徐敬成，凌云*，李明，侯文浩

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖南 株洲 412007)

0 引言

在電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域，直流電機(jī)以其優(yōu)越的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。早期的直流電機(jī)調(diào)速控制往往由許多模擬分立器件構(gòu)成，導(dǎo)致在誤差和精度方面存在一系列短板。隨著數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大量的數(shù)字芯片不斷涌現(xiàn)，其控制算法也不斷被研發(fā)出來，使得直流電機(jī)的調(diào)速控制有了質(zhì)的飛躍，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，操作維護(hù)方便，運(yùn)行精度提高[4]。

隨著直流電機(jī)在工業(yè)、交通、航空、化工、機(jī)械、紡織、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域中不斷普及，在一些對于電機(jī)轉(zhuǎn)速、內(nèi)部電流等要求較高的行業(yè)場所，直流電機(jī)的周邊配套設(shè)備還需要進(jìn)一步完善。另外直流電機(jī)構(gòu)造簡單，有的時(shí)候忽略了調(diào)速系統(tǒng)的升級優(yōu)化，導(dǎo)致電機(jī)磨損嚴(yán)重，壽命縮短。如何推廣成本低、性價(jià)比高的直流調(diào)速方案顯得尤為重要。

采用PWM技術(shù)可以有效提高直流調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度和調(diào)速精度，與常見的晶閘管調(diào)速方案相比，其硬件投入少、結(jié)構(gòu)簡單[5-7]。另外由于PWM波脈動(dòng)量小且連續(xù)，可以不必外加濾波環(huán)節(jié)。PWM調(diào)速原理是通過改變占空比來對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，從而改變平均電壓值，配合儲能元件即可改變電樞電壓幅值，達(dá)到改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

本文通過優(yōu)化算法和簡化硬件的方式對PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)了一套簡單高效的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)，能夠在電機(jī)調(diào)速過程中實(shí)施過流保護(hù)，同時(shí)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速快速限定在給定值周圍。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊三部分構(gòu)成。

1.1 電源模塊

電源模塊的主要作用是為系統(tǒng)其它模塊提供電源，其具體電路如圖1所示。由變壓器T1將220V單相工頻交流電轉(zhuǎn)換為15 V交流電后再經(jīng)過全橋整流濾波，最后通過三端穩(wěn)壓芯片7812和7805分別產(chǎn)生12 V和5 V的直流電壓，可以滿足整個(gè)系統(tǒng)中對不同電壓的要求。

圖1 電源模塊電路Fig.1 Circuit of power module

1.2 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊是以STC12C5A60S2為核心控制部件[8-9]，搭配外圍電路包括LCD數(shù)顯電路、轉(zhuǎn)速測量電路、按鍵電路等構(gòu)成，其具體電路如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)對電機(jī)啟停和正反轉(zhuǎn)、加減速等功能進(jìn)行控制。分別設(shè)有按鍵 S1～S4分別對應(yīng)電機(jī)啟停、方向、加速、減速的功能，各按鍵采用共地接法，通過控制器件單片機(jī)產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波。加減速功能除了用于獲得不同等級的電機(jī)速度外，還可以應(yīng)用于在實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定值相差較大的情況下逐級加、減速以實(shí)施電機(jī)過流保護(hù)和減少電機(jī)超調(diào)量的目的。默認(rèn)情況下，若沒有觸發(fā)按鍵S3和S4，則電機(jī)直接加、減速至系統(tǒng)給定值。

圖2 單片機(jī)控制模塊電路Fig.2 Circuit of MCU control module

LCD數(shù)顯電路采用162字符的液晶顯示模塊LM016L，用于顯示電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等信息。

轉(zhuǎn)速測量電路采用線性霍爾元件通過接口CON1與電阻 R2、R3和三極管Q1組合，并接入單片機(jī)P3.2引腳，用于實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)速。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

考慮到單片機(jī)輸出功率較小，不能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊就成為單片機(jī)控制模塊與電機(jī)之間必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，其具體電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路Fig.3 Circuit of motor drive module

作為一款直流電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，L298N內(nèi)部集成兩組H橋逆變電路，性能穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)[10]。在單片機(jī)PWM信號控制下可以有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)以及加減速控制。本文裝置由于僅驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)，故只用L298N第一組H橋。

為了對H橋驅(qū)動(dòng)電流，也就是電機(jī)電流進(jìn)行限幅，利用L298N的SENSA引腳作為檢測端。為了進(jìn)一步做說明，試驗(yàn)用直流電機(jī)參數(shù)見表1。

若設(shè)定單片機(jī)產(chǎn)生PWM波頻率 f =12.5 Hz ，由表1參數(shù)可計(jì)算出電樞電壓有效值U與電機(jī)電流有效值I的關(guān)系為：

表1 實(shí)驗(yàn)用直流電機(jī)參數(shù)Table 1 DC motor parameters for experiment

鑒于多數(shù)情況下對電流限幅的精度要求往往不高，可采用STC12C5A60S2內(nèi)部高速ADC進(jìn)行測量，而且無需另外設(shè)置基準(zhǔn)電壓[11]?？紤]到單片機(jī)Ι/O口與電機(jī)額定電壓的電平匹配問題，的取值為：

當(dāng)需要對電機(jī)電流進(jìn)行檢測時(shí)，在SENSA引腳上串接電阻R10，當(dāng)電機(jī)電流流過R10時(shí)轉(zhuǎn)換成用于電流反饋的電壓信號。由于信號進(jìn)入AD采樣之前必須要濾波才能使采樣得到的信號誤差小，因此設(shè)置由R9和C9構(gòu)成的RC濾波電路，經(jīng)濾波后的電壓信號輸入P1.6引腳，單片機(jī)通過監(jiān)測該電壓的高低來判斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是否工作正常。若電壓超過給定值時(shí)，單片機(jī)即停止PWM波輸出。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)主要是將速度大小、方向給定值通過不同占空比的PWM波來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，同時(shí)接收轉(zhuǎn)速、電流反饋量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)[12]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示，其中斷子程序如圖5所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

圖5 中斷子程序Fig.5 Interrupt subprogram

圖6 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真Fig.6 Simulation of DC motor speed control system

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data

3 系統(tǒng)功能仿真

Proteus集成眾多主流MCU芯片及其外圍器件模型，在數(shù)字電路仿真方面功能強(qiáng)大[13-15]，本文利用Proteus仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。將速度等級分為1～12共12個(gè)等級，用電機(jī)模型自帶的速度信號代替霍爾元件測速電路與單片機(jī)進(jìn)行通信。另外在單片機(jī)PWM側(cè)與電機(jī)側(cè)分別插入示波器模塊以觀察PWM波形特，得到直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真如圖6所示。

通過 S2和 S3分別設(shè)置方向和速度等級后，打開示波器界面，按下啟停鍵 S1即可觀察兩組PWM波形情況，并記錄從0到達(dá)設(shè)定速度等級所需時(shí)間即調(diào)速時(shí)間以及穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。另外設(shè)置了一組對比實(shí)驗(yàn)，即將轉(zhuǎn)速反饋信號與單片機(jī)P3.2引腳斷開后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后得到同樣。得到12組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由表2可得，與無轉(zhuǎn)速反饋實(shí)驗(yàn)相比，在誤差允許的范圍內(nèi)，帶有轉(zhuǎn)速反饋環(huán)的啟動(dòng)時(shí)間能縮短約40%，且不會對系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速造成影響。

4 結(jié)論

本文在現(xiàn)有PWM調(diào)速方法上，通過對轉(zhuǎn)速反饋能夠快速達(dá)到給定值，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，并且加入過流保護(hù)裝置可以延遲電機(jī)的使用壽命。另外還根據(jù)需要增設(shè)了加、減速調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，作為一種新型PWM調(diào)速系統(tǒng)，其性能指標(biāo)都高于常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)，值得推廣應(yīng)用。