基于V—M系統(tǒng)的直流雙閉環(huán)調(diào)速裝置設(shè)計

邢永陳　蔣光峰

摘 要：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在工程中應(yīng)用極為廣泛[1]。本裝置采用V-M橋式可控整流電路作為主電路，由光電編碼器檢測直流電機轉(zhuǎn)速構(gòu)成速度反饋，霍爾電流傳感器檢測電樞電流構(gòu)成電流反饋。使用ST公司STM32系列F407微處理器完成整個裝置的控制，由微處理器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路進行調(diào)速，大大降低了生產(chǎn)成本。實驗證明，該裝置能穩(wěn)定運行傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI算法，可驅(qū)動較大功率的電機。

關(guān)鍵詞：V-M系統(tǒng)；雙閉環(huán)調(diào)速；STM32

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）08-0146-02

Abstract：Double closed loop DC speed regulating system is widely used in engineering. The device adopts the V-M controlled bridge rectifier circuit as the main circuit， the photoelectric encoder detects the speed of the DC motor， constitutes the speed feedback， and the Holzer current sensor detects the armature current to form the current feedback. The use of the largest amount of ST company STM32 series F407 microprocessor to complete the entire device control， the trigger pulse generated by the microprocessor signal， the drive circuit for speed regulation， greatly reducing production costs. The experiment proves that the device can stably run the traditional double closed loop PI algorithm， and can drive larger power motors.

Key Words： V-M system； Double loop speed regulation； STM32

基于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，結(jié)合當前調(diào)速裝置價格較昂貴的現(xiàn)狀，文本設(shè)計了一種調(diào)速性能良好，成本較低的數(shù)字直流雙閉環(huán)調(diào)速裝置。本裝置采用晶閘管主橋電路，可以驅(qū)動較大功率電機。電網(wǎng)同步檢測電路未采用變壓器方式隔離與同步，進一步減小了裝置的體積和成本。采用數(shù)字觸發(fā)方式相對于模擬觸發(fā)，不僅使使裝置上的電子元器件數(shù)量減少，而且觸發(fā)精度和裝置可靠性均因此大幅提高[2]。

1裝置工作原理與硬件組成

系統(tǒng)框圖如圖1所示，虛線框起來的內(nèi)容由數(shù)字微處理器實現(xiàn)，控制器及檢測電路放在一塊PCB上，晶閘管整流裝置放在一塊PCB上，這樣設(shè)計的目的是為讓使用者在主橋電路選擇上有更多的自由，可以根據(jù)自身需要選擇單相或三相，半橋或全橋。

1.1 電網(wǎng)過零檢測

一般而言，常見的過零檢測電路有三種類型：（1）用變壓器隔離降壓，成本較高，體積、重量較大[3]；（2）使用非線性光耦隔離檢測，一般精度較低；（3）直接采用運放方式檢測，需要獨立供電。圖2為直接采用運放方式的電網(wǎng)過零檢測電路。

電路在工作過程，運放供電電壓為單電源5V供電，電網(wǎng)電壓大于0.7V時，運放兩輸入端電壓被反向并聯(lián)的二極管鉗制在+0.7V左右，此時運放輸出高電平（如果不是軌到軌運放，輸出電壓要低于電源電壓）；當電網(wǎng)電壓小于-0.7V時，運放兩輸入端電壓被鉗制在-0.7V左右，此時運放輸出低電平；當電網(wǎng)電壓在之間，此時二極管不起作用。簡言之，運放工作在開環(huán)放大狀態(tài)，輸入電壓大于0V（同向端電壓大于反向端），運放輸出為高電平；輸入電壓小于0V，運放輸出為低電平。檢測的精度取決于運放的輸入失調(diào)電壓（VOS）參數(shù)，一般運放的VOS均較小，采用常用的LM358即可完成高精度的過零檢測。

此電路最大的優(yōu)勢是未使用同步變壓器，不僅節(jié)約了成本，而且提高了相位檢測精度（使用變壓器不僅損失精度而且還產(chǎn)生相位偏移）。缺點是此電路的地有110V電壓，因此需要單獨的電源供電，并且輸出需加光耦隔離（低速光耦LTP281即可）。調(diào)試出的同步信號波形，如圖3所示。

1.2 晶閘管觸發(fā)電路

采用橋式可控整流電路將交流轉(zhuǎn)換為直流，控制晶閘管觸發(fā)信號的延遲角，即可調(diào)節(jié)直流電機電樞電壓。通過MCU軟件編程直接輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖經(jīng)ULN2003驅(qū)動輸出到脈沖變壓器，脈沖變壓器接晶閘管的門極。產(chǎn)生的數(shù)字觸發(fā)脈沖如圖4所示。為了保護MCU，觸發(fā)脈沖與功率放大電路之間加入光耦隔離。

1.3 轉(zhuǎn)速與電流的檢測

實驗室直流電機額定參數(shù)：直流電動機：2.2KW 220V 12.5A1500RPM。考慮到電機的過載能力，選擇ACS系列的ACS712-30作為電流檢測芯片，該芯片基于霍爾感應(yīng)的原理設(shè)計，由一個精確的低偏移線性霍爾傳感器電路與位于接近IC表面的銅箔組成，電流流過銅箔時，產(chǎn)生一個磁場，霍爾元件根據(jù)磁場感應(yīng)出一個線性的電壓信號，經(jīng)過內(nèi)部的放大、濾波、斬波與修正電路，輸出一個電壓信號，使用STM32F407的ADC進行測量，經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算可得電流大小。

速度檢測采用光電增量式編碼器測速，編碼器輸出為A、B、Z三組方波脈沖，其中A、B兩脈沖相位差相差90度以判斷電動機的旋轉(zhuǎn)方向，Z脈沖為每轉(zhuǎn)一個脈沖以便于基準點的定位。編碼器輸出經(jīng)高速光耦6N315隔離輸入到MCU的I/O口。在實際調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)編碼器輸入信號有一些尖峰的脈沖干擾信號，因此在光耦的輸出級使用施密特反相器74LS14進行整形。

2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制器設(shè)計

數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實現(xiàn)。運行在數(shù)字控制器中的軟件有主程序、初始化子程序和中斷服務(wù)子程序等。主程序完成鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其它外圍設(shè)備通信等工作。數(shù)字觸發(fā)脈沖產(chǎn)生、故障處理等在中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)。

為了驗證裝置是否能夠可靠工作，我們編寫了傳統(tǒng)的基于PI算法的雙閉環(huán)代碼。電流檢測周期為5ms，轉(zhuǎn)速檢測周期為20ms，控制周期為5ms，轉(zhuǎn)速環(huán)輸出限幅受電流環(huán)最大值限制，電流環(huán)輸出限幅受電機最大給定電壓限制。實驗表明，裝置能夠長久穩(wěn)定運行。

3上位機配套軟件設(shè)計

為了便于觀察數(shù)據(jù)，我們使用C#高級語言編寫可視化上位機，與下位機通信底層采用UART協(xié)議，該協(xié)議在二進制數(shù)據(jù)流層面采用硬件進行奇偶校驗，上層采用項目組自定義協(xié)議進行校驗，數(shù)據(jù)格式如下：

0xAA 0x44 0xB0 0x04 0x01 0x02 0x03 0x04 0xEA

含義：

幀頭 0xAA 0x44

數(shù)據(jù)類型 0xB0 （停車啟動）

0xB1 （傳感 器數(shù)據(jù)）

0xB2 （算法參數(shù)）

數(shù)據(jù)長度 0x04

校驗和（checksum） 0xEA

上位機采集到的數(shù)據(jù)如圖5所示。

從轉(zhuǎn)速波形看，系統(tǒng)以最大加速度啟動，轉(zhuǎn)速很快穩(wěn)定到設(shè)定值附近。

從電流波形看，穩(wěn)態(tài)時電流有脈動，這是因為在搭接主橋時，為了接線簡單，使用了4個晶閘管的單相全橋整流電路。如果采用三相全橋電流的脈沖應(yīng)該會減小很多。

4結(jié)語

本文設(shè)計的以數(shù)字微處理器為控制核心的雙閉環(huán)直流調(diào)速裝置有著許多優(yōu)點，由于速度給定和測速采用了數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測速，所以擴大了調(diào)速的范圍，提高了測速控制系統(tǒng)的精度；硬件的高度集成化，使得零部件數(shù)量大大減少；由于很多功能都是由軟件實現(xiàn)的，使硬件得以簡化，因此故障率小，成本和體積也隨之下降。

參考文獻

[1]陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]潘庭龍，紀志成，沈?qū)W芹.三相全控橋CPLD數(shù)字觸發(fā)器設(shè)計[J].控制工程，2006，（04）：394-396.

[3]姚正武. 晶閘管變流設(shè)備電源精確過零檢測技術(shù)[J]. 電子器件，2014，37（06）：1256-1260.

[4]張新榮，徐保國. 單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電氣應(yīng)用，2010，（16）：66-69.