基于A(yíng)T89C51控制的直流電動(dòng)機雙環(huán)調速系統

0 引言

進(jìn)入20世紀80年代后，因為微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來(lái)越高，對運動(dòng)控制系統產(chǎn)生了很重要的影響，運動(dòng)控制系統的控制方式迅速向微機控制方向發(fā)展，并由硬件控制轉向軟件控制，智能化的軟件控制將成為運動(dòng)控制系統的一個(gè)發(fā)展趨勢。運動(dòng)系統控制器的實(shí)現方式在數字控制中也在向硬件方式發(fā)展。在軟件方式中也是從運動(dòng)系統的外環(huán)向內環(huán)，進(jìn)而向接近電動(dòng)機環(huán)路的更深層發(fā)展。目前，運動(dòng)系統的數字控制大都是采用硬件與軟件相結合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實(shí)現的。本文介紹了采用AT89C51作為控制器核心，晶閘管觸發(fā)和轉速測量等環(huán)節實(shí)現的全數字化的微機控制電動(dòng)機雙閉環(huán)調速系統。

1 微機控制電動(dòng)機雙閉環(huán)調速系統原理框圖

采用AT89C51作為控制器核心，晶閘管觸發(fā)和轉速測量等環(huán)節都實(shí)現全數字化的微機控制電動(dòng)機雙閉環(huán)調速系統結構原理框圖如圖1所示，其內環(huán)是電流反饋及控制環(huán)，外環(huán)是電動(dòng)機轉速反饋及控制環(huán)，內環(huán)和外環(huán)的調節都是由AT89C51單片微機軟件完成數字PI控制律的運算。

由圖1可知系統中設置的轉速和電流兩個(gè)調節器，為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，兩個(gè)調節器都采用PI調節器。這種雙閉環(huán)調節器結構能恰當發(fā)揮電流截止負反饋和轉速負反饋的作用。再加上微機控制系統能采用高分辨率的數字觸發(fā)器和高精度數字測速裝置，可以更好地滿(mǎn)足高性能工業(yè)傳動(dòng)的要求。

2調速系統的硬件組成

系統的主電路是晶閘管三相全控橋，直流電動(dòng)機。晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生和移相由微機控制電路輸出。轉速的檢測采用數字測速器，它是用微機讀取與電動(dòng)機聯(lián)軸的光電編碼器輸出的脈沖數，經(jīng)微機計算后得出轉速值。整個(gè)系統的硬件結構如圖2所示，

2.1 使用的主要芯片

AT89C51單片機：用作系統的監控，讀取采樣數據，進(jìn)行PI運算，輸出控制量。

8253：可編程定時(shí)計數器芯片，具有3個(gè)16位定時(shí)計數器，用于數字測速和數字觸發(fā)移相。

8155：可編程I／O接口擴展芯片，用于輸出三相全控橋六個(gè)晶閘管的雙脈沖觸發(fā)信號，并保證觸發(fā)脈沖與三相電網(wǎng)的同步。256個(gè)片內RAM用于存放采樣數據。

8279：可編程鍵盤(pán)、顯示接口芯片，用于轉速設定值和電動(dòng)機起／?？刂泼畹淖x入以及電動(dòng)機運行中轉速、電流和系統監控狀態(tài)的顯示。

ADC0809：8位A／D轉換芯片，將電樞電流Id的值轉換為數宇量。

2.2 數字移相觸發(fā)脈沖輸出電路

要提高調速系統的控制精度，首先必須保證數字觸發(fā)的移相精度并嚴格與三相電源保持同步。

2.2.1同步電路

為了使主電路三相全控橋的各相觸發(fā)脈沖與晶閘管陽(yáng)極電壓保持嚴格的相位關(guān)系，控制系統要設置專(zhuān)門(mén)的同步電路，如圖3所示。圖中，同步變壓器與主變壓器一樣接成Y／Y012接法，同步電壓先由二級RC濾波電路濾除電源干擾，并通過(guò)調整R值，實(shí)現90。移相，使三個(gè)相同步電壓分別與晶閘管電源三相線(xiàn)電壓保持同相位。

2.2.2觸發(fā)脈沖輸出電路

觸發(fā)器輸出電路用兩片74LSl75四D觸發(fā)器作為移相觸發(fā)脈沖輸出的控制門(mén)，觸發(fā)脈沖的寬度由74LSl23單穩電路控制。由74LSl23的6 個(gè) 端輸出六個(gè)晶閘管觸發(fā)字碼，經(jīng)光電隔離，脈沖經(jīng)功放后觸發(fā)對應的晶閘管。端在控制門(mén)關(guān)閉時(shí)都為“1”，此時(shí)6塊觸發(fā)功放板上的光耦TIL113截止，VT1導通，后級的脈沖功放管3DK9截止，無(wú)觸發(fā)脈沖輸出；在觸發(fā)脈沖門(mén)開(kāi)啟時(shí)，由晶閘管雙脈沖觸發(fā)要求，在6個(gè)端中每次必有兩位為“0”的負觸發(fā)脈沖，此時(shí)對應的光耦導通，VTl截止，3DK9導通，輸出的觸發(fā)脈沖經(jīng)脈沖變壓器送到相應的晶閘管門(mén)極。

2.3 數字測速電路

轉速檢測的精度和快速性對電機調速系統的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。為了在較寬的速度范圍內獲得高精度和快速的數字測速，本系統使用每轉1024線(xiàn)的光電編碼器作轉速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉速有固定的比例關(guān)系，微機對該頻率信號采用M／T法測速處理。

數字測速用8253的0號、1號計數器分別對m1和m2進(jìn)行計數，D觸發(fā)器F1用來(lái)使m2的計數與測速脈沖計數同步，由于8253為下降沿計數，故使用反相器G，啟動(dòng)測速和停止測速信號由8031單片機的軟件向P1.2口輸出，P1.3口用于測速電路軟件輸出復位脈沖信號。

2.4鍵盤(pán)／顯示接口

整個(gè)微機控制系統的人機聯(lián)系采用了8279可編程鍵盤(pán)／顯示接口芯片。為了便于操作和符合人們的習慣，8279采用傳感器陣列式工作方式，作為按鍵和撥盤(pán)的輸入接口。此處選用3*8陣列。顯示器是5位LED數碼管，它包括1位狀態(tài)符號顯示和4位數據顯示，都采用動(dòng)態(tài)顯示方式。

3 調速系統的軟件設計

該系統用AT89C51單片機代替了直流電動(dòng)機雙環(huán)調速裝置中的電流和轉速控制器以及6路觸發(fā)脈沖發(fā)生電路。整個(gè)控制程序由主程序、外中斷服務(wù)程序、PI運算程序及各種輔助程序組成。

主程序主要功能是：上電初始化，設堆棧指針，AT89C51和主要芯片初始化，查詢(xún)傳感器陣列的狀態(tài)并檢查到的命令鍵設置相應的控制命令標志位，故障檢測報警以及等待同步脈沖外中斷等。

同步外中斷服務(wù)程序的主要功能是：轉速反饋信號采樣，按控制命令標志位對應的運行狀態(tài)對轉速環(huán)進(jìn)行PI運算，電流反饋信號采樣，按控制命令標志位對應的運行狀態(tài)對電流環(huán)進(jìn)行PI運算，控制移相角α的時(shí)間值量化，讀電源狀態(tài)字碼S1、S2、S3及判定下一拍應送觸發(fā)脈沖的晶閘管的字碼等。

電流環(huán)和轉速環(huán)的離散化Pl運算都以差分方程形式實(shí)現，其輸出經(jīng)工程量變換量化后，變?yōu)榕c控制移相α所對應的時(shí)間TD，為了提高控制精度，程序中要采用16位的四則運算。

由于整個(gè)系統實(shí)現了數字化控制，所以能很方便地通過(guò)軟件引入各種特殊的控制方式。在電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)，通過(guò)程序的判斷，可以使轉速環(huán)PI數字調節器實(shí)現積分分離，直接進(jìn)行大比例系數的P數字調節器運算；保證電流環(huán)的給定立即達到最大僧，從而使起動(dòng)電流穩定在最大允許值上，實(shí)現快速起動(dòng)。又如，在程序中可設定零電流比較值與電流反饋信號進(jìn)行比較，以判別電流是否斷續，在電流斷續時(shí)自動(dòng)將電流環(huán)節的數字PI運算改為積分運算，并直接修改相應的控制參數，從而使控制系統進(jìn)人一種簡(jiǎn)單的自適應控制模式，提高了微機電動(dòng)機調速系統的動(dòng)態(tài)品質(zhì)因數。

為了增強系統的檢錯和抗干擾能力，程序設計時(shí)采取了以下措施：

(1)程序對輸入輸出出現非常量時(shí)的檢錯。操作人員由于失誤從撥盤(pán)輸入了超出規定范圍的轉速給定值或者當計算機讀人電源狀態(tài)字碼與前次電源狀態(tài)字碼順序出現混亂時(shí)，控制程序能夠通過(guò)判斷及時(shí)進(jìn)行出錯處理：一方面用顯示器給出“出錯標志”，同時(shí)由單片機復立，即停發(fā)觸發(fā)脈沖，斷開(kāi)主電路，使電動(dòng)機自動(dòng)停止運行。

(2)采用程序運行監視定時(shí)器(Watch dog Timer)。在主程序上電初始化時(shí)，建立軟件的監視定時(shí)器系統，使用AT89C51單片機片內定時(shí)器中斷，并設其定時(shí)時(shí)間為10ms。為此，在每次(3.33ms)同步外中斷服務(wù)程序中，要對定時(shí)器清零一次。

4 結束語(yǔ)

直流電動(dòng)機雙環(huán)調速系統采用單片機作為控制系統的微處理器，使得整個(gè)系統有如下特點(diǎn)：

1.統所選器件少，硬件結構簡(jiǎn)單。

2.采用數字控制方式，提高了系統的動(dòng)靜態(tài)性能。

本系統普遍應用于軋鋼、造紙等對速度精度、快速響應要求較高的場(chǎng)合。

參考文獻:
[1] 李仁定主編.電機的微機控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.
[2] 李朝青編著(zhù).單片微機原理及應用技術(shù)[M]. 天津：南開(kāi)大學(xué)出版社，1999
[3] 陳伯時(shí)主編.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統：運動(dòng)控制系統[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003