直流電機(jī)雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

莫慧芳

MO Hui-fang

（廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 511442）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，在對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械或位置伺服控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均為模擬電路實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，觸發(fā)脈沖不對(duì)稱(chēng)，運(yùn)放及一些非線(xiàn)性集成電路因網(wǎng)壓和溫度變化會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算誤差[1]。隨著高速處理器和電力電子開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，數(shù)字控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并提高其速度控制的精確性[2]。現(xiàn)有大多數(shù)文獻(xiàn)只是對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速做檢測(cè)及開(kāi)環(huán)控制，本文實(shí)現(xiàn)的數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，是在比較了直流電機(jī)調(diào)速方法的基礎(chǔ)上，分析優(yōu)化了PI調(diào)節(jié)器的控制原理，并用軟件編程實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的數(shù)字PI雙閉環(huán)調(diào)速；并基于工程實(shí)踐的應(yīng)用成果，給出了系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)方案選擇

直流電機(jī)調(diào)速方法主要有三種，調(diào)壓調(diào)速、調(diào)阻調(diào)速和弱磁調(diào)速，改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車(chē)等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用[3]；弱磁調(diào)速不僅調(diào)速范圍不大，低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)還會(huì)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差[4]。因此選擇改變電樞電壓進(jìn)行調(diào)速。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，可由PWM斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓。調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻，定頻調(diào)寬法（即周期不變寬度改變）采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也比較穩(wěn)定，因此我們采用了定頻調(diào)寬方式。在工程應(yīng)用中，我們采用由IGBT管組成的H型PWM電路，用單片機(jī)I/O口控制IGBT管飽和截止?fàn)顟B(tài)，調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度即占空比，從而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)將AT89S52單片機(jī)作為主控部件，由鍵盤(pán)、顯示器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光耦隔離模塊等構(gòu)成系統(tǒng)外圍硬件電路。利用單片機(jī)的定時(shí)器資源產(chǎn)生PWM信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)光耦隔離，驅(qū)動(dòng)放大控制電機(jī)電壓的占空比，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；利用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)速度，反饋給速度閉環(huán)，對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到電流閉環(huán)的輸入信號(hào)，再與反饋的電流值比較得到控制電流，電流環(huán)的PI運(yùn)算結(jié)果改變PWM信號(hào)占空比D的大小，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速直至和給定相同；另外，系統(tǒng)的鍵盤(pán)控制模塊可以控制電機(jī)啟動(dòng)、停止、高速、中速、低速、定時(shí)、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，通過(guò)LCD顯示模塊可以顯示電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖

2.1 電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的電壓值很小，因此需要利用驅(qū)動(dòng)芯片將信號(hào)進(jìn)行放大，采用的功率放大模塊由芯片L298以及一些邏輯器件構(gòu)成。L298是雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器，可利用單片機(jī)的I/O口作為控制信號(hào)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)，硬件電路簡(jiǎn)單。L298芯片邏輯功能如表1所示。

表1 L298邏輯功能

可見(jiàn)，當(dāng)L298的使能端為高電平時(shí)，可驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速運(yùn)行。系統(tǒng)利用光電耦合器TLP620隔離單片機(jī)系統(tǒng)電源與電機(jī)系統(tǒng)的電源，利用芯片L298控制雙H橋中IGBT的通斷，L298的OUT1和OUT2分別接直流電機(jī)的兩個(gè)接頭，為直流電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓。直流電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路圖

當(dāng)ENA輸入端為高電平時(shí)，將單片機(jī)引腳P2.6經(jīng)過(guò)光耦與IN1相連，引腳P2.7與IN2相連，為防止開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通，必須設(shè)置“死區(qū)”時(shí)間（本設(shè)計(jì)“死區(qū)”時(shí)間為15us）。當(dāng)輸入端IN2為低電平，IN1為延時(shí)產(chǎn)生的PWM信號(hào)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，改變占空比可調(diào)速；輸入端IN1為低電平信號(hào)，IN2為延時(shí)產(chǎn)生的PWM信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)改變占空比可調(diào)速；IN1與IN2相同時(shí)，電機(jī)快速停止。

2.2 PWM信號(hào)發(fā)生電路

在實(shí)際生產(chǎn)中，控制設(shè)備都采用閉環(huán)控制，本系統(tǒng)采用電壓環(huán)（ASR）和電流環(huán)（ACR）雙閉環(huán)控制，保證電機(jī)的精確控制。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制原理如圖3所示。

圖3中，U*n是給定轉(zhuǎn)速，Un為轉(zhuǎn)速反饋值，經(jīng)過(guò)比較得到誤差信號(hào)△u送入轉(zhuǎn)速環(huán)（ASR），轉(zhuǎn)速環(huán)輸出作為電流環(huán)（ACR）的給定信號(hào)，與反饋電流值Ui的差值送入電流環(huán)，輸出生成PWM波，經(jīng)功率放大后控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)采用型號(hào)為DG338H-1000BZ-5-24C光電編碼器測(cè)速得到，該光電編碼器為增量式編碼器，碼盤(pán)提供相位相差90°的兩路A、B脈沖信號(hào)以及用于復(fù)位計(jì)數(shù)的z相脈沖，輸出轉(zhuǎn)速n=N/mT，其中N為在給定時(shí)間T中采樣的脈沖數(shù)，m為每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)（本文m=1000p/r），編碼器得到的脈沖序列送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，再送入單片機(jī)T1進(jìn)行信號(hào)采集。電流采樣選用霍爾電流傳感器，通過(guò)A/D芯片轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)P0口進(jìn)行信號(hào)采集。

圖3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖

按照工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)，要求轉(zhuǎn)速環(huán)具有較好的抗擾性，電流環(huán)具有較好的跟隨性，因此先按照典型Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)，再將電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)，均采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。我們采用增量式控制算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字PI控制，離散增量式PI算法公式為：

u(k)為PI調(diào)節(jié)器的第k次輸出值，u(k-1)為PI調(diào)節(jié)器的第k-1次輸出值，為給定量和反饋量之間的第k次采樣偏差值；為第k-1次采樣偏差值，KP為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，則偏差信號(hào)，聯(lián)立式（1）可得：

可見(jiàn)只需要知道當(dāng)前和前一次的偏差值，就可以算出當(dāng)前的控制增量[6]。

先對(duì)PWM脈沖設(shè)定一個(gè)固定的周期值（在本設(shè)計(jì)中為50us）對(duì)電流進(jìn)行一次采樣和PI調(diào)節(jié)，每100個(gè)PWM周期（5ms）對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行一次反饋采樣和PI調(diào)節(jié)，假設(shè)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為100r/m即1.67r/s，光電編碼器是1000線(xiàn)，則每轉(zhuǎn)發(fā)出1.67×1000=1670個(gè)脈沖，在5ms內(nèi)發(fā)生的最大脈沖數(shù)為1670×5/103=8.35，該值倒數(shù)即為編碼器速度轉(zhuǎn)換系數(shù)，脈沖累計(jì)值除以編碼器速度轉(zhuǎn)換系數(shù)即為PWM信號(hào)占空比D，轉(zhuǎn)速值為Vmax×D/216。

PWM軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

2.3 鍵盤(pán)及顯示模塊電路

系統(tǒng)的鍵盤(pán)控制模塊可以控制電機(jī)啟動(dòng)、停止、高速、中速、低速等動(dòng)作，按鍵分別連接到單片機(jī)的P3.0～P3.4引腳上，通過(guò)鍵盤(pán)掃描模式來(lái)判斷按鍵是否被按下，按鍵被按下，進(jìn)入處理程序。LCD顯示選用LM016L液晶模塊，單片機(jī)的P1.0～P1.7引腳作為數(shù)據(jù)輸出端，P2.2～P2.4引腳作為控制端，單片機(jī)控制顯示轉(zhuǎn)速及定時(shí)時(shí)間。

圖4 PWM生成實(shí)現(xiàn)流程圖

3 系統(tǒng)仿真

我們選用的直流電機(jī)額定電壓110V，額定電流6A，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，電樞內(nèi)阻2Ω，過(guò)載倍數(shù)λ=2，功率驅(qū)動(dòng)電路放大倍數(shù)為11。按照雙閉環(huán)設(shè)計(jì)原則，先按照典型Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)，得到電流環(huán)比例放大系數(shù)Kpi為0.76，積分時(shí)間常數(shù)TIi為0.007s；再按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，得到速度環(huán)比例放大系數(shù)Kpn為35.92，積分時(shí)間常數(shù)TIn為0.0009s。我們用Proteus軟件搭建直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)仿真電路，如圖5所示。模擬頻率為20KHz的PWM發(fā)生信號(hào)送入T1口，電機(jī)可以通過(guò)高速、中速、低速按鍵進(jìn)行速度設(shè)定，不同速度對(duì)應(yīng)PWM占空比發(fā)生變化。以低速運(yùn)轉(zhuǎn)為例，系統(tǒng)設(shè)定低速速度為21r/min，仿真結(jié)果如圖5所示；當(dāng)中速速度為95r/min，高速速度為130r/min時(shí)，三種設(shè)定PWM占空比變化如圖6所示。

圖6 不同速度PWM占空比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以成本較低的AT89S52單片機(jī)做為主控器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字式的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)PI控制，相對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，所需外圍器件少，調(diào)試方便，控制精度高，可靠性和穩(wěn)定性加強(qiáng)。通過(guò)調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能精確控制電機(jī)在高速、中速和低速時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案對(duì)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

圖5 低速系統(tǒng)仿真電路

[1] 宋鳳娟,廉文利,付云強(qiáng).單片機(jī)89C51在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006(32)：113-114.

[2] 于貴,蔣輝熊.直流電機(jī)數(shù)字調(diào)速軟件的實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表,2012,Vol.49(557)：93-96.

[3] 孟海鋼.基于8051單片機(jī)控制的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].伺服控制,2013(2)：41-45.

[4] 庹朝永.基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].煤炭技術(shù),2011,30(6)：62-63.

[5] 劉松.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.

[6] 朱玉璽,崔如春,鄺小磊,等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.