自校正模糊控制交流电机转速调整器的研究与设计

１ 引言

在日常生产与生活中，大量电动机都以规定的速度和功率去拖动各种机械。而在军事上，很多应用往往要求旋转天线在各种条件下都要保持匀速转动,这就要求在不同的情况下，电动机能相应调整工作速度，以保持恒定的速度。要实现这一功能，最常用的方法是对电动机的转速进行调节。改变直流电动机的电枢或交流电动机的定子电压，都可以在一定的范围里改变转速；也可用双向晶闸管交流开关或直接选用模拟控制的通用电动机驱动器来取代笨重的电动机、发电机组以及饱和电抗器。本文介绍一个直接由１１０／２４０Ｖ电源供电的通用电动机驱动电路和一个ＭＣＵ以及一个双向晶闸管开关来实现控速的设计方法。其中单片机选用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１２Ｆ６７５。与用户接口的方式有三种一个是接触传感器；一个是按钮；一个是电位器。笔者在该仿真实验中采用的是电位器。辅助电源从电源电压中变压整流获得。

２．１ 电路结构

电动机的调速系统是一个闭环系统，其结构图如图１所示。使用时，可通过设置电位器的电阻大小，并经Ａ／Ｄ输入单片机来预设速度；单片机通过同步电路与２２０Ｖ交流电源同步，并通过输出脉冲控制晶闸管的通断，从而控制电动机的速度，同时将电动机的速度通过速度检测装置（霍尔开关）反馈给单片机以形成闭环。

２．２ 单片机电路的功能原理

该设计中单片机电路的功能原理图如图２所示。它由５Ｖ直流副电源和２２０Ｖ交流主电源、单片机、双向晶闸管开关和电机整流电路和霍尔开关组成。其中，单片机的脚１（Ｖｄｄ）接＋５Ｖ脚８（Ｖｓｓ）接地，其它引脚的功能与设计如下：

（１）ＧＰ３用于上电复位。在通电的瞬间，Ｃ３通过Ｒ２充电ＧＰ３以经延迟后低电平触发。延迟的大小和ＣＰＵ的频率有关，对于ＰＩＣ１２Ｆ６７５单片机，延迟只要大于７２ｍｓ就可以了。ＧＰ３外的电阻可以选１ｋΩ电容应大于０．１μＦ。二极管Ｄ２的作用是在电源快速反复通断时，保证Ｃ３电容能及时放电。


    （２）ＧＰ４主要用于速度信息的输入。该脚外的电位器Ｒ１用于为ＧＰ４输入一个电平（ＧＰ４在这里的功能是１０位Ａ／Ｄ转换器）。该输入电平通过Ａ／Ｄ转换后，用于给单片机输入一个预设速度。将该速度和实际速度进行比较，并计算出速度的偏差，然后查表或通过算法便可以得到延迟Ｔｄ。电位器Ｒ１的阻值应较大（在１００ｋΩ左右），以减少５Ｖ副电源的负载压力。    在正常工作时，霍尔开关被放置在电动机内按周期强度和方向发生变化的磁场中。其输出电压的大小随着垂直通过霍尔开关半导体薄片的磁场的强度变化，霍尔开关有电流式和开关式两种。电流式霍尔开关输出的是模拟信号，可完全包含磁通量的变化情况；而开关式霍尔开关则由于集成了比较器，因而可直接输出数字信号。本设计采用数字式无疑是最方便的。如果采用电流式，由于选用的是功能全面的自带比较器的ＰＩＣ１２Ｆ６７５单片机，它的ＧＰ１脚上输入的一个门限电平（由两个电阻分压得到）通过单片机内部的比较器和ＧＰ０脚的转速模拟信号进行比较，也可以实现信号检测。    此外，在实际应用中，双向晶闸管开关对触发电路的要求如下：

（３） 通过ＧＰ２可输入同步信号。由于２２０Ｖ的交流电源频率不是很稳，因此，为了保证延迟Ｔｄ的精确，应通过Ｒ５输入交流信号进行同步。ＧＰ２在这里的功能也是Ａ／Ｄ转换器，它可将通过Ｒ５输入的交流信号转化成数字信号。Ｒ５的阻值要大约在１ＭΩ左右。因为Ｒ５直接接在２２０Ｖ的交流电源上，而单片机的输入电流不能太大。

（４）通过ＧＰ０可输入霍尔器件产生的电动机转速信号。

霍尔开关是用于磁场检测的半导体传感器，霍尔开关的实际接线图如图３所示，ＰＩＣ１２Ｆ６７５的１脚接５Ｖ直流电源，２脚接地，３脚输出频率脉冲给单片机的ＧＰ０脚。

 

由于实际的霍尔开关要接在电动机的线圈附近，手工改造电动机相对比较困难。因此，该设计为了方便演示，可以使用一个由５５５定时器设计的多谐振荡器产生的频率脉冲信号来替代霍尔开关的输出信号。

（５）ＧＰ５脚输出的低电平脉冲用于触发双向晶闸管开关，其脚输出低电平脉冲的时间是由延迟Ｔｄ决定的，要保证和主电源同步才能使相位平稳的前后移动。ＧＰ５脚的低脉冲可以使双向晶闸管开关保持导通，直到２２０Ｖ电源反向。
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（１） 双向晶闸管开关从截止到完全导通需要一定的时间（一般在１０μｓ下），所以触发脉冲的宽度要在１０μｓ以上，最好为２０～５０μｓ。如果是感性负载，由于电流上升比较慢，实际上还需要更宽的脉冲宽度。

（２） 触发电路要有足够大的电压和电流。电压应在４～１０Ｖ，电流要大于１０ｍＡ，所以可使用５Ｖ的副电源。在双向晶闸管开关和ＧＰ５之间应接一个０．２ｋΩ的电阻。

（３） 不触发时的电压应小于０．１５～０．２Ｖ。触发脉冲的前沿要尽量陡，应在１０μｓ以下。

３ 软件的实现

图４是该设计中转速和检测信号的波形时序图，图５是本设计方案的软件程序流程图。该程序的主要步骤是复位、初始化、设置ＧＰ２上升沿中断、设置Ａ／Ｄ通道ＧＰ４、读取电位器设定的速度值ｎ（ｎ经过Ａ／Ｄ）和读取Ｔｄ预先设定值等。当交流电源变为负半周期时，设置ＧＰ２下降沿触发和延迟Ｔｄ即可输出宽度为Ｔｇ的脉冲，同时设置ＧＰ０接收中断源请求等。一般当霍尔开关输入为上升沿时中断，计数器计数，而当霍尔开关再输入一个上升沿中断时，计数器停止，并记下数值ａ，最后在通过比例积分调节算法计算出延迟Ｔｄ后清除ｎ和ａ。当交流电源变为正半周期时，在设置ＧＰ２上升沿触发、设置Ａ／Ｄ通道ＧＰ４、等待中断、补偿延迟Ｔ０、延迟Ｔｄ以及触发脉冲Ｔｇ后，便可通过ＧＰ４读取设置速度ｎ。设计时正负周期的程序循环进行。通过计数器的数值ａ计算转速ｓ的算式如下：

ｓ＝ｆ／ａ

其中，ｆ是十六位计数器１的频率，为１ＭＨｚ。

实际上，通过ｎ和ａ由单片机计算延迟ｔｄ需要一个准确的算法。数字调节算法一般选择ＰＩ算法，这是在工业过程控制中应用最广泛的一种控制形式。其作用在于能够集比例调节的快速和积分调节的清除静差作用于一体，从而使系统的静、动特性都有所改善。

４ 结论

本文设计的简单易行的电动机调速器虽然解决了电动机的运行效率问题，也比较简单实用。但也有一些需要改进的地方，尤其在软件方面，还需要加强功能，以提高算法的效率和准确性。