自校正模糊控制交流電機轉(zhuǎn)速調(diào)整器的研究與設(shè)計

摘要：分析了由MCU和雙向晶閘管開關(guān)來控制通用電動機轉(zhuǎn)速的原理，提出了一種提高電動機效率的設(shè)計方案，給出了該實現(xiàn)方案的硬件電路和軟件程序框圖，同時給出了實驗仿真的結(jié)果。

１　引言

在日常生產(chǎn)與生活中，大量電動機都以規(guī)定的速度和功率去拖動各種機械。而在軍事上，很多應(yīng)用往往要求旋轉(zhuǎn)天線在各種條件下都要保持勻速轉(zhuǎn)動,這就要求在不同的情況下，電動機能相應(yīng)調(diào)整工作速度，以保持恒定的速度。要實現(xiàn)這一功能，最常用的方法是對電動機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。改變直流電動機的電樞或交流電動機的定子電壓，都可以在一定的范圍里改變轉(zhuǎn)速；也可用雙向晶閘管交流開關(guān)或直接選用模擬控制的通用電動機驅(qū)動器來取代笨重的電動機、發(fā)電機組以及飽和電抗器。本文介紹一個直接由１１０／２４０Ｖ電源供電的通用電動機驅(qū)動電路和一個ＭＣＵ以及一個雙向晶閘管開關(guān)來實現(xiàn)控速的設(shè)計方法。其中單片機選用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１２Ｆ６７５。與用戶接口的方式有三種?一個是接觸傳感器；一個是按鈕；一個是電位器。筆者在該仿真實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(shè)計方案和結(jié)構(gòu)

２．１ 電路結(jié)構(gòu)

電動機的調(diào)速系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖１所示。使用時，可通過設(shè)置電位器的電阻大小，并經(jīng)Ａ／Ｄ輸入單片機來預(yù)設(shè)速度；單片機通過同步電路與２２０Ｖ交流電源同步，并通過輸出脈沖控制晶閘管的通斷，從而控制電動機的速度，同時將電動機的速度通過速度檢測裝置（霍爾開關(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(shè)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、雙向晶閘管開關(guān)和電機整流電路和霍爾開關(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(shè)計如下：

（１）ＧＰ３用于上電復(fù)位。在通電的瞬間，Ｃ３通過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(yīng)大于０．１μＦ。二極管Ｄ２的作用是在電源快速反復(fù)通斷時，保證Ｃ３電容能及時放電。

圖2

    （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輸入一個電平（ＧＰ４在這里的功能是１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器）。該輸入電平通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后，用于給單片機輸入一個預(yù)設(shè)速度。將該速度和實際速度進行比較，并計算出速度的偏差，然后查表或通過算法便可以得到延遲Ｔｄ。電位器Ｒ１的阻值應(yīng)較大（在１００ｋΩ左右），以減少５Ｖ副電源的負載壓力。    在正常工作時，霍爾開關(guān)被放置在電動機內(nèi)按周期強度和方向發(fā)生變化的磁場中。其輸出電壓的大小隨著垂直通過霍爾開關(guān)半導(dǎo)體薄片的磁場的強度變化，霍爾開關(guān)有電流式和開關(guān)式兩種。電流式霍爾開關(guān)輸出的是模擬信號，可完全包含磁通量的變化情況；而開關(guān)式霍爾開關(guān)則由于集成了比較器，因而可直接輸出數(shù)字信號。本設(shè)計采用數(shù)字式無疑是最方便的。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腳上輸入的一個門限電平（由兩個電阻分壓得到）通過單片機內(nèi)部的比較器和ＧＰ０腳的轉(zhuǎn)速模擬信號進行比較，也可以實現(xiàn)信號檢測。    此外，在實際應(yīng)用中，雙向晶閘管開關(guān)對觸發(fā)電路的要求如下：

（３） 通過ＧＰ２可輸入同步信號。由于２２０Ｖ的交流電源頻率不是很穩(wěn)，因此，為了保證延遲Ｔｄ的精確，應(yīng)通過Ｒ５輸入交流信號進行同步。ＧＰ２在這里的功能也是Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，它可將通過Ｒ５輸入的交流信號轉(zhuǎn)化成數(shù)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ＧＰ０可輸入霍爾器件產(chǎn)生的電動機轉(zhuǎn)速信號。

霍爾開關(guān)是用于磁場檢測的半導(dǎo)體傳感器，霍爾開關(guān)的實際接線圖如圖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。

 

由于實際的霍爾開關(guān)要接在電動機的線圈附近，手工改造電動機相對比較困難。因此，該設(shè)計為了方便演示，可以使用一個由５５５定時器設(shè)計的多諧振蕩器產(chǎn)生的頻率脈沖信號來替代霍爾開關(guān)的輸出信號。

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

 

（１） 雙向晶閘管開關(guān)從截止到完全導(dǎo)通需要一定的時間（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(yīng)在４～１０Ｖ，電流要大于１０ｍＡ，所以可使用５Ｖ的副電源。在雙向晶閘管開關(guān)和ＧＰ５之間應(yīng)接一個０．２ｋΩ的電阻。

（３） 不觸發(fā)時的電壓應(yīng)小于０．１５～０．２Ｖ。觸發(fā)脈沖的前沿要盡量陡，應(yīng)在１０μｓ以下。

３　軟件的實現(xiàn)

圖４是該設(shè)計中轉(zhuǎn)速和檢測信號的波形時序圖，圖５是本設(shè)計方案的軟件程序流程圖。該程序的主要步驟是復(fù)位、初始化、設(shè)置ＧＰ２上升沿中斷、設(shè)置Ａ／Ｄ通道ＧＰ４、讀取電位器設(shè)定的速度值ｎ（ｎ經(jīng)過Ａ／Ｄ）和讀取Ｔｄ預(yù)先設(shè)定值等。當交流電源變?yōu)樨摪胫芷跁r，設(shè)置ＧＰ２下降沿觸發(fā)和延遲Ｔｄ即可輸出寬度為Ｔｇ的脈沖，同時設(shè)置ＧＰ０接收中斷源請求等。一般當霍爾開關(guān)輸入為上升沿時中斷，計數(shù)器計數(shù)，而當霍爾開關(guān)再輸入一個上升沿中斷時，計數(shù)器停止，并記下數(shù)值ａ，最后在通過比例積分調(diào)節(jié)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，在設(shè)置ＧＰ２上升沿觸發(fā)、設(shè)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ＧＰ４讀取設(shè)置速度ｎ。設(shè)計時正負周期的程序循環(huán)進行。通過計數(shù)器的數(shù)值ａ計算轉(zhuǎn)速ｓ的算式如下：

ｓ＝ｆ／ａ

其中，ｆ是十六位計數(shù)器１的頻率，為１ＭＨｚ。

實際上，通過ｎ和ａ由單片機計算延遲ｔｄ需要一個準確的算法。數(shù)字調(diào)節(jié)算法一般選擇ＰＩ算法，這是在工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。其作用在于能夠集比例調(diào)節(jié)的快速和積分調(diào)節(jié)的清除靜差作用于一體，從而使系統(tǒng)的靜、動特性都有所改善。

４　結(jié)論

本文設(shè)計的簡單易行的電動機調(diào)速器雖然解決了電動機的運行效率問題，也比較簡單實用。但也有一些需要改進的地方，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。