單片機控制的直流調速系統
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直流電動(dòng)機具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷?yè)P機、挖掘機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中應用歷史悠久。大功率直流調速系統通常采用三相全控橋式整流電路對電動(dòng)機進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機的轉速，傳統的控制系統采用模擬元件，雖在一定程度上滿(mǎn)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(xiàn)路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現事故。
目前，直流電動(dòng)機調速系統數字化已經(jīng)走向實(shí)用化，其主要特點(diǎn)是：結構簡(jiǎn)單、維修方便、動(dòng)態(tài)參數調整方便、系統可靠性高、可采用數字濾波來(lái)提高系統的抗干擾性能、可采用數字反饋來(lái)提高系統的精度、具有信息存儲和數據通信的功能以及成本低。
2 總體結構設計
2.1 調速方案的選擇
本設計選用V-M系統。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟且滿(mǎn)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(wú)噪聲、無(wú)磨損、響應快、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 總體結構設計
采用轉速電流雙閉環(huán)調速系統[2]，在系統中設置了兩個(gè)調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實(shí)行串級聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時(shí)加到一個(gè)調節器的輸入端，到達穩態(tài)轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。
綜上所述，本系統用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統中速度調節器、電流調節器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應調節器等，從而使直流調速系統實(shí)現全數字化。其硬件結構如圖1所示。
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3 主電路的設計
整流變壓器的設計。通過(guò)對變壓器二次側電壓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(guò)計算晶閘管的額定電壓和晶閘管的額定電流來(lái)確定晶閘管的型號。
直流調速系統的保護。晶閘管有換相方便，無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數外，還必須采取必要的過(guò)電壓[3]、過(guò)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(guò)電壓保護的部位來(lái)分，有交流側過(guò)壓保護、直流側過(guò)電壓保護和器件兩端的過(guò)電壓保護三種。在電流保護中，快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯(lián)。為了使直流負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 控制電路的設計
4.1 單片機系統
對于快速性和控制精度要求不高的調速系統，可選用高性能8位單片機，本系統采用Inter的MCS-51中的80C31單片機[5]。
單片機系統中，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(gè)PNP中功率三極管以動(dòng)態(tài)掃描方式驅動(dòng)四位LED數字，以顯示轉速、設定速度、電流等數據，兩片74LS374采用線(xiàn)選法與80C31接口，地址分別為0DFFFH和 0BFFFH。在80C31的P3口上外接三個(gè)按鍵，一個(gè)為啟動(dòng)/停止鍵，用于啟動(dòng)或停止電機運轉；另兩個(gè)為顯示選擇鍵，一個(gè)用于控制顯示速度設定值，另一個(gè)用于控制顯示電流值，不按這兩個(gè)鍵時(shí)，顯示實(shí)際電機轉速。另外利用一片74LS374的多余輸出線(xiàn)，外接兩個(gè)LED發(fā)光管，一個(gè)用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個(gè)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
系統使用ADC0808A/D轉換器。寫(xiě)入該地址，啟動(dòng)A/D轉換器。A/D轉換完成，產(chǎn)生EOC脈沖和中斷。這時(shí)，MCU可讀入轉換結果。交流電流通過(guò)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。在調整速度給定值時(shí)，可按下速度給定顯示鍵。這時(shí)，四位LED上將顯示對應于電位器輸入的速度給定值，可調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、調速范圍大的系統，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數字測速。本系統的速度測量采用數字M/T法測速[6]。其中利用T1作為定時(shí)器，計時(shí)Tc時(shí)間產(chǎn)生中斷，旋轉編碼器輸出的脈沖個(gè)數M1由P1.6口檢測，同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數M2由P1.7口檢測，最后由轉速中斷程序完成轉速的測量等等。
4.4 晶閘管控制
晶閘管觸發(fā)采用80C31的定時(shí)器T0實(shí)現。在T0溢出時(shí)，轉到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(shí)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(shí)器T0和外部中斷實(shí)現。
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