基于單片機控制直流電機調速系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 osα = KsUk/=udmaxuk/ = minuk/ =cosα minuk/ ukmax=λ uk α =arcos(λ uk) (44) 式中，λ =cosα min/ ukmax 是一個與最小控制角α min 和最大控制輸出 ukmax 有關系的常數。 式 (44)即是α與 uk 的關系式。由它可算出對應于某一 uk 值的α值。由于一般均用時間值來表示α，所以還需要對α轉換成時間值 Tα 。 對于 50Hz 的交流電而言，控制角α對應的時間為： Tα =α *106/360*50 （μ s） (45) 為了加快計算速度，可采用查表法或插值查表法來按 uk 值計算 Tα 值。 脈沖分配表 在觸發六個晶閘管時，要按照圖 43 的順序，依次發出控制信號。為了方便起 見，可建立一個脈沖分配表，如表 41，它放于程序存儲器中。每當觸發時間到，按指針從表中取出一個數據從單片機的 I/O 口輸出，經光電隔離去觸發晶閘管。 表 41 脈沖分配表（ 0 有效） 單元地址 數據（由 I/O 口輸出） 被觸發晶閘管 M M+1 M+2 M+3 M+4 M+5 X X 0 1 1 1 1 0 X X 1 1 1 1 0 0 X X 1 1 1 0 0 1 X X 1 1 0 0 1 1 X X 1 0 0 1 1 1 X X 0 0 1 1 1 1 SCR6,1 SCR1,2 SCR2,3 SCR3,4 SCR4,5 SCR5,6 單片機系統設計 雙閉環數字直流調速控制系統得采樣周期比較快，計算和控制任務也比較繁忙，因此需要使用高性能的單片機。 對于用于軋機傳動等要求響應快、精度高的調速系統，一般需要使用 16廈門南洋職業學院畢業論文 20 位的單片機，如 Inter 的 MCS96 或者 Motorola 的 M68HC16 等。它們能在幾微秒內完成 16 位加法和乘法，并且有 10 位 A/D 轉換器、 16 位高性能多功能定時器系統，可完成調速系統所需的數據采集、數據計算、控制輸出等功能。 對于快速性和控制精度要求較低的調速系統，可選用高性能 8 位單片機，如 Inter 的 MCS51 或者 Motorola 的 M68HC0 M68HC11，其中后者有 16 位運算功能，并有片內 8 位高速 A/D 和 16 位多功能定時器系統，還有 Watchdog等各種其他外用功能，非常適合于調速控制系統。 綜上，本系統采用 Inter 的 MCS51 中的 80C31 單片機。 80C31 單片機簡介 80C31 單片機屬于基本型的 51 系列單片機，它采用 HMOS 工藝，片內集成有 8 位 CPU；片內駐留 128 字節的 RAM 以及 21 個特殊功能寄存器；片內還包括兩個 16 位定時器 /計數器、一個全雙 工串行 I/O 口（ UART）、 32 條 I/O線、 5 個中斷源和兩級中斷，尋址能力達 128K 字節（其中程序存儲器 ROM 和數據存儲器 RAM 各 64K 字節）。指令系統中設置了乘、除運算指令、數據查找指令和位處理指令等。主時鐘頻率為 12MHz，大部分指令周期只需 1μ s，乘除指令也僅需 4μ s。 單片機系統基本結構 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 PNP 中功率三極管以動態掃描方式驅動四位 LED 數字，以顯示轉速、設定速度、電流等數據，兩片 74LS374 采用線選法與 80C31 接口，地址分別為 0DFFFH 和 0BFFFH。在 80C31 的 P3 口上外接三個按鍵，一個為啟動 /停止鍵，用于啟動或停止電機運轉；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉速。另外利用一片 74LS374 的多余輸出線，外接兩個 LED 發光管，一個用于顯示工作正常與否，它每隔 1 秒閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態。使用 80C31 的雙閉環數字直流調速控制系統的硬件電路圖見附頁1 所示。 電流測量和速度給定值輸入 本系統使 用 ADC0808 8 路 8 位 A/D 轉換器，它的地址為 7FFFH。寫入該地址，啟動 A/D 轉換器，通道地址由 A A A0 決定。 A/D 轉換完成，產生廈門南洋職業學院畢業論文 21 EOC 脈沖和 1INT 中斷。這時， MCU 可讀入轉換結果。 圖 44 電流測量框圖 如圖 44 所示，交流電流通過電流互感器變成 0～ 5V 電壓信號，經整流和濾波后加到 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，可按下速度給定顯示鍵。這時，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。 對于需要較高精度的調速控制系統，可采用 10 位或者更高分辨率的 A/D轉換芯片。但這時，一方面成本將較高，另一方面計算將大大復雜，因為必須采用 16 位計算，所以在選型時應該多方面考慮。 速度測量 速度檢測有模擬和數字兩種檢測方法。模擬測速一般采用測速發電機，其輸出電壓不僅表示了轉速的大小，還包含了轉速的方向，在調速系統中，轉速的方向也是不可缺少的。不過模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴重。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。 光電式旋轉編碼器是轉速或轉角的檢測元件，旋轉編碼器與電動機相連，當電動機轉動時，帶動碼盤旋轉，便發出轉速或轉角信號。旋轉編碼器可分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器在碼盤上分層刻上表示角度的二進制數碼或循環碼，通過接受器將該數碼送入計算機。絕對式編碼器常用于檢測轉角，若需得到轉速信號，必須對轉角進行微分處理。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數量的光柵，如圖 45 所示，當電動機旋轉時，碼盤隨之一起轉動。通過光柵的作用，持續不斷地開發或封閉光通路，因此，在接收裝置的輸出端 便得到頻率與轉速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉速。 廈門南洋職業學院畢業論文 22 圖 45 增量式旋轉編碼器示意圖 上述脈沖序列正確地反映了轉速的高低，但不能鑒別轉向。為了獲得轉速的方向，可增加一對發光與接收裝置，使兩對發光與接收裝置錯開光柵節距的 1/4，則兩組脈沖序列 A 和 B 的相位相差 900，如圖 46 所示。正轉時 A相超前 B 相；反轉時 B 相超前 A 相。采用簡單的鑒相電路就可以分辨出方向。 圖 46 區分旋轉方向的 A、 B 兩組脈沖序列 若碼盤的光柵數為 N，則轉速分辨率為 1/N，常用得旋轉編碼器光柵數有 102 204 4096 等。采用倍率電路可以有效地提高轉速分辨率，而不增加旋轉編碼器的光柵數，一般多采用四倍頻電路。 采用旋轉編碼器的數字測速方法有三種： M 法、 T 法和 M/T 法。 1： M 法測速。在一定的時間 Tc 內測取旋轉編碼器輸出的脈沖個數 M1，用以計算這段時間內的平均轉速，稱作 M 法測速。把 M1 除以 Tc 就得到了旋轉編碼器輸出脈沖的頻率 f1=M1/Tc,所以又稱頻率法。電動機每轉一圈共產生 Z 個脈沖（ Z=倍頻系數179。編碼光柵數），把 f1 除以 Z 就 得到電動機的轉速。在習慣上，時間 Tc 以秒為單位，而轉速是以每分鐘的轉數 r/min 為單位，則電動機的轉速為 ZTcMn 160? 在上式中 ,Z和 Tc 均為常值 ,因此轉速 n 正比于脈沖個數 M1。高速時 M1 大，量化誤差較小，隨著轉速的降低誤差增大，轉速過低時 M1 將小于 1，測速裝置便不能正常工作。所以 M 法測速只適用于高速段。 2： T 法測速。在編碼器兩個相鄰輸出脈沖的間隔時間內，用一個計數器對已知頻率為 f0 的高頻時鐘脈沖進行計數，并由此來計算轉速，稱為 T 法測廈門南洋職業學院畢業論文 23 速。在這里，測速時間緣于編碼器輸出脈沖 的周期，所以又稱周期法。在 T法測速中，準確的測速時間 Tt 是用所得的高頻時鐘脈沖個數 M2 計算出來的，即 Tt=M2/f0，則電動機轉速為 206060 ZMfZT ?? 高速時 M2 小，量化誤差大，隨著轉速的降低誤差減小，所以 T 法測速適用于低速段。 3： M/T 法測速 把 M 法和 T 法結合起來，既檢測 Tc 時間內旋轉編碼器輸出的脈沖個數M1，有檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數 M2，用來計算轉速，稱作 M/T法測速。設高頻時鐘脈沖的頻率為 f0，則準確的測速時間 Tt=M2/f0，而電動機轉速為 2 011 6060 ZM fMZTMn t ?? 采用 M/T 法測速時，應保證高頻時鐘脈沖計數器與旋轉編碼器輸出脈沖計數器同時開啟與關閉，以減少誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達時，兩個計數器才同時允許開始或者停止計數。 由于 M/T 法的計數值 M1 和 M2 都隨著轉速的變化而變化，高速時，相當于M 法測速，最低速時， M1=1，自動進入 T 法測速。因此， M/T 法測速能適應的轉速范圍明顯大于前兩種，是目前廣泛應用的一種測速方法。 綜上所述，本系統的速度測量采用數字 M/T 法測速。其中利用 T1 作為定時器，計時 Tc 時間產生中斷，旋轉編碼器輸出 的脈沖個數 M1 由 口檢測，同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數 M2 由 口檢測，最后由轉速中斷程序完成轉速的測量等等。 晶閘管控制 晶閘管觸發采用 80C31 的定時器 T0 實現。每次把 T△ 的補碼寫入 T0 中，在 T0 溢出時，轉到 T0 中斷處理程序，按脈沖分配表從 P1 口（ ～ ）輸出晶閘管觸發脈沖。然后延時 50μ s，置位 ～ ，從而輸出寬度為50μ s 的觸發脈沖。該觸發脈沖經 CD4049 提高驅動電流（ CD4049 是一個驅動功能的反相器），再經過 TIL117 光隔離，從 LM386 低頻功 率放大器得到最后的輸出脈沖，這樣可以提高輸出脈沖上升沿陡度，最后此脈沖去觸發對應的晶閘管。這里由于 80C31 的 P1 口在復位后初態為 1，故采用 0 為有效輸出位，以保證初態時晶閘管處于截止狀態。 同步校正由 80C31 的定時器 T0 和外部中斷 0INT 實現。此同步電路是由廈門南洋職業學院畢業論文 24 LM339 構成的過零比較器電路和一個光電耦合器及一個反相器組成的。交流電源線電壓 Vac 經變壓器變壓，穩壓管削波后輸入比較器 LM339，比較器輸出再經過光電隔離及反相后產生一個與 Vac 同相位的方波信號，輸出的方波信號 加到 0INT 上，它置為調變觸發方式。廈門南洋職業學院畢業論文 25 第 5 章 調節器的設計 對象的數學模型 單片機控制直流調速系統結構如圖 51 所示。 圖 51 單片機控制直流調速系統結構 其中 UGn 為速度給定， UGi為電流給定， UFn 為速度反饋， UGi 為電流反饋，Uk 為觸發器輸入信號， E 為電動機反電勢， UDO為晶閘管整流電壓， ID 為主回路電流。 原始數據： 直流電動機 D 的銘牌數據：型號 Z232 型，額定功率 ，額定電壓 220V，額定電流 ,額定轉速 1000r/min, 勵磁電壓 220V,運轉方式連續。 參數實測數據為 : 電動機電樞電阻 : RD= 電動機電樞電感 : LD= 電抗器電阻 : RP= 電抗器電感 : LP= 整流變壓器直流電阻 : RT= 整流變壓器電感 : LT= 單片機控制直流調速系統被控對象是直流電動機 ,由圖 51 可知 : UDO E= IDRε +Lε dID∕ dt = Rε (ID+TDdID∕ dt) (51) 對式（ 51）取拉式變換得 ID(s) 1/Rε UDO(s) – E(s) TDs+1 (52) 廈門南洋職業學院畢業論文 26 其中 , Rε = RD+2 RT +RP +Rr, RR 為晶閘管重疊角等效電阻。 Rε 、 Lε 、 TD 的數值依次為 Rε = +2179。 + + = Lε = LD+2LT+LP =++2179。 = TD= Lε / Rε =直流電動機軸上的力矩方程為 M MFZ = Cμ ID Cμ IFZ = （ GD2 / 375）178。（ dn/dt） (53) ID IFZ = （ GD2 / 375 Cμ ）178。（ dn/dt）