自校正模糊控制交流電機轉速調整器的設計

１　引言

在日常生產(chǎn)與生活中，大量電動(dòng)機都以規定的速度和功率去拖動(dòng)各種機械。而在軍事上，很多應用往往要求旋轉天線(xiàn)在各種條件下都要保持勻速轉動(dòng),這就要求在不同的情況下，電動(dòng)機能相應調整工作速度，以保持恒定的速度。要實(shí)現這一功能，最常用的方法是對電動(dòng)機的轉速進(jìn)行調節。改變直流電動(dòng)機的電樞或交流電動(dòng)機的定子電壓，都可以在一定的范圍里改變轉速；也可用雙向晶閘管交流開(kāi)關(guān)或直接選用模擬控制的通用電動(dòng)機驅動(dòng)器來(lái)取代笨重的電動(dòng)機、發(fā)電機組以及飽和電抗器。本文介紹一個(gè)直接由１１０／２４０Ｖ電源供電的通用電動(dòng)機驅動(dòng)電路和一個(gè)ＭＣＵ以及一個(gè)雙向晶閘管開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現控速的設計方法。其中單片機選用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１２Ｆ６７５。與用戶(hù)接口的方式有三種一個(gè)是接觸傳感器；一個(gè)是按鈕；一個(gè)是電位器。筆者在該仿真實(shí)驗中采用的是電位器。輔助電源從電源電壓中變壓整流獲得。

２　設計方案和結構

２．１ 電路結構

電動(dòng)機的調速系統是一個(gè)閉環(huán)系統，其結構圖如圖１所示。使用時(shí)，可通過(guò)設置電位器的電阻大小，并經(jīng)Ａ／Ｄ輸入單片機來(lái)預設速度；單片機通過(guò)同步電路與２２０Ｖ交流電源同步，并通過(guò)輸出脈沖控制晶閘管的通斷，從而控制電動(dòng)機的速度，同時(shí)將電動(dòng)機的速度通過(guò)速度檢測裝置（霍爾開(kāi)關(guān)）反饋給單片機以形成閉環(huán)。

２．２ 單片機電路的功能原理

該設計中單片機電路的功能原理圖如圖２所示。它由５Ｖ直流副電源和２２０Ｖ交流主電源、單片機、雙向晶閘管開(kāi)關(guān)和電機整流電路和霍爾開(kāi)關(guān)組成。其中，單片機的腳１（Ｖｄｄ）接＋５Ｖ腳８（Ｖｓｓ）接地，其它引腳的功能與設計如下：

（１）ＧＰ３用于上電復位。在通電的瞬間，Ｃ３通過(guò)Ｒ２充電ＧＰ３以經(jīng)延遲后低電平觸發(fā)。延遲的大小和ＣＰＵ的頻率有關(guān)，對于ＰＩＣ１２Ｆ６７５單片機，延遲只要大于７２ｍｓ就可以了。ＧＰ３外的電阻可以選１ｋΩ電容應大于０．１μＦ。二極管Ｄ２的作用是在電源快速反復通斷時(shí)，保證Ｃ３電容能及時(shí)放電。

（２）ＧＰ４主要用于速度信息的輸入。該腳外的電位器Ｒ１用于為ＧＰ４輸入一個(gè)電平（ＧＰ４在這里的功能是１０位Ａ／Ｄ轉換器）。該輸入電平通過(guò)Ａ／Ｄ轉換后，用于給單片機輸入一個(gè)預設速度。將該速度和實(shí)際速度進(jìn)行比較，并計算出速度的偏差，然后查表或通過(guò)算法便可以得到延遲Ｔｄ。電位器Ｒ１的阻值應較大（在１００ｋΩ左右），以減少５Ｖ副電源的負載壓力。

（３） 通過(guò)ＧＰ２可輸入同步信號。由于２２０Ｖ的交流電源頻率不是很穩，因此，為了保證延遲Ｔｄ的精確，應通過(guò)Ｒ５輸入交流信號進(jìn)行同步。ＧＰ２在這里的功能也是Ａ／Ｄ轉換器，它可將通過(guò)Ｒ５輸入的交流信號轉化成數字信號。Ｒ５的阻值要大約在１ＭΩ左右。因為Ｒ５直接接在２２０Ｖ的交流電源上，而單片機的輸入電流不能太大。

（４）通過(guò)ＧＰ０可輸入霍爾器件產(chǎn)生的電動(dòng)機轉速信號。

霍爾開(kāi)關(guān)是用于磁場(chǎng)檢測的半導體傳感器，霍爾開(kāi)關(guān)的實(shí)際接線(xiàn)圖如圖３所示，ＰＩＣ１２Ｆ６７５的１腳接５Ｖ直流電源，２腳接地，３腳輸出頻率脈沖給單片機的ＧＰ０腳。

在正常工作時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)被放置在電動(dòng)機內按周期強度和方向發(fā)生變化的磁場(chǎng)中。其輸出電壓的大小隨著(zhù)垂直通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)半導體薄片的磁場(chǎng)的強度變化，霍爾開(kāi)關(guān)有電流式和開(kāi)關(guān)式兩種。電流式霍爾開(kāi)關(guān)輸出的是模擬信號，可完全包含磁通量的變化情況；而開(kāi)關(guān)式霍爾開(kāi)關(guān)則由于集成了比較器，因而可直接輸出數字信號。本設計采用數字式無(wú)疑是最方便的。如果采用電流式，由于選用的是功能全面的自帶比較器的ＰＩＣ１２Ｆ６７５單片機，它的ＧＰ１腳上輸入的一個(gè)門(mén)限電平（由兩個(gè)電阻分壓得到）通過(guò)單片機內部的比較器和ＧＰ０腳的轉速模擬信號進(jìn)行比較，也可以實(shí)現信號檢測。

由于實(shí)際的霍爾開(kāi)關(guān)要接在電動(dòng)機的線(xiàn)圈附近，手工改造電動(dòng)機相對比較困難。因此，該設計為了方便演示，可以使用一個(gè)由５５５定時(shí)器設計的多諧振蕩器產(chǎn)生的頻率脈沖信號來(lái)替代霍爾開(kāi)關(guān)的輸出信號。

（５）ＧＰ５腳輸出的低電平脈沖用于觸發(fā)雙向晶閘管開(kāi)關(guān)，其腳輸出低電平脈沖的時(shí)間是由延遲Ｔｄ決定的，要保證和主電源同步才能使相位平穩的前后移動(dòng)。ＧＰ５腳的低脈沖可以使雙向晶閘管開(kāi)關(guān)保持導通，直到２２０Ｖ電源反向。

此外，在實(shí)際應用中，雙向晶閘管開(kāi)關(guān)對觸發(fā)電路的要求如下：

（１） 雙向晶閘管開(kāi)關(guān)從截止到完全導通需要一定的時(shí)間（一般在１０μｓ下），所以觸發(fā)脈沖的寬度要在１０μｓ以上，最好為２０～５０μｓ。如果是感性負載，由于電流上升比較慢，實(shí)際上還需要更寬的脈沖寬度。

（２） 觸發(fā)電路要有足夠大的電壓和電流。電壓應在４～１０Ｖ，電流要大于１０ｍＡ，所以可使用５Ｖ的副電源。在雙向晶閘管開(kāi)關(guān)和ＧＰ５之間應接一個(gè)０．２ｋΩ的電阻。

（３） 不觸發(fā)時(shí)的電壓應小于０．１５～０．２Ｖ。觸發(fā)脈沖的前沿要盡量陡，應在１０μｓ以下。

３　軟件的實(shí)現

圖４是該設計中轉速和檢測信號的波形時(shí)序圖，圖５是本設計方案的軟件程序流程圖。該程序的主要步驟是復位、初始化、設置ＧＰ２上升沿中斷、設置Ａ／Ｄ通道ＧＰ４、讀取電位器設定的速度值ｎ（ｎ經(jīng)過(guò)Ａ／Ｄ）和讀?。裕漕A先設定值等。當交流電源變?yōu)樨摪胫芷跁r(shí)，設置ＧＰ２下降沿觸發(fā)和延遲Ｔｄ即可輸出寬度為Ｔｇ的脈沖，同時(shí)設置ＧＰ０接收中斷源請求等。一般當霍爾開(kāi)關(guān)輸入為上升沿時(shí)中斷，計數器計數，而當霍爾開(kāi)關(guān)再輸入一個(gè)上升沿中斷時(shí)，計數器停止，并記下數值ａ，最后在通過(guò)比例積分調節算法計算出延遲Ｔｄ后清除ｎ和ａ。當交流電源變?yōu)檎胫芷跁r(shí)，在設置ＧＰ２上升沿觸發(fā)、設置Ａ／Ｄ通道ＧＰ４、等待中斷、補償延遲Ｔ０、延遲Ｔｄ以及觸發(fā)脈沖Ｔｇ后，便可通過(guò)ＧＰ４讀取設置速度ｎ。設計時(shí)正負周期的程序循環(huán)進(jìn)行。通過(guò)計數器的數值ａ計算轉速ｓ的算式如下：

ｓ＝ｆ／ａ

其中，ｆ是十六位計數器１的頻率，為１ＭＨｚ。

實(shí)際上，通過(guò)ｎ和ａ由單片機計算延遲ｔｄ需要一個(gè)準確的算法。數字調節算法一般選擇ＰＩ算法，這是在工業(yè)過(guò)程控制中應用最廣泛的一種控制形式。其作用在于能夠集比例調節的快速和積分調節的清除靜差作用于一體，從而使系統的靜、動(dòng)特性都有所改善。

４　結論

本文設計的簡(jiǎn)單易行的電動(dòng)機調速器雖然解決了電動(dòng)機的運行效率問(wèn)題，也比較簡(jiǎn)單實(shí)用。但也有一些需要改進(jìn)的地方，尤其在軟件方面，還需要加強功能，以提高算法的效率和準確性。