南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牛宗超

南京富士通有限公司 徐 森

基于M051的單相交流異步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牛宗超

南京富士通有限公司 徐 森

設(shè)計了以M051單片機(jī)為核心的高效的單相交流異步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，對電機(jī)的調(diào)速方法和控制電路進(jìn)行了分析和設(shè)計。采用先進(jìn)的過零調(diào)功的方式，以功率調(diào)節(jié)取代常用的電壓調(diào)節(jié)，通過控制可控硅的通斷比來調(diào)節(jié)電動機(jī)輸出功率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速目的。

M051；交流調(diào)速；可控硅

1.引言

目前交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究取得了極大的發(fā)展，變頻器的成功研制，使交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展，其通過改變供電電源的頻率來調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，該方式可獲得較大調(diào)速范圍和很好的調(diào)速平滑性，但成本高，控制系統(tǒng)復(fù)雜。另外，也可采用可控硅移相調(diào)壓調(diào)速，但此類控制器的元器件數(shù)量較多，成本較高，功能擴(kuò)展性較差，程序移植性較差。為克服上述缺點，我們研制了一種基于M051芯片的單相異步電機(jī)調(diào)速控制器。

圖1 M051單片機(jī)結(jié)構(gòu)示意框圖

圖2 電路原理圖

2.系統(tǒng)方案設(shè)計原理

系統(tǒng)開發(fā)選用了芯唐公司的M051單片機(jī)，該控制器包括：核心模塊、電源模塊、預(yù)置模塊、反饋模塊、控制模塊和顯示模塊。圖1為其結(jié)構(gòu)示意框圖。

系統(tǒng)的工作原理是：整個調(diào)速系統(tǒng)是基于MO51單片機(jī)的PID算法控制的速度反饋穩(wěn)定系統(tǒng)。電源模塊提供M051芯片電源，MO51單片機(jī)利用其自帶的高精度AD轉(zhuǎn)換器，可以采集到系統(tǒng)中預(yù)置模塊旋轉(zhuǎn)電位器所設(shè)定的轉(zhuǎn)速Vset和反饋模塊測得的當(dāng)前轉(zhuǎn)速Vnow。運行在MO51上的PID軟件算法通過計算設(shè)定速度Vset和當(dāng)前速度Vnow的差值，得出控制信號給控制模塊，控制可控硅導(dǎo)通的時間T，T越大電機(jī)的定子線圈上得到的電壓越高，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速越高；T越小電機(jī)的定子線圈上得到的電壓越低，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速越低。不斷調(diào)整可控硅導(dǎo)通時間T使得電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速Vnow不斷跟隨設(shè)定Vset，直到Vnow和Vset之間的誤差充分小被我們所接受，系統(tǒng)即達(dá)到穩(wěn)定調(diào)速的目的。MO51單片機(jī)同時輸出采集到的轉(zhuǎn)速信號提供給顯示模塊。

圖3 可控硅觸發(fā)電路原理圖

圖4 電路圖

3.硬件電路設(shè)計

硬件選用M051為主控芯片，硬件電路主要完成過零檢測、控制門控電路及顯示輸出。

3.1 過零檢測電路

設(shè)計中利用三極管Q1和二極管D1的導(dǎo)通特性實現(xiàn)過零電路。交流電源經(jīng)電橋和R2加到三極管Q1和二極管D1上，在交流電源的正、負(fù)半周，三極管Q1導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)輪流出現(xiàn)，從而在三極管Q1的集電極得到周期一定的過零脈沖信號，該信號送至M051的ZCROSS引腳。其電路原理圖如圖2所示。

3.2 可控硅觸發(fā)電路

電路中采用了過零雙向可控硅型光耦MOC3023，它集光電隔離、過零檢測、過零觸發(fā)等功能于一身，簡化了輸出通道隔離-驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)?？煽毓栌|發(fā)電路原理圖如圖3所示

3.3 顯示輸出控制電路

輸出模塊主要是根據(jù)主控模塊發(fā)出的信號控制各個繼電器、可控硅的通斷及數(shù)碼顯示系統(tǒng)，從而驅(qū)動被控電機(jī)，顯示出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)主控模塊的意圖。其電路圖如圖4所示。

4.軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用雙向可控硅過零觸發(fā)方式，由單片機(jī)控制雙向可控硅的通斷控硅的通斷，通過改變每個控制周期內(nèi)可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷交流完整全波（或半波）信號的個數(shù)來調(diào)節(jié)負(fù)載功率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。由于INT0信號反映工頻電壓過零時刻，因此只要在外中斷0的中斷服務(wù)程序中執(zhí)行下述功能，就可以按照控制處理得到的控制量的要求，實現(xiàn)可控硅的過零控制。外中斷0的中斷服務(wù)程序具體實現(xiàn)的功能是：

（1）中斷時，完成控制門的開啟與關(guān)閉。

（2）利用中斷服務(wù)次數(shù)，對控制量進(jìn)行計數(shù)和判斷。即每中斷一次，對控制量進(jìn)行減一計數(shù)，當(dāng)控制量為零時關(guān)閉控制門，使可控硅過零觸發(fā)脈沖不再通過，從而達(dá)到按控制量控制的效果。

通過編寫C程序，最終實現(xiàn)了該調(diào)速方案。

本文對單相交流異步電機(jī)調(diào)速方法作了分析和研究，提出了以可控硅過零調(diào)功方式實現(xiàn)調(diào)速的控制方案，詳細(xì)闡述了M051可控硅過零控制的硬件電路設(shè)計及軟件實現(xiàn)方法，本文作者創(chuàng)新點在于使用成本低廉、資源豐富的M0系列單片機(jī)用過零調(diào)功方式實現(xiàn)了交流電機(jī)調(diào)速。在所采用的可控硅過零調(diào)功方式實現(xiàn)調(diào)速的方法中，簡化了硬件設(shè)計，降低了成本，可應(yīng)用于需要進(jìn)行電機(jī)調(diào)速控制的不同場合。

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牛宗超（1980—），男，河南鄭州人，碩士，南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：電路設(shè)計。

徐森（1982—），男，河南南陽人，南京富士通計算機(jī)設(shè)備有限公司硬件工程師。