黃謀甫

(恩施州天樓地枕水力發(fā)電公司,湖北 恩施 445000)

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高等優(yōu)點(diǎn)，因而直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)中的到廣泛應(yīng)用.傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)的觸發(fā)器及調(diào)節(jié)器都由模擬電路實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是：觸發(fā)精度易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響；觸發(fā)脈沖不對(duì)稱(chēng)度較大；調(diào)節(jié)器中的運(yùn)算放大器，因網(wǎng)壓和溫度變化引起的漂移會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算誤差，模擬器件老化也會(huì)引起運(yùn)算誤差，甚至使已經(jīng)整定好的系統(tǒng)性能變差.因而現(xiàn)代化的工業(yè)都陸續(xù)的采用了數(shù)字化的直流調(diào)速系統(tǒng).單片機(jī)具有小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用.利用單片機(jī)邏輯功能強(qiáng)和軟件靈活的優(yōu)點(diǎn)，不僅可使很多控制硬件軟件化，便于參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，而且可以同時(shí)對(duì)系統(tǒng)工作中的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷、檢測(cè)和及時(shí)處理，加強(qiáng)了實(shí)時(shí)維護(hù)和提高了控制系統(tǒng)的可靠性.它的發(fā)展趨勢(shì)將是向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展[1-5].用單片機(jī)控制的晶閘管-PWM調(diào)速系統(tǒng)是一種新型的控制系統(tǒng).由于晶閘管是一種高頻全控型器件，可方便的控制其通斷，因此由它組成的調(diào)速系統(tǒng)除結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單外，更具有開(kāi)關(guān)頻率高、主回路脈動(dòng)成分小、低速運(yùn)行性能好及調(diào)速系統(tǒng)中將有較大的發(fā)展和應(yīng)用[2].

圖1 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)繞組接線圖

圖2 系統(tǒng)的整體框圖

1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，取代傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng).系統(tǒng)用單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)，使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化.

1.1 調(diào)速方案選擇

并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖1所示.作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是電機(jī)本身發(fā)出來(lái)的端電壓為勵(lì)磁繞組供電，并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源.

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性n=f(Ia)如下式：

(1)

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性Τe=f(Ia)可用下式來(lái)說(shuō)明：Te=CTΦIa.

由以上兩式可得并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，如式(2)：

(2)

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速就是在同一負(fù)載下獲得不同的轉(zhuǎn)速，以滿(mǎn)足不同的要求.

由式(2)可知常用的調(diào)速方式有調(diào)磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種.

1)改變磁通Φ(調(diào)磁調(diào)速)

當(dāng)保持電源電壓U為額定值不變時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路的電阻Rt，改變勵(lì)磁電流If而改變磁通Φ.

由式(2)可見(jiàn)，當(dāng)磁通Φ減小時(shí)，n0升高了，轉(zhuǎn)速降Δn也增大了；但與Φ2成正比，所以磁通愈小，機(jī)械特性曲線也愈陡，但仍有一定的硬度.由于電動(dòng)機(jī)一般是在額定狀態(tài)下運(yùn)行的，它的磁路已接近于飽和，所以在一定負(fù)載下，通常是減小磁通調(diào)速(Φ<ΦN)，轉(zhuǎn)速上調(diào)(n>nN).調(diào)磁調(diào)速是恒功率調(diào)速，即轉(zhuǎn)速升高后，輸出轉(zhuǎn)矩必須減小，否則電樞電流Ia會(huì)超過(guò)原來(lái)的額定電流，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱燒壞.

2)改變電壓U(調(diào)壓調(diào)速)

當(dāng)保持并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If為額定值時(shí)，降低電樞電壓U，使轉(zhuǎn)速n降低.一般是在額定狀態(tài)下運(yùn)行的，在進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速時(shí)，為保證電動(dòng)機(jī)的絕緣，一般是將電動(dòng)機(jī)的電壓下調(diào)U

1.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示.

1.3 主電路設(shè)計(jì)

1) 整流變壓器的設(shè)計(jì)

工業(yè)供電電壓為380 V，所以通過(guò)三相降壓變壓器使之達(dá)到系統(tǒng)要求.為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié).本設(shè)計(jì)采用的是直流電機(jī)，故還須通過(guò)整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓.

2)晶閘管的選擇

整流電路采用晶閘管全控橋電路.由于它具有單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，對(duì)過(guò)去電壓過(guò)電流敏感，在低速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通角很小等缺點(diǎn).

選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過(guò)的額定電流有效值大于實(shí)際流過(guò)管子電流最大有效值，且還需注意以下幾點(diǎn)：①當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)+40℃時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值；②當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值；③關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些.

3) 電流保護(hù)

快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施.快速熔斷器可以安裝在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián).

4)電壓和電流上升率的限制

電壓上升率：正相電壓上升率較大時(shí)，會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通.因此作用于晶閘管的正相電壓上升率有一定的限制.

造成電壓上升率過(guò)大的原因一般有兩點(diǎn)：由電網(wǎng)侵入的過(guò)電壓；由于晶閘管換相時(shí)相當(dāng)于相電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成過(guò)大.限制電壓上升率過(guò)大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個(gè)橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使其降低.

電流上升率：導(dǎo)通時(shí)電流上升率太大，則可能引起門(mén)極附近過(guò)熱，造成晶閘管損壞.因此對(duì)晶閘管的電流上升率必須有所限制.

產(chǎn)生過(guò)大的原因一般有：晶閘管導(dǎo)通時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的RC保護(hù)中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過(guò)晶閘管向直流保護(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等.

圖3 軟件定時(shí)中斷子程序框圖

3 直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 光電編碼器測(cè)速的軟件設(shè)計(jì)

本文采用M/T法對(duì)脈沖進(jìn)行測(cè)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

(3)

式中fc表示高頻計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)的頻率，本系統(tǒng)中為80C196KC內(nèi)定時(shí)器T1的時(shí)鐘信號(hào)，由于采用16 MHz晶振，fc=1 MHz；P表示光電脈沖編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，P=600；16表示倍頻次數(shù).

(4)

轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)被送到80C196KC的HSIO引起上升沿中斷，此時(shí)開(kāi)始定時(shí)T0，同時(shí)記下計(jì)數(shù)器T1的值，計(jì)算兩次計(jì)數(shù)器T1的差值得到高頻脈沖數(shù)m2，這樣就完成了一次轉(zhuǎn)速測(cè)量周期.由此根據(jù)式(4)即可計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速.

3.2 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)

顯示部分的程序時(shí)采用軟件定時(shí)器來(lái)完成的，多少時(shí)間顯示一次可在軟件中設(shè)定.圖6是軟件定時(shí)中斷子程序.

3.3 觸發(fā)脈沖的軟件設(shè)計(jì)

把觸發(fā)器和脈寬所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，寫(xiě)入HSO時(shí)間寄存器，靠HSO的定時(shí)功能來(lái)控制角度的大小.

1) 同步中斷子程序

為了可靠觸發(fā)三相全橋6只晶閘管，該控制系統(tǒng)使用了雙脈沖觸發(fā)信號(hào)，一個(gè)周期共需輸出24個(gè)HSO信號(hào)，包括HSO上升沿和下降沿.因?yàn)镠SO CAM只能存儲(chǔ)8個(gè)HSO事件，考慮到軟件定時(shí)器對(duì)HSO CAM的占用情況，把24個(gè)觸發(fā)時(shí)刻分為4組，每組6個(gè)出發(fā)時(shí)刻，分別由同步中斷與HSO中斷產(chǎn)生.同步中斷由同步中斷模塊在交流同步信號(hào)過(guò)零時(shí)刻引起(EXTINTI).同步中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是復(fù)位計(jì)數(shù)基準(zhǔn)T2，產(chǎn)生A，B，C，D，E，F(xiàn)時(shí)刻的HSO輸出信號(hào)，允許HSO中斷，置A，B，C，D，E，F(xiàn)輸出結(jié)束標(biāo)志，在F時(shí)刻產(chǎn)生HSO中斷[7-9].

2) HSO終端服務(wù)程序流程

HSO中斷分別由F，L，R時(shí)刻的HSO輸出命令引起.HSO中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)就是根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志產(chǎn)生不同組的HSO輸出信號(hào)，并置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志位.其控制流程圖如圖4所示.

3.4 主程序的設(shè)計(jì)

主程序功能是初始化常量和變量，開(kāi)中斷，給一些寄存器設(shè)值等.圖5是主程序的流程圖.

圖4 HSO中斷服務(wù)程序流程圖

圖5 主程序流程圖

[1] 王曉明．電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M]．北京：北京航空航天出版社,2002：32-45.

[2] 李正熙,白晶.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2000：12-21.

[3] Qing-Guo Wang. Partial Internal Model Control[J]．IEEE Transactions on Industrial,2001,48(5)：976-982.

[4] Puton K D,Lisner R P,et al.Nonlinear Fuzzy Logic Control of a PWM Inverter with a Nonlinear Load[C]//Power System Technology, International Conference on,2000：229-234.

[5] 王兆安.電力電子變流技術(shù)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003：78-95.

[6] 張明勛.電力電子設(shè)備和應(yīng)用手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1992：56-75.

[7] 周荷琴.微機(jī)計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．中國(guó)科技大學(xué)出版社, 2004：38-49.

[8] 江鶯,王宏華.80C196KC單片機(jī)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)口[J]．機(jī)械制造與自化,2004,6(5)：65-69.

[9] 吳愛(ài)萍,汪木蘭.基于80C196KC單片機(jī)的智能型開(kāi)關(guān)電源研制[J]．低壓電器,2006,11(8)：27-28.