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[導(dǎo)讀]0 引言進(jìn)入20世紀(jì)80年代后,因為微電子技術(shù)的快速發(fā)展,電路的集成度越來越高,對運動控制系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響,運動控制系統(tǒng)的控制方式迅速向微機控制方向發(fā)展,并由硬件控制轉(zhuǎn)向軟件控制,智能化的軟件控制將成

0 引言

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后,因為微電子技術(shù)的快速發(fā)展,電路的集成度越來越高,對運動控制系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響,運動控制系統(tǒng)的控制方式迅速向微機控制方向發(fā)展,并由硬件控制轉(zhuǎn)向軟件控制,智能化的軟件控制將成為運動控制系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。運動系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)方式在數(shù)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系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán),進(jìn)而向接近電動機環(huán)路的更深層發(fā)展。目前,運動系統(tǒng)的數(shù)字控制大都是采用硬件與軟件相結(jié)合的控制方式,其中軟件控制方式一般是利用微機實現(xiàn)的。本文介紹了采用AT89C51作為控制器核心,晶閘管觸發(fā)和轉(zhuǎn)速測量等環(huán)節(jié)實現(xiàn)的全數(shù)字化的微機控制電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

1 微機控制電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

采用AT89C51作為控制器核心,晶閘管觸發(fā)和轉(zhuǎn)速測量等環(huán)節(jié)都實現(xiàn)全數(shù)字化的微機控制電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示,其內(nèi)環(huán)是電流反饋及控制環(huán),外環(huán)是電動機轉(zhuǎn)速反饋及控制環(huán),內(nèi)環(huán)和外環(huán)的調(diào)節(jié)都是由AT89C51單片微機軟件完成數(shù)字PI控制律的運算。

由圖1可知系統(tǒng)中設(shè)置的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器,為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。這種雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)能恰當(dāng)發(fā)揮電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用。再加上微機控制系統(tǒng)能采用高分辨率的數(shù)字觸發(fā)器和高精度數(shù)字測速裝置,可以更好地滿足高性能工業(yè)傳動的要求。


2調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的主電路是晶閘管三相全控橋,直流電動機。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(zhuǎn)速的檢測采用數(shù)字測速器,它是用微機讀取與電動機聯(lián)軸的光電編碼器輸出的脈沖數(shù),經(jīng)微機計算后得出轉(zhuǎn)速值。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,


2.1 使用的主要芯片

AT89C51單片機:用作系統(tǒng)的監(jiān)控,讀取采樣數(shù)據(jù),進(jìn)行PI運算,輸出控制量。

8253:可編程定時計數(shù)器芯片,具有3個16位定時計數(shù)器,用于數(shù)字測速和數(shù)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個片內(nèi)RAM用于存放采樣數(shù)據(jù)。

8279:可編程鍵盤、顯示接口芯片,用于轉(zhuǎn)速設(shè)定值和電動機起/??刂泼畹淖x入以及電動機運行中轉(zhuǎn)速、電流和系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)的顯示。

ADC0809:8位A/D轉(zhuǎn)換芯片,將電樞電流Id的值轉(zhuǎn)換為數(shù)宇量。

2.2 數(shù)字移相觸發(fā)脈沖輸出電路

要提高調(diào)速系統(tǒng)的控制精度,首先必須保證數(shù)字觸發(fā)的移相精度并嚴(yán)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)脈沖與晶閘管陽極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系,控制系統(tǒng)要設(shè)置專門的同步電路,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,并通過調(diào)整R值,實現(xiàn)90。移相,使三個相同步電壓分別與晶閘管電源三相線電壓保持同相位。

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,觸發(fā)脈沖的寬度由74LSl23單穩(wěn)電路控制。由74LSl23的6 個 端輸出六個晶閘管觸發(fā)字碼,經(jīng)光電隔離,脈沖經(jīng)功放后觸發(fā)對應(yīng)的晶閘管。端在控制門關(guān)閉時都為“1”,此時6塊觸發(fā)功放板上的光耦TIL113截止,VT1導(dǎo)通,后級的脈沖功放管3DK9截止,無觸發(fā)脈沖輸出;在觸發(fā)脈沖門開啟時,由晶閘管雙脈沖觸發(fā)要求,在6個端中每次必有兩位為“0”的負(fù)觸發(fā)脈沖,此時對應(yīng)的光耦導(dǎo)通,VTl截止,3DK9導(dǎo)通,輸出的觸發(fā)脈沖經(jīng)脈沖變壓器送到相應(yīng)的晶閘管門極。

2.3 數(shù)字測速電路

轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對電機調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測速,本系統(tǒng)使用每轉(zhuǎn)1024線的光電編碼器作轉(zhuǎn)速傳感器,它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)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(shù)字測速用8253的0號、1號計數(shù)器分別對m1和m2進(jìn)行計數(shù),D觸發(fā)器F1用來使m2的計數(shù)與測速脈沖計數(shù)同步,由于8253為下降沿計數(shù),故使用反相器G,啟動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(fù)位脈沖信號。

2.4鍵盤/顯示接口 

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

3 調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該系統(tǒng)用AT89C51單片機代替了直流電動機雙環(huán)調(diào)速裝置中的電流和轉(zhuǎn)速控制器以及6路觸發(fā)脈沖發(fā)生電路。整個控制程序由主程序、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(shè)堆棧指針,AT89C51和主要芯片初始化,查詢傳感器陣列的狀態(tài)并檢查到的命令鍵設(shè)置相應(yīng)的控制命令標(biāo)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(zhuǎn)速反饋信號采樣,按控制命令標(biāo)志位對應(yīng)的運行狀態(tài)對轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行PI運算,電流反饋信號采樣,按控制命令標(biāo)志位對應(yīng)的運行狀態(tài)對電流環(huán)進(jìn)行PI運算,控制移相角α的時間值量化,讀電源狀態(tài)字碼S1、S2、S3及判定下一拍應(yīng)送觸發(fā)脈沖的晶閘管的字碼等。

電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的離散化Pl運算都以差分方程形式實現(xiàn),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(yīng)的時間TD,為了提高控制精度,程序中要采用16位的四則運算。

由于整個系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化控制,所以能很方便地通過軟件引入各種特殊的控制方式。在電動機起動時,通過程序的判斷,可以使轉(zhuǎn)速環(huán)PI數(shù)字調(diào)節(jié)器實現(xiàn)積分分離,直接進(jìn)行大比例系數(shù)的P數(shù)字調(diào)節(jié)器運算;保證電流環(huán)的給定立即達(dá)到最大僧,從而使起動電流穩(wěn)定在最大允許值上,實現(xiàn)快速起動。又如,在程序中可設(shè)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(xù),在電流斷續(xù)時自動將電流環(huán)節(jié)的數(shù)字PI運算改為積分運算,并直接修改相應(yīng)的控制參數(shù),從而使控制系統(tǒng)進(jìn)人一種簡單的自適應(yīng)控制模式,提高了微機電動機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)因數(shù)。

為了增強系統(tǒng)的檢錯和抗干擾能力,程序設(shè)計時采取了以下措施:

(1)程序?qū)斎胼敵龀霈F(xiàn)非常量時的檢錯。操作人員由于失誤從撥盤輸入了超出規(guī)定范圍的轉(zhuǎn)速給定值或者當(dāng)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(xiàn)混亂時,控制程序能夠通過判斷及時進(jìn)行出錯處理:一方面用顯示器給出“出錯標(biāo)志”,同時由單片機復(fù)立,即停發(fā)觸發(fā)脈沖,斷開主電路,使電動機自動停止運行。

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

4 結(jié)束語

直流電動機雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用單片機作為控制系統(tǒng)的微處理器,使得整個系統(tǒng)有如下特點:

1.統(tǒng)所選器件少,硬件結(jié)構(gòu)簡單。

2.采用數(shù)字控制方式,提高了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。

本系統(tǒng)普遍應(yīng)用于軋鋼、造紙等對速度精度、快速響應(yīng)要求較高的場合。

參考文獻(xiàn):
[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.單片微機原理及應(yīng)用技術(shù)[M]. 天津:南開大學(xué)出版社,1999
[3] 陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng):運動控制系統(tǒng)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2003

 

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