戴文滔，佟勝偉，張利來(lái)

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引 言

電力系統(tǒng)是通過(guò)信息的傳輸與交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)發(fā)電、供電的合理分配，但是電力系統(tǒng)中電能的產(chǎn)生是由變電站及發(fā)電廠(chǎng)的大型電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，而電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行必須要具有很高的可靠性，以避免給社會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。因此，傳統(tǒng)的電機(jī)控制模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，基于單片機(jī)和組態(tài)的智能電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，而且在出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)通過(guò)通信系統(tǒng)將故障信號(hào)上傳到平臺(tái)，進(jìn)而確保電機(jī)的正常運(yùn)行[1]。

1 智能電機(jī)控制系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案及原理

該控制系統(tǒng)的組成部分主要有組態(tài)軟件模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)通過(guò)三相移相調(diào)壓電路對(duì)三相電機(jī)和三相定子的磁場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制其旋轉(zhuǎn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)是利用STM32F103ZET 單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心微處理器，又因?yàn)樵跀嚢柘到y(tǒng)中，被控對(duì)象本身的慣性和滯后性比較大，所以選擇PI 算法的閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要目的是改變智能電機(jī)系統(tǒng)的滯后性和動(dòng)態(tài)特性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是利用H 橋結(jié)構(gòu)移相調(diào)壓電路，能夠接受單片機(jī)控制核心發(fā)出的指令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度以及其他功能[2]。智能電機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案的框圖

2 智能電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)選擇STM32F103ZET 單片機(jī)作為整個(gè)智能控制系統(tǒng)的核心[3]。因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)和傳統(tǒng)C51 單片機(jī)是相反的情況，所以采用低電平復(fù)位。為了保證晶振能夠更高地發(fā)揮振動(dòng)效果，將8 MHz 的晶振與兩片陶瓷電容有效的連接到一起。采取外部晶振的目的是保證智能電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)發(fā)送出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)高速光耦傳遞到或非門(mén)，控制信號(hào)與PMW 的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的硬件形成邏輯輸出，然后將信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的控制?？刂齐姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的信號(hào)和PWM 輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)硬件形成一定的邏輯輸出。

2.3 電機(jī)的三相交流調(diào)壓原理

在該智能電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用三相移相調(diào)壓電路對(duì)三相電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。對(duì)電位器的電壓輸出值進(jìn)行控制來(lái)控制電機(jī)的移相角，電位器的輸出電壓在0 ～5 V 時(shí)，其輸出的電壓對(duì)應(yīng)是0 ～380 V。利用無(wú)中星形連接三相交流調(diào)壓電路，無(wú)論是哪一相在導(dǎo)通的過(guò)程中都需要與另外的一相之間構(gòu)成回路，所以在電流流通路徑中存在兩個(gè)晶閘管，因此脈沖方式應(yīng)該選擇雙脈沖或者寬脈沖。

2.4 電機(jī)系統(tǒng)的測(cè)速與壓流檢測(cè)

系統(tǒng)中主要是利用KM15/16 反射光電傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的速度，在其精準(zhǔn)的定位下，在需要測(cè)量的部件上對(duì)稱(chēng)安裝反光貼紙或者反光片，以取得很好的測(cè)量效果。旋轉(zhuǎn)部件上的反光貼紙每次經(jīng)過(guò)光電傳感器時(shí)，光電傳感器的輸出就會(huì)發(fā)生一次跳變，通過(guò)對(duì)跳變頻率的測(cè)量可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速N。在經(jīng)過(guò)放大電路放大后，通過(guò)功放LMD93 把測(cè)量值輸出。壓流的檢測(cè)設(shè)計(jì)需要用到雙向、高精度的電流型傳感器ACS712，ACS712 中具有精度很高的線(xiàn)性霍爾傳感器電路，流經(jīng)該線(xiàn)路的電流和其輸出之間的電壓是線(xiàn)性關(guān)系，電路的響應(yīng)速度十分快。

3 電機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件部分的研究

3.1 主程序的設(shè)計(jì)

編寫(xiě)的程序是通過(guò)梯形圖實(shí)現(xiàn)，在該設(shè)計(jì)中采用STEP7－Micro/WIN32 編程軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上電后，通過(guò)SB1 和SB4 能夠?qū)嚢柽^(guò)程中的電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)控制，SB2 和SB3 能夠?qū)﹄姍C(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，SB5、SB6、SB7 這3 種工作模式可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制；SB8 和SB9 能夠控制電機(jī)的速度，一個(gè)是一級(jí)速度，另一個(gè)是二級(jí)速度。在單片機(jī)中把這些設(shè)定好的值導(dǎo)入后，在運(yùn)算后會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)、方向信號(hào)，進(jìn)而對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度、運(yùn)轉(zhuǎn)方向以及運(yùn)轉(zhuǎn)方式的控制，如圖2 所示。

3.2 組態(tài)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

組態(tài)王軟件本身就是專(zhuān)門(mén)采集數(shù)據(jù)、分析管理數(shù)據(jù)以及顯示動(dòng)態(tài)畫(huà)面的軟件，同時(shí)該軟件還具備自動(dòng)報(bào)警功能。將組態(tài)王軟件應(yīng)用到對(duì)電機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控中，實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)和PLC 之間數(shù)據(jù)的交換，進(jìn)而提升系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)中所有電機(jī)的控制能力。在該過(guò)程中，利用組態(tài)王軟件采集設(shè)備中的數(shù)據(jù)，通過(guò)瀏覽器的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)畫(huà)面，可以更直觀(guān)地刻畫(huà)出電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程，便于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的操作。組態(tài)王軟件的通信參數(shù)要保持與單片機(jī)之間一致，同時(shí)通過(guò)對(duì)界面對(duì)應(yīng)按鈕的控制，將對(duì)應(yīng)的控制信息傳輸出來(lái)，進(jìn)而通過(guò)系統(tǒng)的串口把信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)接收到的指令完成對(duì)電機(jī)的相關(guān)控制。

圖2 接線(xiàn)圖

3.3 單片機(jī)的軟件部分

接通電源后，將單片機(jī)各個(gè)模塊初始化。然后點(diǎn)擊進(jìn)入大循環(huán)系統(tǒng)，在該循環(huán)過(guò)程中，讓電機(jī)按照其初始方向和速度運(yùn)行，需判斷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度是否達(dá)到了預(yù)定值，通過(guò)PI 算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)恒定速度，再利用各個(gè)子程序?qū)﹄娏鞯念~定值進(jìn)行判斷，對(duì)電機(jī)與電路起到保護(hù)作用。首先是對(duì)I/O 進(jìn)行初始化和模塊配置操作，然后間隔一段時(shí)間主程序就能夠調(diào)用速度對(duì)子程序進(jìn)行檢測(cè)?？梢岳枚啻螠y(cè)量取平均值的辦法來(lái)取得較高的精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)的智能電機(jī)輸出電壓要求在24 V 左右，經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是否在輸出端接負(fù)載，其輸出電壓都能夠穩(wěn)定在24 V，因此滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

采用智能電機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中電機(jī)的全面監(jiān)控，組態(tài)監(jiān)控界面可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電的電流等情況顯示出來(lái)。組態(tài)監(jiān)控界面、單片機(jī)控制系統(tǒng)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三者之間相互協(xié)調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的精準(zhǔn)控制。