劉海輝+王亞君+朱成瑞

摘 要： 為實現(xiàn)半固態(tài)合金漿料制漿過程的自動控制和高穩(wěn)定性要求，設(shè)計了基于單片機(jī)與組態(tài)的智能上下電機(jī)控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)單一電機(jī)攪拌不均的問題。該系統(tǒng)主要由電機(jī)供電電路、電機(jī)驅(qū)動電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)以及電腦組態(tài)控制四部分組成。電機(jī)供電部分采用帶有隔離功能的反激式AC/DC變換電路，為電機(jī)及系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。電機(jī)驅(qū)動電路采用H橋結(jié)構(gòu)，通過接收控制系統(tǒng)給出的控制指令，實現(xiàn)上下電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速和速度匹配控制。單片機(jī)控制部分采用STM32F103ZET單片機(jī)作為核心微處理器，結(jié)合PI算法，實現(xiàn)對電動機(jī)專屬的閉環(huán)控制，并通過與電腦的組態(tài)軟件界面連接，實現(xiàn)上位機(jī)對電機(jī)參數(shù)的控制。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上下電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確匹配，取得了比單一電機(jī)攪拌更好的效果。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 智能電機(jī)控制系統(tǒng)； 組態(tài)； 上下電機(jī)控制； 反激式變換； 自動控制

中圖分類號： TN876?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）03?0157?04

Abstract： In order to satisfy the automatic control and high stability requirements of semi?solid alloy slurry pulping process， an intelligent upper and lower motor control system based on single?chip microcomputer and Kingview was designed， which can eliminate the problem of uneven stirring existing in conventional single motor. The system is mainly composed of motor power supply circuit， motor drive circuit， single?chip microcomputer control system and computer Kingview control. The flyback AC/DC conversion circuit with isolated function is adopted in motor power supply to provide the stable power supply for the motor and the system. The motor drive circuit adopts the H bridge structure to realize the control of positive and negative rotation， acceleration， deceleration and speed matching for the upper and lower motor by means of receiving the control instruction given by control circuit. The STM32F103ZET single?chip microcomputer is taken as the core processor， combined with PI algorithm to realize the exclusive closed?loop control of the motor， and connected with Kingview software interface in computer to realize the control of the motor parameters. The experimental results show that the system can realize the speed precise matching of the upper and lower motor， and has better results than the single motor stirring system.

Keywords： single?chip microcomputer； intelligent motor control system； Kingview； upper and lower motor control； flyback conversion； automatic control

0 引 言

半固態(tài)合金流變漿料復(fù)合攪拌速度的精確匹配是影響半固態(tài)漿料質(zhì)量的重要因素。為實現(xiàn)攪拌速度的精確控制以及制漿過程的自動控制，三相交流電機(jī)采用晶閘管驅(qū)動電路實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，使其有更好的啟動性能和更好的動態(tài)特性，而且有利于電能的節(jié)約[1]。

以單片機(jī)作為控制器，結(jié)合相應(yīng)算法，實現(xiàn)相應(yīng)指令和任務(wù)的操作，完成其控制功能。同時為了得到一個良好的具體現(xiàn)場運行效果，以方便工作人員進(jìn)行相關(guān)的操作，組態(tài)界面可以讓工作人員方便快捷地通過畫面對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控。另外，電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得大功率電子器件的性能得到了極大提高[2?3]。因此采用單片機(jī)和組態(tài)相結(jié)合進(jìn)行控制，可以實現(xiàn)交流電機(jī)、直流電機(jī)和定子磁場的有效協(xié)調(diào)運行，使攪拌速度得到準(zhǔn)確控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)采用STM32F103ZET單片機(jī)作為核心微處理器[4?5]。由于該制漿系統(tǒng)的被控對象具有較大的慣性，因此采用PI算法的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制[6?7]，以改善系統(tǒng)的滯后性和動態(tài)特性。電機(jī)驅(qū)動電路采用H橋結(jié)構(gòu)移相調(diào)壓電路，通過接收單片機(jī)給出的控制指令，實現(xiàn)對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、加減速控制和速度匹配控制。上位機(jī)采用組態(tài)軟件[8]設(shè)計監(jiān)控畫面，與下位機(jī)相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，實時顯示電機(jī)運行狀態(tài)和參數(shù)。供電電源部分采用帶有隔離功能的反激式AC/DC變換電路[9?10]，為系統(tǒng)各部分供電。整體設(shè)計方案框圖如圖1所示。endprint

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

采用STM32F103ZET單片機(jī)系統(tǒng)，由于與傳統(tǒng)C51單片機(jī)相反，采用低電平復(fù)位。為晶振更好地起振，將8 MHz晶振與兩片陶瓷電容相連，采用外部晶振是考慮到單片機(jī)運行時系統(tǒng)的穩(wěn)定，如圖2所示。

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動電路

單片機(jī)輸出的控制信號通過高速光耦將信號傳遞至或非門，控制方向信號與PWM輸出信號通過硬件在此形成一定的邏輯輸出，驅(qū)動控制芯片，通過控制D2，D6和D3，D5來控制電機(jī)的方向，如圖3所示。

2.3 三相交流調(diào)壓原理

本設(shè)計采用三相移相調(diào)壓電路控制三相電機(jī)的運行狀況。通過控制電位器的電壓輸出值控制移相角，電位器輸出電壓為0～5 V，對應(yīng)的輸出電壓為0～380 V。采用無中線星形連接三相交流調(diào)壓電路，任一相在導(dǎo)通時必須和另一相構(gòu)成回路，因此，電流流通路徑中有兩個晶閘管，所以應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。三相觸發(fā)脈沖應(yīng)依次相差120°，同一相的兩個反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖應(yīng)相差180°。觸發(fā)脈沖順序是VT1～VT6，依次相差60°。

2.4 測速與壓流檢測原理

速度檢測采用KM115/16反射式光電傳感器進(jìn)行測量，它在精確定位的情況下，在被測部件上對稱安裝多個反光片或反光貼紙會取得較好的測量效果。當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件上的反光貼紙通過光電傳感器時，光電傳感器的輸出就會跳變一次，通過測出跳變頻率就可知道轉(zhuǎn)速經(jīng)后續(xù)放大電路放大后，由功放LMD93輸出。壓流檢測選用雙向、高精度電流型傳感器ACS712進(jìn)行設(shè)計，ACS712內(nèi)置有高精度的線性霍爾傳感器電路，流經(jīng)電流與其輸出電壓呈線性關(guān)系，響應(yīng)速度極快。

3 軟件部分設(shè)計

3.1 監(jiān)控界面設(shè)計

利用組態(tài)王軟件監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效地增強(qiáng)工廠生產(chǎn)控制能力，監(jiān)控界面如圖4所示。從采集設(shè)備中獲得通信數(shù)據(jù)，并依據(jù)工程瀏覽器的動畫設(shè)計顯示動態(tài)畫面，實現(xiàn)人與控制設(shè)備的交互操作。組態(tài)王的通信參數(shù)要和單片機(jī)一致。通過控制界面上的相應(yīng)按鈕，輸出對應(yīng)的控制信息，并且通過串口將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)按指令完成任務(wù)。

3.2 單片機(jī)軟件設(shè)計

首先，各模塊初始化，按照初始速度和方向運轉(zhuǎn)，判斷速度是否達(dá)到預(yù)定值，利用PI算法實現(xiàn)閉環(huán)控制達(dá)到速度恒定，然后調(diào)用各子程序判斷電流是否超過額定值，達(dá)到保護(hù)電機(jī)與電路的作用。如圖5a）所示為主程序流程圖，圖5b）所示為測速流程圖。首先進(jìn)行I/O的初始化、模塊的配置等工作，每隔一定時間主程序就會調(diào)用速度檢測子程序，為了取得較高的精度，可以采用多次測量平均值的方法。

4 系統(tǒng)測試

測試電路系統(tǒng)如圖6所示，速度測試結(jié)果如表1所示，滿足設(shè)計要求。

供電電源測試結(jié)果：輸出電壓為24 V的供電電源，不管是否接負(fù)載，都穩(wěn)定在24 V；輸出電壓為15 V的供電電源，實際輸出為14.97 V，達(dá)到了設(shè)計要求。當(dāng)在24 V輸出電壓帶載情況下，該路輸出為17.48 V，這是由于調(diào)整率的變化導(dǎo)致的。

圖7為開關(guān)電源MOSFET的漏源電壓波形圖，由圖7可知它的母線電壓為350 V，復(fù)位電壓為120 V，尖峰電壓為120 V，漏源電壓峰峰值為584 V，在MOSFET的耐壓范圍內(nèi)，符合設(shè)計的要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計以電動機(jī)、定子磁場檢測參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計基于單片機(jī)和組態(tài)的電動機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由電機(jī)供電電源電路、電機(jī)驅(qū)動電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)以及電腦組態(tài)控制四部分組成，實現(xiàn)了制漿過程的自動控制，同時克服了傳統(tǒng)單一電機(jī)制漿的不均勻性。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上下電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速和速度匹配的精確控制。運行狀況良好，最大限度地增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體性能。

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