数字式直流电机调速系统的设计

摘要：针对制造业设备改造中采用先进的数字式技术的要求，对BZ151、B2152型龙门刨床主拖动电机直流调速控制系统进行了改进设计，经过综合论证，提出了一种直流调速控制系统的设计方案。以单片机作为中央处理器，通过触发电路、速度检测电路和控制电路等外扩电路，实现了直流电机的数字式调速。

关键词：直流调速控制器 双闭环调速系统 单片机

中图分类号：TM33文献标识码：A文章编号：1007-9416(2011)09-0063-02

双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速。传统的控制系统采用模拟元件，易老化并在使用中易受外界干扰影响，系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。因此，建立一款有效的数字式直流调速系统非常重要。

1、数字式直流调速系统总体设计方案

本系统以单片机为核心，速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机，计算机按照已定的控制算法计算产生双脉冲，经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级，以控制晶闸管输出整流电压的大小，平稳的调节电动机的速度。晶闸管正反组切换由数字逻辑切换单元来完成，其整个系统结构框图如图1所示。

2、系统设计

硬件电路设计主要有主电路和控制回路。主回路由晶闸管构成，控制回路主要由单片机，检测电路，驱动电路，按键输入，数码显示等构成，检测电路又包括电流检测，转速检测，电源逻辑状态检测等部分。

2.1 晶闸管触发控制电路设计

2.1.1 晶闸管触发方法

晶闸管三相全控桥式整流电路在触发时，采用双脉冲触发方式，每次两组各有一个晶闸管导通。单片机在触发晶闸管时,根据电流控制器的输出控制值uk，以同步基准点位参考点，算出晶闸管控制角α的大小，再通过定时器按控制角的大小以及触发顺序，准确地向各个晶闸管发出触发脉冲。

2.1.2 控制算法

设相邻控硅之间触发脉冲间距角为Δ。在稳定情况下，Δ=600。当α由αk-1变为αk时，应有：

Δ=αk-αk-1+600（1）

在控制时，一般均使用单片机的定时器来完成触发脉冲输出。这样，须把角度转换成时间值。交流电的一个周期（对频率为50Hz为20ms）对应于3600，故600对应于10/3ms。为了避免触发错误，必须加入同步校正。每隔3600来一个同步脉冲（取自线电压uac的过零点），以此为基准点，校正触发第一对晶闸管SCR1.6的控制角。这可采用在每个周期用定时器计数同步脉冲发生时刻与实际同步脉冲发生时刻之差Te，触发间距时间TΔ可表示为：

TΔ=Tαk-Tαk-1+T60+Te （2）

2.2 调节器的设计

为了实现转速、电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别对电流和转速实行调节，二者之间实行串级调速。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制可控硅等整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节器在里面，叫内环；转速调节器在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流比闭环调节系统。

2.3 单片机系统设计

2.3.1 数字触发

本系统采用Inter的MCS-51中的80C31单片机，在其触发、显示电路中，同步电压信号由一只△/Y-1接法之变压器取出Uao(其相位和线电压Uao相同)，经过二极管、电阻、电压过零比较器LM324和反相器74LS04组成之整形电路输出标准的5V方波，在同步信号未到时，软件使7474触发器Q=“1”，同步信号到来时，7474的CK端得到正的5V方波，使7474翻转为Q=“0”，该负跳向CPU申请中断。CPU接到中断请求信号，立即转向中断处理程序，在中断处理程序中，按照设计的定时间隔，通过扩展接口8255发6组双窄脉冲，脉冲经隔离放大加在三相桥的6只可控硅的控制端。

2.3.2 速度检测电路的设计

采用M/T法进行速度测量，扩展的可编程计数器8253的CLK0，CLK1同用一个参考时钟fc，fc用单片机8031的ALE输出值1M频率，在利用分频器进行二分频。CLK0为定时器时钟，CLK1为参考计数时钟，CLK2为实际转速计数时钟，只要8253被单片机选中，然后各通道送相应的控制字，一旦作为定时器0#通道工作方式一建立，OUT0由高电平变低，该低电平在触发器的D端，第一个代表转速的脉冲到来，就翻转到“1”，该高电平同时启动0#，1#，2#通道同时开始减1计数。

2.4 软件设计

在该调速系统中控制部分的软件包括主程序和INT0、T0、T1、T2四个中断处理程序。主程序主要完成各种初始化操作，然后循环定时完成速度环和电流环的采样和各种计算以及键盘输入和显示扫描等各种功能，其主程序流程图如图2所示。

3、结语

本设计针对制造业设备改造中采用先进的数字式技术的要求，设计了一款数字式直流调速系统。该系统以80C31单片机为中央处理器，设计了合理的触发电路、显示电路、速度检测电路以及控制回路，通过硬件和软件的相结合，实现了直流电机的数字式调速功能，改善了原模拟式直流调速的不足，更好的满足了工业的需要。

参考文献

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作者简介

邱志勇，1984,男，硕士研究生，研究方向;自动化仪表与装置、智能控制技术。

谌海云，男，教授，研究方向;自动化仪表与装置、智能控制技术。

胡敏，女，硕士研究生，研究方向;油气检测技术与自动化装置。

刘彦彦，女，本科。

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