直流電機組開/閉環控制實驗系統設計

呂淑平， 許 紅， 胡健軍

(哈爾濱工程大學 自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

儀器設備研制與應用

直流電機組開/閉環控制實驗系統設計

呂淑平， 許 紅， 胡健軍

(哈爾濱工程大學 自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

根據“自動控制元件”實驗課程需求，在研究驅動控制電路、電機控制方法以及恒速控制原理基礎上，基于飛思卡爾單片機設計并實現了直流電機組開/閉環控制實驗系統，給出系統整體設計方案、主要硬件電路設計以及嵌入式軟件設計方法。設計的雙閉環控制系統不僅很好地實現了直流伺服力矩電動機、直流測速發電機工作特性測試和電機恒速控制等實驗項目，還有效地解決了電機驅動發熱問題。經反復實驗測試，系統可靠性高，適合學生實驗。

實驗系統； 直流電機； 恒速控制

控制元件是自動控制系統重要的組成部分,設計一套性能優良的自動控制系統必須熟練掌握控制元件的工作特性、工作原理和使用方法[1]。自動控制元件課程是工科高等院校自動化類專業普遍開設的一門專業基礎課。課程通過相關實驗,使學生掌握自動控制系統中典型控制元件的工作特性和使用方法,為今后學生正確選用控制元件,進行控制系統設計打下基礎[2]。直流電機作為執行元件和測量元件被廣泛應用于自動控制系統中[1]。

本文根據自動控制元件實驗課程需求,設計開發了一套直流電機組開/閉環控制實驗系統。該系統可以完成永磁式直流測速發電機(以下簡稱測速發電機)、永磁式直流伺服力矩電動機(以下簡稱電動機)以及電機恒速控制等實驗項目。

1 系統總體方案

1.1 實驗系統組成

實驗系統包括控制箱和實驗臺架兩部分,實驗臺架由測速發電機、電動機和摩擦力矩測試部件組成。實驗時控制箱在開環工作狀態下為電動機提供0～24 V控制電壓、為測速發電機提供不同的負載電阻；控制箱在閉環工作狀態下,將測速發電機作為反饋元件與電動機組成有差閉環控制系統,完成電動機恒速控制。為提高電動機在實驗過程中的可靠性和安全性,實驗系統采用全數字雙閉環控制結構。閉環控制系統框圖見圖1。

控制系統硬件設計主要包括:單片機最小系統模塊、電動機驅動模塊、轉速測量電路、電流傳感器電路、電動機驅動接口、測速發電機接口、電位器接口、開/閉環控制電路和串口液晶屏顯示電路等；控制系統軟件設計主要包括:開/閉環選擇程序、電動機驅動程序、轉速調節程序、轉速采集程序、恒速控制算法程序、電流檢測程序和串口液晶顯示程序等。

圖1 閉環控制系統框圖

1.2 恒速控制原理分析

根據課程要求,采用比例控制器構建有差閉環系統,穩速調節過程如圖2所示。

圖2 穩速調節過程

2 控制系統硬件設計

2.1 單片機最小系統

控制系統采用Freescale公司K60最小系統板,主要由主芯片、復位電路、晶振電路和I/O端口等組成,其引腳多且功能模塊齊全[3]。該最小系統主要完成對外部各類數據的采集,并根據系統當前工作狀態進行相應的數據處理和顯示,發出可改變占空比的PWM波[4-5],控制電動機轉速等。K60最小系統見圖3。

圖3 K60最小系統

2.2 電源分配

根據實驗系統需求,設計了多種直流電源模塊,電源分配見圖4。開關電源將交流220 V輸入轉換為36 V直流電,為電動機供電；LM2576穩壓芯片將36 V電壓轉化為5 V[6](電路見圖5(a)),為串口液晶屏以及控制板上的一些電路提供5 V電源；TPS76833穩壓芯片將5 V電壓轉化為3.3V[7](電路見圖5(b)),為K60核心系統板和控制板中一些電路提供3.3 V電源；BO512S電源轉換芯片將5 V轉換為12 V[8],為驅動電路提供12 V使能電壓。

圖4 系統電源分配

圖5 5 V與3.3 V電源電路

2.3 電動機驅動模塊

電動機驅動控制電路由光電隔離電路TLP512-4、門極驅動芯片MC33883、H型橋式驅動電路組成[9],其結構如圖6所示。

圖6 電動機驅動控制電路結構

本設計采用門極驅動芯片MC33883和4個相同的N溝道功率場效應管IRF1404組成H橋電路,具備較好的性能和較高的可靠性,并具有較大的驅動電流[10]。圖7為H橋驅動模塊電路原理圖。

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件主要包含兩大部分,一是開環,二是閉環。在開環狀態下,根據實驗要求主要完成電動機控制特性和機械特性的測試以及測速發電機輸出特性的測試；在閉環狀態下,通過采集測速發電機轉速與給定轉速進行比較得到偏差,通過比例控制器實現對電動機恒速控制[11]。控制系統程序整體流程見圖8。由于篇幅有限,本文只給出閉環狀態下相關程序設計方法。

圖7 H橋驅動電路原理圖

圖8 控制系統程序整體流程圖

3.1 速度采集程序

系統輸出轉速是由反饋元件，即直流測速電機得到的,首先采集測速發電機的輸出電壓,根據比例關系再轉化為相應的速度。速度采集流程圖見圖9。

圖9 速度采集流程圖

3.2 恒速控制程序

要保證系統輸出速度不隨負載變化而變化,就必須加上速度環,構成閉環系統。為使控制效果更好,本文采用分段控制方法,即在不同時間段內施加不同的比例系數。當偏差較大時,需要比例環節作用強以快速減少誤差；但比例系數過大會使系統出現振蕩現象,因此當偏差較小時,將比例系數降下來確保系統穩定。恒速控制流程圖見圖10。

圖10 恒速控制流程圖

3.3 電流檢測程序

電流檢測模塊是為了提高實驗設備的可靠性和安全性,避免電動機在較長時間堵轉時,繞組內電流過大,燒毀電動機。采用電流傳感器ACS712構成電流檢測模塊[12],串聯到電路中作為系統的電流環。當檢測到電動機繞組內電流超過一定范圍且持續一段時間后,使PWM占空比為0,電動機停止工作,保護電動機不受損壞。使用時,一端的兩個引腳串聯到電路中,另一端引腳輸出與電流成比例的AD值。程序設置一個5 ms定時中斷,5 ms一到就進入定時中斷服務程序,讀取電流AD值,均值濾波后,根據比例關系得到實際電流的大小。

4 實驗項目測試

研制的控制箱外觀如圖11所示。

圖11 控制箱外觀

4.1 直流測速發電機實驗

實驗內容:直流測速發電機的空載(RL=Inf)、負載輸出特性測試。首先將控制箱閉環/開環選擇開關置于開環位置,用皮帶將電動機和直流測速發電機連接起來,通過調節加載在電動機電樞兩端的控制電壓,使測速發電機輸出不同轉速。測得的測速發電機的空、負載輸出特性見圖12。

圖12 測速發電機空、負載輸出特性

由圖12可知,有負載的情況下,電樞回路中會產生電流,內阻Ra上也會產生一部分壓降,導致測得的輸出電壓略小于感應電動勢,從而造成空、負載輸出特性不同；當負載RL不同,電樞回路中產生的電流不同,Ra上產生的電壓降不同,會導致輸出特性的斜率Kef(即靈敏度)不同,負載RL越大,靈敏度Kef越大。

4.2 直流伺服力矩電動機實驗

實驗內容:電動機的機械特性和控制特性測試。首先將控制箱閉環/開環選擇開關置于開環位置,拆下電動機和測速發電機之間連接皮帶。測得的電動機機械特性和控制特性見圖13和圖14所示。

圖13 電動機機械特性

由圖13可知,在控制電壓Ua一定條件下,由n=Ua/Ce?-TemRa/CeCm?2(Ce為電動機電勢系數，Cm為電動機轉矩系數，?為主磁場每極下磁通)可知：隨著負載轉矩Tem的增大,轉速n降低；在負載相同的情況下,隨著控制電壓Ua的增大,轉速n增大。

圖14 電動機控制特性

由圖14可知,負載一定條件下,根據n=Ua/Ce?-TemRa/CeCm?2可知：隨著控制電壓Ua的增大,轉速n增大；在相同控制電壓下隨著負載轉矩Tem的增大,轉速n降低。

4.3 恒速控制實驗

實驗內容:閉環控制狀態下,電動機機械特性測試。首先將控制箱閉環/開環選擇開關和負載選擇開關置于閉環位置,用皮帶將電動機和測速發電機連接起來,組成閉環控制系統。給定期望轉速n0恒定不變,電動機穩態轉速隨負載轉矩變化。得到的電動機恒速控制特性見圖15。

圖15 直流伺服力矩電動機恒速控制特性

由圖15可知,給定的期望轉速是1 540 r/min,當負載轉矩改變時,電動機的轉速變化不是很好，可以看出閉環狀態下電動機的機械特性硬度明顯提高了。圖15效果不是很明顯的原因是縱坐標不是從0開始的。由于系統采用的是比例控制器必然會有靜差存在,用靜差去平衡那個變化的負載轉矩。

5 結論

本文基于實驗課程需求,自行研制了直流電機組開/閉環控制實驗系統。該系統可以完成直流測速發電機空、負載輸出特性的測試、直流伺服力矩電動機機械特性和控制特性的測試以及電動機恒速控制等實驗項目。經反復實驗測試,系統可靠性高,適合學生大規模實驗，達到了預期的設計效果。

References)

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[2] 史震,張鵬,鞏冰.自動控制元件[M].北京:國防工業出版社,2013.

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Design of experimental system of open and closed loop control for DC motor set

Lü Shuping， Xu Hong， Hu Jianjun

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

According to the needs of the experimental course of Automatic Control Component, on the basis of the research on the drive control circuit, motor control method and principle of constant speed control, and based on Freescale MCU, the experimental system of open and closed loop control for the DC motor set is designed and realized. The overall design plan for this system, the design method of the main hardware circuit and the embedded software design method are presented. The designed double loop control system not only realizes the experimental projects such as working characteristic test of DC servo torque motor and DC speed-measuring generator, and the motor constant speed control, but also effectively solves the motor driven heating problem. After repeated experimental tests, the system has high reliability and is suitable for the large-scale experiments for the students.

experimental system; DC motor; constant speed control

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.017

2016-07-28 修改日期：2016-08-30

黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2014010671);哈爾濱工程大學2016年本科教學改革研究項目(JG2016BZD09)

呂淑平(1963—)，女，黑龍江哈爾濱，博士，教授，實驗教學中心主任，主要研究方向為實驗室建設與管理.

TP273;G484

A

1002-4956(2017)1-0069-05