單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)
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直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中應(yīng)用歷史悠久。大功率直流調(diào)速系統(tǒng)通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。
目前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點是：結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便、系統(tǒng)可靠性高、可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能、可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度、具有信息存儲和數(shù)據(jù)通信的功能以及成本低。
2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 調(diào)速方案的選擇
本設(shè)計選用V-M系統(tǒng)。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋供電方案。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案[1]。
2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)[2]，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。
綜上所述，本系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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圖1 單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 |
3 主電路的設(shè)計
整流變壓器的設(shè)計。通過對變壓器二次側(cè)電壓U2的計算、一次、二次相電流I1、I2的計算以及變壓器容量的計算最后確定整流變壓器的型號。
晶閘管元件的選擇。經(jīng)過計算晶閘管的額定電壓和晶閘管的額定電流來確定晶閘管的型號。
直流調(diào)速系統(tǒng)的保護。晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設(shè)計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓[3]、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關(guān)鍵。以過電壓保護的部位來分，有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。在電流保護中，快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器。
4 控制電路的設(shè)計
4.1 單片機系統(tǒng)
對于快速性和控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)，可選用高性能8位單片機，本系統(tǒng)采用Inter的MCS-51中的80C31單片機[5]。
單片機系統(tǒng)中，80C31外接27128EPROM作為16K程序存儲器，存放全部控制軟件。用兩片74LS374和四個PNP中功率三極管以動態(tài)掃描方式驅(qū)動四位LED數(shù)字，以顯示轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度、電流等數(shù)據(jù)，兩片74LS374采用線選法與80C31接口，地址分別為0DFFFH和 0BFFFH。在80C31的P3口上外接三個按鍵，一個為啟動/停止鍵，用于啟動或停止電機運轉(zhuǎn)；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設(shè)定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉(zhuǎn)速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個LED發(fā)光管，一個用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態(tài)。
4.2 電流測量和速度給定值輸入
系統(tǒng)使用ADC0808A/D轉(zhuǎn)換器。寫入該地址，啟動A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生EOC脈沖和中斷。這時，MCU可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。交流電流通過電流互感器變成0～5V電壓信號，經(jīng)整流和濾波后加到ADC0808的IN0上。速度給定采用電位器輸入，它加到IN1上。在調(diào)整速度給定值時，可按下速度給定顯示鍵。這時，四位LED上將顯示對應(yīng)于電位器輸入的速度給定值，可調(diào)整電位器至顯示值為所需的給定值。
4.3 速度測量
對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測速。本系統(tǒng)的速度測量采用數(shù)字M/T法測速[6]。其中利用T1作為定時器，計時Tc時間產(chǎn)生中斷，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1由P1.6口檢測，同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2由P1.7口檢測，最后由轉(zhuǎn)速中斷程序完成轉(zhuǎn)速的測量等等。
4.4 晶閘管控制
晶閘管觸發(fā)采用80C31的定時器T0實現(xiàn)。在T0溢出時，轉(zhuǎn)到T0中斷處理程序，按脈沖分配表從P1口（P1.0～P1.5）輸出晶閘管觸發(fā)脈沖。然后延時50μs，置位P1.0～P1.5，從而輸出寬度為50μs的觸發(fā)脈沖。同步校正由80C31的定時器T0和外部中斷實現(xiàn)。
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