自校正模糊控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整器的設(shè)計(jì)

１　引言

在日常生產(chǎn)與生活中，大量電動(dòng)機(jī)都以規(guī)定的速度和功率去拖動(dòng)各種機(jī)械。而在軍事上，很多應(yīng)用往往要求旋轉(zhuǎn)天線在各種條件下都要保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng),這就要求在不同的情況下，電動(dòng)機(jī)能相應(yīng)調(diào)整工作速度，以保持恒定的速度。要實(shí)現(xiàn)這一功能，最常用的方法是對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞或交流電動(dòng)機(jī)的定子電壓，都可以在一定的范圍里改變轉(zhuǎn)速；也可用雙向晶閘管交流開(kāi)關(guān)或直接選用模擬控制的通用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)取代笨重的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組以及飽和電抗器。本文介紹一個(gè)直接由１１０／２４０Ｖ電源供電的通用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)ＭＣＵ以及一個(gè)雙向晶閘管開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)控速的設(shè)計(jì)方法。其中單片機(jī)選用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１２Ｆ６７５。與用戶接口的方式有三種一個(gè)是接觸傳感器；一個(gè)是按鈕；一個(gè)是電位器。筆者在該仿真實(shí)驗(yàn)中采用的是電位器。輔助電源從電源電壓中變壓整流獲得。

２　設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)

２．１ 電路結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖１所示。使用時(shí)，可通過(guò)設(shè)置電位器的電阻大小，并經(jīng)Ａ／Ｄ輸入單片機(jī)來(lái)預(yù)設(shè)速度；單片機(jī)通過(guò)同步電路與２２０Ｖ交流電源同步，并通過(guò)輸出脈沖控制晶閘管的通斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的速度，同時(shí)將電動(dòng)機(jī)的速度通過(guò)速度檢測(cè)裝置（霍爾開(kāi)關(guān)）反饋給單片機(jī)以形成閉環(huán)。

２．２ 單片機(jī)電路的功能原理

該設(shè)計(jì)中單片機(jī)電路的功能原理圖如圖２所示。它由５Ｖ直流副電源和２２０Ｖ交流主電源、單片機(jī)、雙向晶閘管開(kāi)關(guān)和電機(jī)整流電路和霍爾開(kāi)關(guān)組成。其中，單片機(jī)的腳１（Ｖｄｄ）接＋５Ｖ腳８（Ｖｓｓ）接地，其它引腳的功能與設(shè)計(jì)如下：

（１）ＧＰ３用于上電復(fù)位。在通電的瞬間，Ｃ３通過(guò)Ｒ２充電ＧＰ３以經(jīng)延遲后低電平觸發(fā)。延遲的大小和ＣＰＵ的頻率有關(guān)，對(duì)于ＰＩＣ１２Ｆ６７５單片機(jī)，延遲只要大于７２ｍｓ就可以了。ＧＰ３外的電阻可以選１ｋΩ電容應(yīng)大于０．１μＦ。二極管Ｄ２的作用是在電源快速反復(fù)通斷時(shí)，保證Ｃ３電容能及時(shí)放電。

（２）ＧＰ４主要用于速度信息的輸入。該腳外的電位器Ｒ１用于為ＧＰ４輸入一個(gè)電平（ＧＰ４在這里的功能是１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器）。該輸入電平通過(guò)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后，用于給單片機(jī)輸入一個(gè)預(yù)設(shè)速度。將該速度和實(shí)際速度進(jìn)行比較，并計(jì)算出速度的偏差，然后查表或通過(guò)算法便可以得到延遲Ｔｄ。電位器Ｒ１的阻值應(yīng)較大（在１００ｋΩ左右），以減少５Ｖ副電源的負(fù)載壓力。

（３） 通過(guò)ＧＰ２可輸入同步信號(hào)。由于２２０Ｖ的交流電源頻率不是很穩(wěn)，因此，為了保證延遲Ｔｄ的精確，應(yīng)通過(guò)Ｒ５輸入交流信號(hào)進(jìn)行同步。ＧＰ２在這里的功能也是Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，它可將通過(guò)Ｒ５輸入的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。Ｒ５的阻值要大約在１ＭΩ左右。因?yàn)椋遥抵苯咏釉冢玻玻埃值慕涣麟娫瓷希鴨纹瑱C(jī)的輸入電流不能太大。

（４）通過(guò)ＧＰ０可輸入霍爾器件產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。

霍爾開(kāi)關(guān)是用于磁場(chǎng)檢測(cè)的半導(dǎo)體傳感器，霍爾開(kāi)關(guān)的實(shí)際接線圖如圖３所示，ＰＩＣ１２Ｆ６７５的１腳接５Ｖ直流電源，２腳接地，３腳輸出頻率脈沖給單片機(jī)的ＧＰ０腳。

在正常工作時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)被放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)按周期強(qiáng)度和方向發(fā)生變化的磁場(chǎng)中。其輸出電壓的大小隨著垂直通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體薄片的磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化，霍爾開(kāi)關(guān)有電流式和開(kāi)關(guān)式兩種。電流式霍爾開(kāi)關(guān)輸出的是模擬信號(hào)，可完全包含磁通量的變化情況；而開(kāi)關(guān)式霍爾開(kāi)關(guān)則由于集成了比較器，因而可直接輸出數(shù)字信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式無(wú)疑是最方便的。如果采用電流式，由于選用的是功能全面的自帶比較器的ＰＩＣ１２Ｆ６７５單片機(jī)，它的ＧＰ１腳上輸入的一個(gè)門限電平（由兩個(gè)電阻分壓得到）通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的比較器和ＧＰ０腳的轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)進(jìn)行比較，也可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。

由于實(shí)際的霍爾開(kāi)關(guān)要接在電動(dòng)機(jī)的線圈附近，手工改造電動(dòng)機(jī)相對(duì)比較困難。因此，該設(shè)計(jì)為了方便演示，可以使用一個(gè)由５５５定時(shí)器設(shè)計(jì)的多諧振蕩器產(chǎn)生的頻率脈沖信號(hào)來(lái)替代霍爾開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)。

（５）ＧＰ５腳輸出的低電平脈沖用于觸發(fā)雙向晶閘管開(kāi)關(guān)，其腳輸出低電平脈沖的時(shí)間是由延遲Ｔｄ決定的，要保證和主電源同步才能使相位平穩(wěn)的前后移動(dòng)。ＧＰ５腳的低脈沖可以使雙向晶閘管開(kāi)關(guān)保持導(dǎo)通，直到２２０Ｖ電源反向。

此外，在實(shí)際應(yīng)用中，雙向晶閘管開(kāi)關(guān)對(duì)觸發(fā)電路的要求如下：

（１） 雙向晶閘管開(kāi)關(guān)從截止到完全導(dǎo)通需要一定的時(shí)間（一般在１０μｓ下），所以觸發(fā)脈沖的寬度要在１０μｓ以上，最好為２０～５０μｓ。如果是感性負(fù)載，由于電流上升比較慢，實(shí)際上還需要更寬的脈沖寬度。

（２） 觸發(fā)電路要有足夠大的電壓和電流。電壓應(yīng)在４～１０Ｖ，電流要大于１０ｍＡ，所以可使用５Ｖ的副電源。在雙向晶閘管開(kāi)關(guān)和ＧＰ５之間應(yīng)接一個(gè)０．２ｋΩ的電阻。

（３） 不觸發(fā)時(shí)的電壓應(yīng)小于０．１５～０．２Ｖ。觸發(fā)脈沖的前沿要盡量陡，應(yīng)在１０μｓ以下。

３　軟件的實(shí)現(xiàn)

圖４是該設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速和檢測(cè)信號(hào)的波形時(shí)序圖，圖５是本設(shè)計(jì)方案的軟件程序流程圖。該程序的主要步驟是復(fù)位、初始化、設(shè)置ＧＰ２上升沿中斷、設(shè)置Ａ／Ｄ通道ＧＰ４、讀取電位器設(shè)定的速度值ｎ（ｎ經(jīng)過(guò)Ａ／Ｄ）和讀?。裕漕A(yù)先設(shè)定值等。當(dāng)交流電源變?yōu)樨?fù)半周期時(shí)，設(shè)置ＧＰ２下降沿觸發(fā)和延遲Ｔｄ即可輸出寬度為Ｔｇ的脈沖，同時(shí)設(shè)置ＧＰ０接收中斷源請(qǐng)求等。一般當(dāng)霍爾開(kāi)關(guān)輸入為上升沿時(shí)中斷，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而當(dāng)霍爾開(kāi)關(guān)再輸入一個(gè)上升沿中斷時(shí)，計(jì)數(shù)器停止，并記下數(shù)值ａ，最后在通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)算法計(jì)算出延遲Ｔｄ后清除ｎ和ａ。當(dāng)交流電源變?yōu)檎胫芷跁r(shí)，在設(shè)置ＧＰ２上升沿觸發(fā)、設(shè)置Ａ／Ｄ通道ＧＰ４、等待中斷、補(bǔ)償延遲Ｔ０、延遲Ｔｄ以及觸發(fā)脈沖Ｔｇ后，便可通過(guò)ＧＰ４讀取設(shè)置速度ｎ。設(shè)計(jì)時(shí)正負(fù)周期的程序循環(huán)進(jìn)行。通過(guò)計(jì)數(shù)器的數(shù)值ａ計(jì)算轉(zhuǎn)速ｓ的算式如下：

ｓ＝ｆ／ａ

其中，ｆ是十六位計(jì)數(shù)器１的頻率，為１ＭＨｚ。

實(shí)際上，通過(guò)ｎ和ａ由單片機(jī)計(jì)算延遲ｔｄ需要一個(gè)準(zhǔn)確的算法。數(shù)字調(diào)節(jié)算法一般選擇ＰＩ算法，這是在工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式。其作用在于能夠集比例調(diào)節(jié)的快速和積分調(diào)節(jié)的清除靜差作用于一體，從而使系統(tǒng)的靜、動(dòng)特性都有所改善。

４　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單易行的電動(dòng)機(jī)調(diào)速器雖然解決了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率問(wèn)題，也比較簡(jiǎn)單實(shí)用。但也有一些需要改進(jìn)的地方，尤其在軟件方面，還需要加強(qiáng)功能，以提高算法的效率和準(zhǔn)確性。