基于單片機直流大功率調(diào)速系統(tǒng)設計

蔡七林

摘 要：在信息化、智能化高速發(fā)展的時代，各大3C產(chǎn)線充分利用智能制造和自動控制技術(shù)，使企業(yè)產(chǎn)品高速、優(yōu)質(zhì)產(chǎn)出。特別是在自動化生產(chǎn)線中，調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率決定了一個企業(yè)的生產(chǎn)效率和能否提供優(yōu)質(zhì)服務的一項重要保障。本設計是關于設計一套直流大功率調(diào)速系統(tǒng)用于舊流水線系統(tǒng)的升級改造。通過設計兩個部分來保障生產(chǎn)效能的提高：一部分是大功率直流開關電源，另一部分是自動控制器，最終成功改造給工廠提高50%生產(chǎn)效率，大幅度提高了公司的綜合競爭實力。

關鍵詞：直流大功率調(diào)速系統(tǒng) 電路設計 程序設計

1 緒論

1.1 課程設計背景及目的

隨著國家智能制造2025的發(fā)展號召的響應，越來越多的人投身到了智能制造產(chǎn)業(yè)中去。智能制造涉及到了機電控制方面的諸多內(nèi)容，比如說機器人的應用、自動化生產(chǎn)線的應用、智能制造在3C行業(yè)中的應用等。決定其生產(chǎn)效率的主要是靠其調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及效率來決定的。

本設計是關于設計一套直流大功率調(diào)速系統(tǒng)用于舊流水線系統(tǒng)的升級改造。通過設計兩個部分來保障生產(chǎn)效能的提高：一部分是大功率直流開關電源，另一部分是自動控制器，最終成功改造給工廠提高50%生產(chǎn)效率，大幅度提高了公司的綜合競爭實力。

1.2 PID算法

PID算法是微機化控制的一部分，這種算法主要通過分析偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）之間的變化規(guī)律從而進行的調(diào)節(jié)控制的一種說短，根據(jù)首字母為了方便大家記憶把它稱為PID控制。通過試驗和實踐檢驗PID控制算法能夠適應很多工業(yè)應用場所。本文主要對模擬PID和數(shù)字PID進行舉例說明。

1.2.1 模擬PID

在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)及控制對象組成。

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差：

=－? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1.1）

通過對PID三個影響因素進行監(jiān)控和有機組合得出一定的控制規(guī)律，再根據(jù)的出的規(guī)律對控制對象進行一定的控制。通過一定的組合就得到了P調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器。

模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為

（1.2）

其中，是比例系數(shù)，是積分時間常數(shù)，是微分時間常數(shù)。

簡單的說，PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：

（1）比例環(huán)節(jié)：主要是對控制系統(tǒng)的偏差進行監(jiān)控并且把檢測結(jié)果進行反饋，根據(jù)反饋結(jié)產(chǎn)生抑制效果，從而達到減少偏差的變化，進一步提高系統(tǒng)的靈敏度。

（2）積分環(huán)節(jié)：主要是根據(jù)時間常數(shù)的變化來起作用，它與積分時間常熟成反比。

（3）微分環(huán)節(jié)：通過檢測偏差的變化頻率，在偏差信號未超出可控范圍之內(nèi)，產(chǎn)生一個修正信號，及時精準對系統(tǒng)參數(shù)進行修正，從而提高修正效率，高效保證工作效率。

由式1.2可得，模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

（1.3）

本文的關注重點是在如何在實際應用過程中數(shù)字PID算法給工業(yè)應用中帶來便利和收獲，而模擬PID則關注的比較少，而且工業(yè)應用中這種模擬只在技術(shù)研發(fā)前期會用到，對一一般企業(yè)則融入較少，所以這里就對這兩種途徑進行一些描述。

1.2.2 數(shù)字PID

在DDC系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設計，實際上是計算機算法的設計。由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進行離散化的算法設計。通過電腦仿真軟件對控制規(guī)律進行計算，計算過程中采用數(shù)字化控制手段對電腦能夠識別的數(shù)字進行記錄和分析，再把結(jié)果進行仿真，但是由于電腦的局限性不能對連續(xù)的控制公式進行直接計算得出準確結(jié)果，鎖我我們要對得到的規(guī)律采用一種新的計算方法進行計算。把模擬控制的規(guī)律代入（1.2）進行離散化采樣數(shù)據(jù)，我們把圖1.1中、、、在第n次采樣時的到的數(shù)據(jù)分別記錄為、、、表示，所以式（1.1）就可以寫成 ：

=－? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?（1.4）

當采樣周期T很小時可以用T等效替換，可用等效替換，“積分”用“求和”等效替換，從而得到了等效的式子

（1.5）

（1.6）

通過進步計算，式（1.2）就可以離散化轉(zhuǎn)換為下面的差分方程

（1.7）

其中是偏差為零時得到初值，如果上式中的比例控制起主要作用，就把它稱為比例（P）項，即

（1.8）

如果是積分控制起主要作用作用，我們就把它稱為積分（I）項即

（1.9）

再如果說是微分控制起主要作用，我們就稱為微分（D）項即

（1.10）

這幾個模塊的功能都可以可單獨使用（但是一般情況下微分作用不做單列）或合并使用，比較常見的組合模式有：

P控制：? ? ? ? ? （1.11）

PI控制：

（1.12）

PD控制：

（1.13）

PID控制：

（1.14）

式（1.7）的輸出量為全量輸出，它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時應達到的位置進行監(jiān)測和控制，所以其的又稱為位置型PID算法。從上可以看出這種算式會給工作中造成很多麻煩，不僅要占用大量的內(nèi)存還個程序的優(yōu)化調(diào)整設置了很多障礙，所以我們必須對現(xiàn)有條件進行改造。

把u（n-1）帶入上式就可以得到

（1.15）

為了得到即得數(shù)字PID增量型控制算式將式（1.7）和式（1.15）相減得到了

（1.16）

最終化簡后的到數(shù)字PID位置型控制算式為

（1.17）

其中：比例增益；

積分系數(shù)；

微分系數(shù)[1]。

位置型和增量型數(shù)字PID控制的原理如下所示

1.3 設計要求

利用諧波半橋拓撲原理實現(xiàn)直流電源的輸出。整個電源要有整流、濾波、開關、變壓、整流、穩(wěn)壓恒流、濾波幾個環(huán)節(jié)。

2 直流大功率調(diào)速系統(tǒng)總體設計過程

2.1 系統(tǒng)大功率直流開關電源硬件設計

本系統(tǒng)電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的開關電源裝置，輸出功率300W，體積小功率密度高，我選擇受用美國NCP1396A作為電源管理器，利用諧波半橋拓撲原理實現(xiàn)交流變直流。開關電源系統(tǒng)需要整流模塊、濾波模塊、開關、變壓模塊、穩(wěn)壓恒流模塊有效配合才能達到預期的目標。電源電路設計原理圖見下圖。

其中：

（1）整流電路：把交流電轉(zhuǎn)變成直流電。

（2）濾波電路：去除直流電路中的雜質(zhì)，從而獲得純凈的直流電。

（3）開關電路：開關MOS管Q1、Q2通過IC的控制進行關斷或者導通。

（4）變壓電路：通過變壓器把高頻開關鎖存的能量傳遞到次級。

（5）整流電路：通過D12＼13＼14＼15進行全橋整流。完成輸出端交直流轉(zhuǎn)化。

（6）穩(wěn)壓恒流電路：通過TL431和RS1達到恒流穩(wěn)壓的效果。

選擇電源變壓器

1）確定諧振周期fr=50KHz

Tr=2π

2）最小初級電壓

Vpmin=（0.6Vdcmin）/2

3）T1匝比的確認

Np/Ns=（0.6Vdcmin）/2*（Vo+2）

4）MOS管的電流平均值

I=2Ips/π*0.5+2Ips/4π*0.5

5）根據(jù)電流平均值計算次級的值

Ips=0.8*π*Io

Ipp=0.8*π*Io*Ns/Np

6）變壓器的電壓值

Vap=Vdcmin/2+0.6Vdcmin/2

7）首個諧振脈沖的峰值

Ipp=Vap/

即=Vdcmin*（Np/Ns）/π*Iodc

2.2 設計優(yōu)勢及保障措施

（1）抗靜電及雷擊

隔離保護方法。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到輸入端防雷單元上，由于隔離單元的防雷元器件和TVS瞬態(tài)吸能器件作為報告，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護的作用。

（2）增加反射波干擾電信號，因為信號在傳輸過程中會通過電路中的中間元器件，利用這些元器件的自由特性，他們可以使傳輸信號在傳輸?shù)臅r候存在一定的滯后性，這種滯后性的存在正好可以增加信號的傳輸時間，大大的降低噪聲對電路的影響。

（3）PCB板制作中主回路地和控制回路地的分隔，起到增加穩(wěn)定性。

2.3 自動控制器設計

采用 STC12C5604單片機作為核心處理器控制器硬件采用光電隔離控制，確?？刂菩盘柌粚﹄娫串a(chǎn)生干擾，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，硬件電路圖如下：

3 程序設計

為了滿足設計及控制要求。根據(jù)要求編寫相關控制程序。以下是部分軟件代碼：

void time0（void） interrupt 1

{

TR1=0;

CRT=！CRT;

if（POWER==0）

{

delaydata++;

if（delaydata==12000）

{

delaymin++;

delaydata=0;

if（delaymin==275）

{delayhour++; delaymin=0;}

if（delayhour==4）

{POWER=！POWER;delayhour=0;delaymin=0;delaydata=0;}

}

}

if（POWER==1||fcc）

{

so1=1;

TH0=0xfe ;

TL0=0x0c ;

}

else

{

TH0=H0 ;

TL0=L0 ;

TH1=H;

TL1=L;

so1=0;

TR1=1;

}

if （LEDDATA<10）

LEDDATA1=0;

else

LEDDATA1=LEDDATA/10;

if（POWER==1）

{LEDDATA2=0; LEDDATA1=0;}

else

LEDDATA2=LEDDATA;

if（CRT==0）

{LEDA1=0;LEDA2=1;P1=SEG7[LEDDATA1];}

if（CRT==1）

{LEDA1=1;LEDA2=0;P1=SEG7[LEDDATA2%10];LED=！fcen;}

}

void change（）

{

if（keyen1==1）

{

while （PWM

{

PWM=PWM+SPEED;

H=（65536-PWM）/256;

L=（65536-PWM）%256;

delay（CS）;

}

}

if（keyen2==1）

{

while （PWM>TEMP）

{

PWM=PWM-SPEED;

H=（65536-PWM）/256;

L=（65536-PWM）%256;

delay（CS）;

}

}

}

4 系統(tǒng)調(diào)試方法及結(jié)果

本系統(tǒng)電源在220V/50HZ電壓條件下進行調(diào)試。具體調(diào)試測試點如下：

（1）IC供電VCC測試：電源接入輸入電源和輸出負載后，用示波器測試IC供電電源是否穩(wěn)定在15VDC。

（2）變壓器電流測試：采供繞線隔離電流測試方法，運行RUN，將隔離后的感應電流轉(zhuǎn)化成電壓后輸入示波器觀察，記錄開關頻率，電流峰值，正弦波平均幅值，確認在設計范圍內(nèi)可行。

（3）輸出電壓測試：測試輸出電壓值，在24V穩(wěn)壓輸出條件下，輸出電壓紋波值小于100mV。

（4）輸出電電流測試：測試輸出電流恒流穩(wěn)定，在10A恒流輸出條件下，輸出電流紋波值小于50mA。

（5）輸出負載能力測試：在200W負載條件下，測試輸出帶載能力，保證輸出電流恒定。

（6）整機能效測試：在200W負載條件下，測試整機效率大于88%。

（7）控制器調(diào)試：人機設定進入智能模式，模擬傳感器進入觸發(fā)模式，測試系統(tǒng)是否可以智能調(diào)速，且在調(diào)速過程中無抖動現(xiàn)象。人機設定退出智能模式，人工按下按鍵，測試亮度調(diào)節(jié)過程是否正常且調(diào)節(jié)過程無抖動現(xiàn)象。

5 總結(jié)

本文針對自動化生產(chǎn)線中的調(diào)速系統(tǒng)的改造升級，設計設計一套直流大功率調(diào)速系統(tǒng)用于舊流水線體進行升級改造。通過設計兩個部分來保障生產(chǎn)效能的提高：一部分是大功率直流開關電源，另一部分是自動控制器。通過完成設計的調(diào)試得到如下結(jié)論：

1）為了提高生產(chǎn)效率，增強公司的綜合競爭實力，科學合理設定系統(tǒng)的大體設計方案。

2）對調(diào)速系統(tǒng)硬件及軟件進行系統(tǒng)設計。

3）對調(diào)速系統(tǒng)進行運行及調(diào)試，最終能滿足設計要求，為公司提高50%生產(chǎn)效率。

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