漸替代了原有的 OTP 版本。FlashMCU 具有以下優(yōu)點1111：與多次可編程的窗口式 PROM 相比，F(xiàn)lash MCU 的成本要低得多；在系統(tǒng)編程能力以及產(chǎn)品生產(chǎn)方面提供了靈活性，因為 Flash

28、 MCU 可在編程后再次以新代碼重新編程，可減少已編程器件的報廢和庫存；有助于生產(chǎn)廠商縮短設(shè)計周期，使終端用戶產(chǎn)品更具競爭力。目前微控制器的另一個發(fā)展趨勢是在芯片上集成更多的功能，如模擬功能，包括模擬比較器，AD 和 DA 轉(zhuǎn)換等 。PHILIPS 的 P87LPC76X 系列單片機(jī)中就有兩個模擬比較器，輸入和輸出選擇允許比較器配置成不同模式；還有外圍功能，如 USB (Universal Serial BUS)、LCD (液晶顯示)、CAN (Controller Area Network)、硬件加速器等。USB 是解決 PC 機(jī)環(huán)境工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接的有效途徑，允許把很多外圍器件連接到一個公共界

29、面上。MOTOROLA 提供了一個 FaStack USB 器件庫。CAN 直譯為控制器區(qū)域網(wǎng)，它是一種可靠、廉價、快速、靈活的串行總線系統(tǒng)，它由許多相等的節(jié)點以線狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相連接而成，用來在高噪音環(huán)境中進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換工作。Infineon Technologies 在解釋 CAN 基本原理時提出了一種“完整型”CAN控制器的結(jié)構(gòu)，如下（圖一）所示。目前單片機(jī)正朝兼容性較好的方向努力，具體表現(xiàn)在：兼容性作為設(shè)計的第一考慮，額外的新的特點是透明的；使用同一種 EPROM 編程器；OTP 使器件快速提升及標(biāo)準(zhǔn)化成為可能。日本的單片機(jī)開發(fā)廠家的策略同歐美的廠家不同，他們似乎都在朝系列化、全面化方

30、向發(fā)展。這里以日本最大的兩家單片機(jī)開發(fā)商東芝和日立為例來說明這一觀點。圖二為東芝單片機(jī)系列內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖從中我們不難發(fā)現(xiàn)，目前還沒有哪個廠家生產(chǎn)的單片機(jī)比東芝公司的種類多 。 日立單片機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)之一。與歐美、日本不同，以 HEC、HOLTEK 和 WINBOND 為代表的臺灣地區(qū)的單片機(jī)開發(fā)商把精力主要集中在8 位微機(jī)的開發(fā)上。他們這么做也不無道理，因為近兩年來，8 位微控制器的使用量仍在不斷增加，1998 年估計有 2.5billion，1999 年較之 1998 年約有 l2 % 的增長。HOLTEK 開發(fā)了不同應(yīng)用的四大類 8 位單片機(jī)。表 1.21111 為不同類型的 8

31、位單片機(jī)的應(yīng)用情況。單片機(jī)類型應(yīng)用通用型單片機(jī)快速充電器 鼠標(biāo) 汽車防盜器 遙控器 吊扇控制器液晶顯示屏單片機(jī)掌上型游戲機(jī) 計算器 定時控制器 多功能遙控器 計時器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換型單片機(jī)多功能快速電池充電器 家電控制器 多功能測量及遙控器 電表 磅秤傳感型單片機(jī)電阻計 電容計 壓力計 溫度計 體重計華邦的微控制器產(chǎn)品主要有 8-bit 系列產(chǎn)品 w78w77，語音系列產(chǎn)品W523W528W56，嵌入式控制器 W90 系列產(chǎn)品，數(shù)字信號處理產(chǎn)品 W998 系列，WINBOND 側(cè)重于 MCU 產(chǎn)品的整體解決方案，如可視電話方案、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器方案等。2 2 礦井提升機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)分析礦井提升機(jī)交流

32、調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)分析2.12.1 礦井提升機(jī)的數(shù)學(xué)模型礦井提升機(jī)的數(shù)學(xué)模型 礦井提升的工作特點是在一定的距離內(nèi)，以較高的速度往復(fù)運行，完成上升與下降的任務(wù)。為確保提升機(jī)能夠達(dá)到高效、安全、可靠地連續(xù)工作，其必須具備良好的機(jī)械性能，良好的電氣控制設(shè)備和完善的保護(hù)裝置。鑒于礦井提升機(jī)的工作特點，因此要求礦井提升機(jī)的電力拖動系統(tǒng)具有安全可靠、運行高效且定位準(zhǔn)確的能力，以滿足礦井提升工藝過程的需要。圖 21 是礦井提升機(jī)拖動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。為電壓期望值，即通常意義上的速度給定，T 為驅(qū)動輪，*NU1 為牽引鋼絲繩，2 為提升容器，3 為平衡鋼絲繩，M 為驅(qū)動電動機(jī)。調(diào)速系統(tǒng)MT*nU1223T圖 21 礦井

33、提升機(jī)拖動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 礦井提升機(jī)的整個過程可以分為五個階段：加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段、停車抱閘階段。加速階段是提升機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)起動加速到最高速度；等速階段是提升機(jī)的主要運行階段，提升機(jī)以最高速度運行；減速階段是提升機(jī)從最高速度減小到爬行速度；爬行階段是箕斗定位和準(zhǔn)備安全停車考慮。根據(jù)礦井生產(chǎn)安全規(guī)程的要求，要限制提升過程的加速度以及爬行速度。最簡單的運行速度如圖 2-2 所示。 v0t1Vma1t2t3t4a3 圖 22 礦井提升機(jī)給定速度圖為了設(shè)計出滿足有關(guān)規(guī)程規(guī)定要求的副井提升機(jī)控制系統(tǒng)，我們將首先根據(jù)礦井提升機(jī)的工藝過程和特點，分析礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。提升機(jī)

34、電氣傳動系統(tǒng)的給定速度 =如圖 22 所示，根據(jù)動力學(xué)方程v)(tf式= (21)dTeT1T375nT式中電動機(jī)電動力矩; eT傳動系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩;1T傳動系統(tǒng)的飛輪力矩，=4gJ，其中 J 為轉(zhuǎn)動慣量(), g 為重nTnTkg2m力加速度();2sm傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩(Nm),dTN加速度。可以得出按給定速度圖所需轉(zhuǎn)矩=的特性，從而可以得到拖動系統(tǒng)所eT)(tf需的力 = 如下圖：F)(tf速度負(fù)載速度電動提升力負(fù)載靜力加速度tttt圖 a圖 b圖 c圖 dVaFlFdt1t2t3t4t7t8t9t5圖 23 提升機(jī)傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖55提升機(jī)的負(fù)載靜力，決定于提升機(jī)滾筒承受的靜張

35、力差。由于提升系統(tǒng)的負(fù)LF載為位勢負(fù)載，所以靜力的作用方向始終是提升重物的重力方向，而與系統(tǒng)LF的運動狀態(tài)和方向無關(guān)，因此在電動機(jī)不帶電時，為了使重的罐籠處于靜止?fàn)顟B(tài)(便于罐籠的裝卸載)，對滾筒必須施加機(jī)械閘。從圖 23 可以看出，要使提升機(jī)按照給定的速度圖運行，電動力矩可能為正，也可能為負(fù)。這意味著電eT動機(jī)不僅要工作在電動狀態(tài)，還應(yīng)能工作在制動狀態(tài)。由于不同的負(fù)載，不同的提升機(jī)運行階段，電動機(jī)的運行狀態(tài)也各不相同。圖 24 示出了平衡提升系統(tǒng)的四種不同的運行狀態(tài)。(1)重物上提，靜載量較大其給定速度圖與力圖如圖 24(a)所示。在加速段=(0) （22）1dF375nTdndtLFLF其中

36、為加速力矩與等速力舉之差1dF加速度力矩為:=+0 （23）lFLF1dF在等速段，等速度力矩為：=0（24）2FLF在減速段0，但|0 （25）3FLF3dF其中為減速力矩與等速力舉之差3dF在爬行段，爬行力矩為=0 （26）4FLF根據(jù)此力圖可知，電動機(jī)在各階段均工作在正向電動狀態(tài)。FVFd1FLFd1Fd3t1t2t3t(a)重物上提，靜載且較大()3dFLF FVFLvt1t2t3t(c)重物下放，靜載且較小( 1dFLFFVFLvt1t2t3tFd1Fd3 (d)重物下放，靜載量較大()。其給定速度圖和力圖如圖 24(b)所3dFLF示。在加速段，加速度力矩 =+0 （27）1F1d

37、FLF在等速段，等速度力矩 =0 （28）2F1F在減速段，減速度力矩 0，但|0 （29） 3dF3dFLF在爬行段，爬行力矩=o （210）4FLF 根據(jù)力圖可知，電動機(jī)在加速段和等速段，工作在正向電動狀態(tài);在減速段，工作在正向制動狀態(tài);在爬行段，又工作在正向電動狀態(tài)。也就是說，在整個提升過程中，電動機(jī)的運行狀態(tài)應(yīng)切換兩次。 (2)重物下放，靜載量較小()。其給定速度圖與力圖如圖 24 (c)所示。1dFLF在加速段 0，|1dFLF1dFLF=+o （211）1FLF1dF在等速段 =0（） （213）3dF3dFLF3dF 在爬行段 =0 （214）4FLF根據(jù)力圖可知，電動機(jī)在加速階

38、段，工作在正向電動狀態(tài);在等速、減速和爬行階段，電動機(jī)均工作在正向制動狀態(tài)。(3)重物下放，且靜載量較大(O, 0，|，=+ SPEEDFLAG使能正交解碼電路定時器 T3 定向增減計數(shù)讀取定時器 T3 計數(shù)值計算定時器 T2 計數(shù)值計算轉(zhuǎn)速調(diào)用濾波子程序0- SPEEDFLAG計算兩次計數(shù)差值使能捕獲單元 1, 2轉(zhuǎn)速計算定時器 T3 連續(xù)增計數(shù)轉(zhuǎn)速300r/m返回NNYYM 法測速Y（T 法測速）NNY 圖 67 測速子程序流程圖為了實現(xiàn)精確的測速，在中高轉(zhuǎn)速(450r/min)時采用 M 法，在低轉(zhuǎn)速(=eFaiLac1 DELTA_faiSub efaiSac1 Com_AX ；中間變

39、量LACC Com_AXBcnd S_FLUXL,LEQSplk #1,faiRetS_FLUX1: Idp #4 ; CMPR1,2,3=0, ,a b cs0-CMPR1,2,3返回NY圖 69 存器重載流程圖由查優(yōu)化開關(guān)狀態(tài)子程序得到的開關(guān)狀態(tài)為 07 值，必須將其分解為對應(yīng)的三個狀態(tài)量，以二進(jìn)制數(shù) 0 表示低電平狀態(tài)，1 表示高電平狀態(tài)。如圖 6-9 當(dāng)判斷 Sa，b, Sc 為 0 時，則裝載周期值，不為 0 時裝載 0。從下個周期開始則以新裝載的比較值輸出相應(yīng)的 PWM 脈沖信號。結(jié)論結(jié)論礦山企業(yè)是用電大戶，而礦井提升機(jī)作為礦山機(jī)械的大型綜合機(jī)械電氣設(shè)備，又是礦山耗電量最大的設(shè)備之

40、一。因此，研制礦井提升機(jī)運行過程，提高提升機(jī)的用電效率，增加提升機(jī)的控制可靠性，將具有重要的社會經(jīng)濟(jì)意義。在本次的設(shè)計中，利用變頻技術(shù)和單片機(jī)控制原理對礦井提升機(jī)運行過程進(jìn)行控制，具有控制系統(tǒng)安全可靠、動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快、加載精度高、節(jié)能效果好等特點，對現(xiàn)有礦井提升機(jī)的改進(jìn)及設(shè)計高性能的礦井提升設(shè)備提供有效的途徑。本項目采用變頻控制系統(tǒng)對提升機(jī)工作過程進(jìn)行控制，當(dāng)?shù)V井提升機(jī)處于減速下落過程中，采用帶測速負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，對提升機(jī)制動力矩進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的同時，采用 DSP 的 TMS320F240 芯片和智能功率模塊（IPM）的有源逆變系統(tǒng)和幅相控制原理，并采用單片機(jī) TMS320F240 芯

41、片和對 IPM 進(jìn)行控制。本次設(shè)計由于時間和實驗室條件，本人經(jīng)驗受限，關(guān)于變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制只有從書上了解它們的原理，而不能對其整個系統(tǒng)有實際的具體的完整的了解，由于本人知識授限，本次設(shè)計只進(jìn)行了方法的選擇論證和一些外部元件的選擇。致謝致謝本論文是在指導(dǎo)老師白穎老師的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下完成的,其中凝聚著指導(dǎo)老師的智慧和心血。白穎老師在多年來取得過令人矚目的成就。在師從的整個過程中，深感導(dǎo)師學(xué)識淵博，才思敏捷。在科學(xué)研究中，導(dǎo)師素以嚴(yán)謹(jǐn)求是的治學(xué)態(tài)度和不畏艱難的探索精神而著稱。在日常生活中，導(dǎo)師嚴(yán)于律己，寬以待人;他雷厲風(fēng)行的工作作風(fēng)和誨人不倦、胸懷寬闊的人格魅力和高尚情操，極大地啟迪著我，

42、時時鞭策和激勵著我，使我終生受益。沒有老師的精心指導(dǎo)和鼎力支持，我就不可能完成今天的課題和論文。指導(dǎo)老師為我提供了良好的學(xué)習(xí)條件和設(shè)計環(huán)境，指導(dǎo)我選擇課題，開展設(shè)計工作，在研究方法、系統(tǒng)實驗和指導(dǎo)撰寫學(xué)位論文等方面都對我進(jìn)行了非常細(xì)致而具體的指導(dǎo)。在此向敬愛的導(dǎo)師余以道教授表示深深的感謝，感謝導(dǎo)師畢業(yè)設(shè)計期間對我的培養(yǎng)、關(guān)懷和教導(dǎo)。特別感謝兩年來各位老師在我學(xué)習(xí)與生活中遇到問題、困難時給予我的關(guān)心和幫助。感謝我的各位同學(xué)，他們在我遇到困難時給了我許多鼓勵和幫助，在學(xué)習(xí)和生活上也給了我許多有益的關(guān)心和照顧。特別感謝我的家人對我的培養(yǎng)和無微不至的照顧，使我能夠心無旁貸的在求學(xué)路上奮進(jìn)。深深地感激含

43、辛茹苦養(yǎng)育了我的父母，他們無私地支持、鼓勵和幫助了我。衷心地感謝各位老師在百忙之中評閱我的學(xué)位論文和為我的學(xué)位論文進(jìn)行答辯。參考文獻(xiàn)1李華德主編，交流調(diào)速系統(tǒng)M，電子工業(yè)出版社，20032張燕賓編著，變頻調(diào)速 460 問M，機(jī)械工業(yè)出版社，20053劉美俊編著，通用變頻器應(yīng)用技術(shù)M，福建科學(xué)技術(shù)出版社，20044張玉蓉、周法孔編著，礦井提升設(shè)備M，煤炭工業(yè)出版社，19935王清靈、龔幼民編著，現(xiàn)代礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)M，機(jī)械工業(yè)出版社，19966李愛文、張承慧編著，現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用M，科學(xué)出版社，20007周志敏、周紀(jì)海、紀(jì)愛華編著，變頻器，電子工業(yè)出版社，20058史國生主編，交直流調(diào)速系統(tǒng)M，化學(xué)工業(yè)出版社，20029鄧星鐘主編。機(jī)電傳動控制M（第三版）,華中科技大學(xué)出版社，200110齊永龍. 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究D,西南交通大