基于AT89C51控制的直流電動(dòng)機(jī)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

0 引言

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來(lái)越高，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式迅速向微機(jī)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制器的實(shí)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)，進(jìn)而向接近電動(dòng)機(jī)環(huán)路的更深層發(fā)展。目前，運(yùn)動(dòng)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(jī)實(shí)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(cè)量等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字化的微機(jī)控制電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

1 微機(jī)控制電動(dòng)機(jī)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(cè)量等環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的微機(jī)控制電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)軟件完成數(shù)字PI控制律的運(yùn)算。

由圖1可知系統(tǒng)中設(shè)置的轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器，為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，兩個(gè)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(jī)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(cè)速裝置，可以更好地滿足高性能工業(yè)傳動(dòng)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(dòng)機(jī)。晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生和移相由微機(jī)控制電路輸出。轉(zhuǎn)速的檢測(cè)采用數(shù)字測(cè)速器，它是用微機(jī)讀取與電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸的光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，經(jīng)微機(jī)計(jì)算后得出轉(zhuǎn)速值。整個(gè)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(jī)：用作系統(tǒng)的監(jiān)控，讀取采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行PI運(yùn)算，輸出控制量。

8253：可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器芯片，具有3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，用于數(shù)字測(cè)速和數(shù)字觸發(fā)移相。

8155：可編程I／O接口擴(kuò)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(hào)，并保證觸發(fā)脈沖與三相電網(wǎng)的同步。256個(gè)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(dòng)機(jī)起／?？刂泼畹淖x入以及電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(yáng)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(jí)RC濾波電路濾除電源干擾，并通過(guò)調(diào)整R值，實(shí)現(xiàn)90。移相，使三個(gè)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(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(duì)應(yīng)的晶閘管。端在控制門關(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(dǎo)通，后級(jí)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(fù)觸發(fā)脈沖，此時(shí)對(duì)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(cè)速電路

轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)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(cè)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(cè)速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比例關(guān)系，微機(jī)對(duì)該頻率信號(hào)采用M／T法測(cè)速處理。

數(shù)字測(cè)速用8253的0號(hào)、1號(hào)計(jì)數(shù)器分別對(duì)m1和m2進(jìn)行計(jì)數(shù)，D觸發(fā)器F1用來(lái)使m2的計(jì)數(shù)與測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)同步，由于8253為下降沿計(jì)數(shù)，故使用反相器G，啟動(dòng)測(cè)速和停止測(cè)速信號(hào)由8031單片機(jī)的軟件向P1.2口輸出，P1.3口用于測(cè)速電路軟件輸出復(fù)位脈沖信號(hào)。

2.4鍵盤／顯示接口 

整個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)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(hào)顯示和4位數(shù)據(jù)顯示，都采用動(dòng)態(tài)顯示方式。

3 調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)用AT89C51單片機(jī)代替了直流電動(dòng)機(jī)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(gè)控制程序由主程序、外中斷服務(wù)程序、PI運(yùn)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(cè)報(bào)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(hào)采樣，按控制命令標(biāo)志位對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行PI運(yùn)算，電流反饋信號(hào)采樣，按控制命令標(biāo)志位對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電流環(huán)進(jìn)行PI運(yùn)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(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(yùn)算都以差分方程形式實(shí)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(duì)應(yīng)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(yùn)算。

由于整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)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(jī)起動(dòng)時(shí)，通過(guò)程序的判斷，可以使轉(zhuǎn)速環(huán)PI數(shù)字調(diào)節(jié)器實(shí)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(yùn)算；保證電流環(huán)的給定立即達(dá)到最大僧，從而使起動(dòng)電流穩(wěn)定在最大允許值上，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)。又如，在程序中可設(shè)定零電流比較值與電流反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以判別電流是否斷續(xù)，在電流斷續(xù)時(shí)自動(dòng)將電流環(huán)節(jié)的數(shù)字PI運(yùn)算改為積分運(yùn)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(jiǎn)單的自適應(yīng)控制模式，提高了微機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)因數(shù)。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的檢錯(cuò)和抗干擾能力，程序設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下措施：

(1)程序?qū)斎胼敵龀霈F(xiàn)非常量時(shí)的檢錯(cuò)。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(jì)算機(jī)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(shí)，控制程序能夠通過(guò)判斷及時(shí)進(jìn)行出錯(cuò)處理：一方面用顯示器給出“出錯(cuò)標(biāo)志”，同時(shí)由單片機(jī)復(fù)立，即停發(fā)觸發(fā)脈沖，斷開(kāi)主電路，使電動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。

(2)采用程序運(yùn)行監(jiān)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(jiān)視定時(shí)器系統(tǒng)，使用AT89C51單片機(jī)片內(nèi)定時(shí)器中斷，并設(shè)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(duì)定時(shí)器清零一次。

4 結(jié)束語(yǔ)

直流電動(dòng)機(jī)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，使得整個(gè)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1.統(tǒng)所選器件少，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

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

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

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