黃桂梅, 劉永立, 邵聯(lián)合

(保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定　071051)

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基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

黃桂梅, 劉永立, 邵聯(lián)合

(保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定071051)

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，用于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反轉(zhuǎn)的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，從控制的角度來(lái)看，直流電機(jī)的調(diào)速是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。針對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量與自動(dòng)控制，嘗試采用AVR單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)硬軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)踐，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，可以降低投資成本，減少功耗，提高控制的靈活性。

轉(zhuǎn)速檢測(cè);光電耦合;PI調(diào)節(jié);偏差限幅;積分分離;保護(hù)措施

0　引　言

目前電力拖動(dòng)在工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其中直流電機(jī)具有較好的啟動(dòng)性和可控性，但是其調(diào)速則是一個(gè)重要應(yīng)用課題。一般電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)多采用DCS、PLC等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也有采用通用或智能式PID調(diào)節(jié)器儀表以及變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。上述方式盡管技術(shù)成熟，運(yùn)行可靠，但成本高、硬件部分非常復(fù)雜、功能單一、系統(tǒng)不靈活、調(diào)試?yán)щy、功耗大，阻礙了直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。為此提出了采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，更加智能化，提高可靠性和靈活性。

1　直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件組成

圖1　轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖

如圖1所示，為轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖，圖中采用了AVR單片機(jī)中的mega16芯片作為中央控制單元，本系統(tǒng)除了設(shè)有必要的按鍵輸入和數(shù)碼顯示電路外，其轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與控制主要有輸入和輸出兩個(gè)通道組成。輸入通道：由圖中右上側(cè)的轉(zhuǎn)速傳感器、光電隔離電路組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，并把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)通過(guò)光電隔離電路送到單片機(jī)的PB1口(計(jì)數(shù)器T1口)。輸出通道：主要由光電隔離電路、調(diào)壓模塊、直流電機(jī)組成；單片機(jī)將處理好的信號(hào)，通過(guò)PB3(ORC0)口以脈寬調(diào)制方式通過(guò)光電隔離電路送到調(diào)壓模塊的輸入端，再由調(diào)壓模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。其中輸出通道和輸入通道采用光電隔離的目的是切斷控制器與被控設(shè)備直接的電氣聯(lián)系，增加控制系統(tǒng)的抗干擾能力[2]。

1.1輸入通道

輸入通道主要作用是進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。目前測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法分?jǐn)?shù)字式和模擬式兩類。數(shù)字式通常采用光電感應(yīng)元件或磁電感應(yīng)(磁阻式或霍爾式)元件等為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是脈沖信號(hào)。

圖2　漫反射式轉(zhuǎn)換電路框圖與對(duì)應(yīng)的波形

圖3　轉(zhuǎn)速檢測(cè)的光電隔離電路

數(shù)字式中的光電傳感器其主要類型有漫反射方式和對(duì)射方式兩種，其中漫反射方式安裝更方便。圖2為采用的漫反射方式的轉(zhuǎn)換電路及對(duì)應(yīng)的波形。在電機(jī)轉(zhuǎn)輪上涂有黑白相間的條格。如果顯示周期為1秒時(shí)，涂有12條格的顯示分辨率為60/12=5，即是在該分辨率下只能顯示間隔為5的轉(zhuǎn)速如5 r/min、10 r/min、15 r/min、20 r/min～2 990 r/min、2 995 r/min、3 000 r/min，涂有60條格的分辨率為60/60=1，則能顯示間隔為1的轉(zhuǎn)速如1 r/min、2 r/min、3 r/min、4 r/min～2 998 r/min、2 999 r/min、3 000 r/min，可見(jiàn)條格多分辨率高，但對(duì)光電探頭的頻率響應(yīng)要求也高。例當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min時(shí)，60個(gè)條格的頻率為fn=50×60=3 000 Hz。光電檢測(cè)適用于實(shí)驗(yàn)室或?qū)Νh(huán)境要求較高的場(chǎng)合，對(duì)于一般場(chǎng)合多采用磁電傳感器，但磁電傳感器需加工帶有凸凹的齒輪盤(如圖2虛線部分)且安裝在轉(zhuǎn)軸上。在加工和安裝上都會(huì)增加一定難度，模擬式傳感器多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，為了便于光電隔離需將模擬信號(hào)通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)[3]。如圖1虛線所示。光電隔離電路如圖3所示，光耦集成塊采用線性好的PC817。圖3右下側(cè)為輸入端與測(cè)速傳感器連接給出脈沖信號(hào)，R102為輸入端發(fā)光二極管的限流電阻。輸出端為光電三極管，集電極接入單片機(jī)的PB1專用計(jì)數(shù)器T1口。

1.2輸出通道

圖4　輸出信號(hào)的光電隔離電路

如圖1所示輸出通道的主要作用是根據(jù)單片機(jī)給出的數(shù)字信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。輸出通道的光電隔離同輸入通道的光電隔離選用相同的光耦集成塊PC817。圖4所示為輸出信號(hào)的光電路隔離電路；光耦塊輸入端接收單片機(jī)給出的0 V～5 V的脈寬調(diào)制信號(hào)。因?yàn)槊}寬調(diào)制信號(hào)是通過(guò)占空比來(lái)改變輸出電壓的大小，這樣在驅(qū)動(dòng)光耦塊中的發(fā)光二極管時(shí)總是工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)，從而克服了發(fā)光二極管的非線性對(duì)輸出控制信號(hào)的影響。電位器RW1和電阻R2串聯(lián)構(gòu)成光耦發(fā)光二極管的限流電組，調(diào)RW1可改變輸出信號(hào)光電流的強(qiáng)度，從而使受控的調(diào)壓模塊的輸出電壓在允許的可控范圍內(nèi)。電位器RW2可微調(diào)輸出電流的啟控點(diǎn)。

調(diào)壓模塊一般采用晶閘管移相控制電路[4-5]，調(diào)壓模塊輸入端受光耦塊中光電三極管電流的控制而改變輸出電壓的大小，根據(jù)電壓的大小來(lái)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。

1.3控制面板設(shè)計(jì)

圖5　控制面板設(shè)計(jì)

控制面板布局安排力圖簡(jiǎn)約，以方便使用，降低誤操作的幾率。如圖5所示,四個(gè)1英寸數(shù)碼管用來(lái)顯示四位轉(zhuǎn)速值及控制參數(shù)，按鈕AN1用來(lái)功能切換：轉(zhuǎn)速值→設(shè)定值→控制值→手自動(dòng)切換狀態(tài)…循環(huán).。其中“設(shè)定值”、 “手自動(dòng)狀態(tài)值”僅維持3 s，“ 控制值”維持30 s超過(guò)后自動(dòng)返回顯示轉(zhuǎn)速值。按鍵AN2用來(lái)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整：操作時(shí)通過(guò)“點(diǎn)按”和“按住”加以區(qū)分。XD電源指示燈，S1總機(jī)電源開(kāi)關(guān)。V可控回路電壓表DC 0～220 V，可控回路電流表DC 0～20 A。

2　轉(zhuǎn)速顯示及操作流程

圖6　轉(zhuǎn)速顯示及操作流程圖

轉(zhuǎn)速顯示及操作流程見(jiàn)圖6所示。一般控制器操作參數(shù)根據(jù)工作性質(zhì)分一級(jí)和二級(jí)參數(shù)，比例帶δ_xx(xx：0～99%)、積分時(shí)間t_xx(xx：0～99 s)為二級(jí)參數(shù)；定值信號(hào)/n xxx(10.0～30.0)×100,控制信號(hào)k_xx(xx：0～99%)、手自動(dòng)切換A_on或A_ok為一級(jí)參數(shù)；二級(jí)參數(shù)需由專業(yè)人員調(diào)整；一級(jí)參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)工作人員使用。一般二級(jí)參數(shù)一次性調(diào)好后無(wú)需調(diào)整。如要調(diào)整，則在開(kāi)機(jī)前先按住AN1然后再撥動(dòng)電源開(kāi)關(guān)S1即可。

3　轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

圖7　中斷控制程序流程圖

單片機(jī)構(gòu)成的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是根據(jù)轉(zhuǎn)速給定值sv與轉(zhuǎn)速值pv進(jìn)行比較，取得偏差e值，并根據(jù)偏差值e的性質(zhì)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，然后將運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)換成一個(gè)有效的數(shù)字量來(lái)控制調(diào)壓模塊的電壓，從而間接控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)的效果與調(diào)節(jié)運(yùn)算規(guī)律有著直接關(guān)系，在實(shí)踐中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)常采用比例-積分的PI調(diào)節(jié)規(guī)律。另外單片機(jī)的閉環(huán)控制主要體現(xiàn)在定時(shí)中斷的程序編制中，定時(shí)中斷是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測(cè)、脈寬調(diào)制輸出和實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)規(guī)律的關(guān)鍵程序[6]。其流程圖見(jiàn)圖7所示。由于轉(zhuǎn)速顯示的周期和自動(dòng)調(diào)節(jié)的采樣周期都定為1 s。所以1 s的時(shí)間要精確，否則將直接影響測(cè)速的準(zhǔn)確性和調(diào)節(jié)輸出的效果。故該時(shí)間可由外晶振來(lái)保證。

4　自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件保護(hù)措施

除了硬件要加過(guò)流過(guò)壓保護(hù)措施外，軟件設(shè)計(jì)上也要考慮保護(hù)措施，軟件先于硬件。硬件應(yīng)作為軟件后備保護(hù)。在軟件設(shè)計(jì)中可以考慮如下幾種保護(hù)：

(1) 檢測(cè)回路斷線保護(hù)：如果投入自動(dòng)時(shí)，控制器已給出控制信號(hào)，但轉(zhuǎn)速總為零，偏差總是很大，輸出信號(hào)會(huì)迅速增長(zhǎng)，這樣造成電機(jī)嚴(yán)重過(guò)載。因此當(dāng)“自動(dòng)”與“轉(zhuǎn)速零”與“輸出40%”條件同時(shí)滿足時(shí)，編制保護(hù)程序：① 使系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)② 將輸出至零③ 程序鎖死只能斷電重啟。

(2) 檢測(cè)回路異常保護(hù)：在實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測(cè)速探頭沒(méi)有固定好產(chǎn)生震動(dòng)錯(cuò)位時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制器輸出值的不正?，F(xiàn)象，為此當(dāng)轉(zhuǎn)速值小于3 000 r/min×30%=900 r/min而輸出控制值已大于60%時(shí)，編制程序讓上述保護(hù)程序動(dòng)作。

(3) 超速保護(hù)：超速值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，即當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min×95%=2 850 r/min時(shí)使上述保護(hù)程序動(dòng)作。

(4) 過(guò)流截止型保護(hù)：將調(diào)壓模塊的輸出經(jīng)分流器檢出電流信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換比較電路變換后送到單片機(jī)的一個(gè)I/O口中進(jìn)行程序判斷；即當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定值后該口電平被拉低使保護(hù)程序動(dòng)作。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)證明，上述采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)完全能夠達(dá)到預(yù)期的效果，具有調(diào)節(jié)效果好，成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單，功耗低、靈活性強(qiáng)、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。適合于轉(zhuǎn)速負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)合，如院校實(shí)訓(xùn)室及一般生產(chǎn)單位的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)企事業(yè)的小型生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的單片機(jī)智能設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。對(duì)于轉(zhuǎn)速負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，可引入與轉(zhuǎn)速負(fù)荷有關(guān)聯(lián)的電流信號(hào)作為輔助反饋信號(hào)參與偏差計(jì)算，或構(gòu)建一個(gè)具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)的串級(jí)雙閉環(huán)回路來(lái)進(jìn)一步穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

[1] 史國(guó)生.交直流調(diào)速系統(tǒng)[M]北京. 化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] 呂強(qiáng).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)[J].科技信息,2007,24(1):68-69.

[3] 楊靖.用單片機(jī)控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) [J].機(jī)床電器, 2008,35(1):45-47.

[4] 涴喜明.電力電子技術(shù)[M].北京: 高等教育出版社, 2004.

[5] 栗書(shū)賢.電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[6] 盧春華，姚海燕，張莉. 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].硅谷， 2009,8(20):32-34.

Design and Practice of a DC Motor Speed Control System Based on the Single-chip Microcomputer

HUANG Gui-mei, LIU Yong-li, SHAO Lian-he

(Baoding Electric Power Vocational and Technical College, Baoding Hebei 071051, China)

With its excellent start-up and brake performance, the DC motor can realize smooth speed control over a wide range, thus finding an extensive application in the electric drive field where speed control and rapid inversion is required. In terms of control, the DC motor speed control is the base of the AC drive system. With respect to the speed measurement and automatic control of the DC motor, the paper tries to use an AVR single-chip microcomputer to realize DC motor speed regulation. Through design and actual use of the software and hardware, the DC motor speed control system is proved to achieve the expected effects. It can reduce the cost of investment, cut down power consumption and improve control flexibility.

speed detection; photo-coupling; PI adjustment; deviation limit; integral separation; protection measure

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.001

TP273

A

1000-3886(2016)01-0001-02

黃桂梅(1967-),女,江西南康人、教授、碩士學(xué)位、研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)、檢測(cè)與控制技術(shù)。

定稿日期: 2015-05-09