數字化直流電流調節器設計

汪孔玉

摘要：目前起重機平移機構渦流調速系統中勵磁電流控制為模擬量控制，精度差、無法顯示工作狀態。文章詳細介紹了數字化直流電流調節器的設計、工作原理及使用方法。采用直流電流調節器渦流調速系統控制結構簡單、工作可靠、安全性能好，適用于各種噸位的起重機平移機構調速控制。

關鍵詞：起重機平移機構渦流調速系統；勵磁電流控制；模擬量控制；數字化；直流電流調節器

中圖分類號：TM773文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）04-0057-02

目前起重機平移機構渦流調速系統中勵磁電流控制為模擬量控制，精度差、無法顯示工作狀態。本文介紹的數字化直流電流調節器特點是主回路采用晶閘管半控橋式整流電路，輸出電流三個檔位，每個檔位分別可以電流設置，并輸出電流顯示，晶閘管脈沖觸發等均采用單片機模塊ATMEGA8，通過軟件設置實現上述功能。

一、總體設計方案選擇

（一）數字化直流電流調節器控制系統的組成

數字化直流電流調節器是渦流調速控制系統中的一個重要部件。通過改變和電動機同軸的渦流電機的勵磁電流，改變平移電動機的速度。控制器采用電流閉環控制系統，輸出電流可連續可調。

硬件電路以ATMEGA8單片機顯示驅動片MAX7129及外部接口電路組成，該單片機內部功能非常強大，外部接口電路采用A/D，D/A轉換器，運算放大器組成的比較電路及通過光耦采集的開關量信號，顯示電路采用四位數碼管在控制板上直接顯示結構緊湊合理，可靠性高。

（二）數字化直流電流調節器裝置控制原理

控制器采用了二相交流380V電壓輸入，通過L電抗器濾波消除高次諧波。二極管D1、D2和晶閘管SCR1、SCR2組成單相半控橋式整流電路。晶閘管和二極管采用半控橋模塊，型號MCD56額定電流50A。

晶閘管由觸發脈沖控制，通過單片機IC1產生觸發脈沖，經功放模塊A5、脈沖變壓器模塊A6電子線路組成的觸發器去觸發各個晶閘管，通過改變晶閘管的觸發相位角，使輸出電壓從0V到額定電壓連續可調。該裝置是恒流源輸出，調節回路采用電流調節器和電流負反饋構成的電流閉環調節系統，該系統全部由軟件實現。電流檢測回路采用霍爾元件，把電流轉換成電壓。霍爾元件起到弱電回路和強電回路隔離，保證使用安全、同時防止高電壓串到低電壓回路中。霍爾元件輸出電壓經運算放大器處理后，通過單片機內部A/D轉換器轉換成數字信號。通過數據處理程序完成電流反饋，電流顯示及失磁保護等功能。電流輸出分別有三獨立輸出的檔位，每個檔位輸出電流0～25A連續可調，可通過按鍵設定。

（三）硬件電路的組成

該裝置共有三個檔位輸出電流，通過按鍵直接設定。晶閘管觸發脈沖由單片機輸出，經脈沖功放片ULQ2003觸發晶閘管。輸出勵磁電流、檔位及故障顯示采用單片機并通過數碼管顯示，并通過故障代碼和工作狀態的符號來顯示。硬件電路以ATMEGA8單片機顯示驅動片MAX7129及外部接口電路組成。檔位信號通過光耦片CNY17-2隔離、電流反饋回路、運算放大器組成的比較電路及通過光耦采集的開關量信號，顯示電路采用四位數碼管在控制板上直接顯示，結構緊湊合理，可靠性高。硬件結構框圖如圖1所示：：

1．主回路。主回路采用晶閘管半控橋式整流電路，晶閘管移相范圍為0°～180°晶閘管觸發脈沖通過單片機產生，經脈沖功放觸發晶閘管。

2．電源部分。模塊電源部分原理如圖2所示。其中為±15V提供運算放大器電源，24V提供晶閘管模塊電源觸發電源，DC5V電源為單片機模塊工作電源。

3．勵磁電流檢測。勵磁電流檢測勵磁電流檢測，本裝置采用直流電流互感器將直流電流轉換成電壓，取樣通過運算放大器輸入單片機中，經內部A/D轉換器成為數字信號，經數據處理程序顯示勵磁電流數值。該信號作為電流反饋數值構成電流閉環系統。

二、系統軟件設計

（一）系統主程序設計

主程序完成系統的各種功能初始化操作，包括ATmega8的片內I/O寄存器、各種狀態和標志位、各個控制數據等的初始化，然后循環定時執行速度環和電流環的計算，并完成鍵盤輸入、顯示掃描等各種功能。在該系統中，采用有效的算法能夠計算所需要調節的參數的數值，精度高，可以隨時顯示。可以通過有效的軟件算法來實現，可靠性高，并能夠減少硬件開銷，降低成本。由于某項功能的軟件算法調試成功后可以無限次的使用，所以用軟件算法實現的功能可以一勞永逸。在本系統中，故障判斷、故障報警、故障代碼顯示等功能都用有效的算法。

數字化系統的控制精度和性能除了依賴于微處理器本身的處理能力和速度外，與軟件算法的有效性有很大的關系，高效的算法也是保障系統高效運行的因素之一。本系統除了采用能夠單周期指令處理的微處理器外，還精心設計了有效的軟件算法，使系統能夠高效運行。

（二）數字PID調節器程序設計

該裝置采用PID電流調節器構成的電流閉環系統。在微機數字控制系統中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統的設計方法設計調節器，然后再離散化，就可以得到數字控制器的算法，這就是模擬調節器的數字化。

ATmega8的PID控制器，包括一個完成算術和邏輯功能的ALU，以及一個存儲狀態變量和有關系數的存儲器。其端口如下:RESET端口為復位端口，當RESET為高電平時，PID控制器復位，FSIGNIN為輸入設定電流，HOSTINTERRUPT為主機請求信號，當此信號為“1”時，PID開始計算，為“0”時停止輸出結果。PID控制器運行時，直流電流調節器有輸出時，HOSTINTERRUPT信號發生變化時進行采樣，然后與給定電流比較，

得到電流偏差，在設計中采用模塊化設計。

三、系統測試

（一）三檔輸出電流調節

L1、L2接AC380V電源，電流調節器輸出端接一個10Ω電阻片作為負載。控制回路輸入AC220V電壓使一檔閉合，用按鍵選擇一檔電流設定，輸出0～25A應連續可調。用同樣方法調節二檔和三檔電流，輸出應為0～25A連續可調。

（二）顯示和故障報警部分測試

接通電流調節器輸出一個電流，用電流表測量電流數值應與數碼管顯示的電流一致。把負載斷開數碼管閃爍顯示FL失磁故障。

四、結論

通過以上分析可知，采用直流電流調節器渦流調速系統控制結構簡單、工作可靠、安全性能好，適用于各種噸位的起重機平移機構調速控制。其缺點是有一定的渦流損耗，不利于節能，由于它控制簡單成本低，目前在起重機調速系統中被廣泛應用。

參考文獻

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[3] 余永權，汪明慧．單片機在控制系統中的應用[M]．北京：電子工業出版社，2003．

（責任編輯：周加轉）