基于單片機(jī)系統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

1、變流技術(shù)ConverterTechniques《電氣自動(dòng)化)2016年第38卷第l期基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐黃桂梅，劉永立，邵聯(lián)合(保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北保定071051)摘要：直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，用于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反轉(zhuǎn)的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，從控制的角度來(lái)看，直流電機(jī)的調(diào)速是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。針對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量與自動(dòng)控制，嘗試采用AVR單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速

2、系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)硬軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)踐，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，可以降低投資成本，減少功耗，提高控制的靈活性?！P(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速檢測(cè)；光電耦合；PI調(diào)節(jié)；偏差限幅；積分分離；保護(hù)措施DOI：103969／jissn1000—3886201601001[中圖分類(lèi)號(hào)]TP273[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A[文章編號(hào)]1000—3886(2016)01—0001—02DesignandPracticeOfaDCMOtSpeedControISystemB

3、asedOntheSingle—chipMicrocomputerHUANGGui—meiLIUYong—liSHA0Lian—he(BaodingElectricPowerVocationalandTechnicalCollege，BaodingHebei071051，China)Abstract：Withitsexcellentstart—upandbrakeperformance，theDCmotorcanrealizesmoot

4、hspeedcontroloverawiderangethusfindinganextensiveapplicationintheelectricdrivefieldwherespeedcontrolandrapidinversionisrequiredIntermsofcontrol，theDCmotorspeedcontrolisthebaseoftheACdrivesystemWithrespecttothespeedmeasur

5、ementandautomaticcontroloftheDCmotor，thepapertriestouseanAVRsingle—chipmicrocomputertealizeDCmotorspeedregulationThroughdesignandactualuseofthesoftwareandhardware，theDCmotorspeedcontrolsystemisprovedtoachievetheexpectede

6、ffectsItcanreducethecostofinvestment，cutdownpowerconsumptionandimprovecontrolflexibilityKeywords：speeddetection；photo—coupling；PIadjustment；deviationlimit；integralseparation；protectionmeasureO引言目前電力拖動(dòng)在_T礦企業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其

7、中直流電機(jī)具有較好的啟動(dòng)性和可控性，但是其調(diào)速則是一個(gè)重要應(yīng)用課題。一般電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)多采用DCS、PLC等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也有采用通用或智能式PID調(diào)節(jié)器儀表以及變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。上述方式盡管技術(shù)成熟，運(yùn)行可靠，但成本高、硬件部分非常復(fù)雜、功能單一、系統(tǒng)不靈活、調(diào)試?yán)щy、功耗大，阻礙了直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。為此提出了采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，更加智能化，提高可靠性和靈活性。1直流電機(jī)調(diào)速系

8、統(tǒng)硬件組成如圖1所示，為轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖，圖中采用了AVR單片機(jī)中的megal6芯片作為中央控制單元，本系統(tǒng)除了設(shè)有必要的按鍵輸枷G^16PB1PD(ruP^囂孫圖1轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖入和數(shù)碼顯示電路外，其轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與控制主要有輸入和輸出兩個(gè)通道組成。輸入通道：由圖中右上鋇lj的轉(zhuǎn)速傳感器、光電隔離定稿日期：2015—05—09電路組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，并把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)通過(guò)光電隔離電路送到單片機(jī)的P

9、B1口(計(jì)數(shù)器T1口)。輸出通道：主要由光電隔離電路、調(diào)壓模塊、直流電機(jī)組成；單片機(jī)將處理好的信號(hào)，通過(guò)PB3(ORC0)口以脈寬調(diào)制方式通過(guò)光電隔離電路送到調(diào)壓模塊的輸入端，再由調(diào)壓模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。其中輸出通道和輸入通道采用光電隔離的目的是切斷控制器與被控設(shè)備直接的電氣聯(lián)系，增加控制系統(tǒng)的抗干擾能力。11輸入通道輸入通道主要作用是進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。目前測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法分?jǐn)?shù)字式和模擬式兩類(lèi)。數(shù)字式通常采用光電感應(yīng)元件或磁電感應(yīng)(磁阻式或

10、霍爾式)元件等為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是脈沖信號(hào)。數(shù)字式中的光電傳感器其主要類(lèi)型有漫反射方式和對(duì)射方式兩種，其中漫反射方式安裝更方便。圖2為采用的漫反射方式的轉(zhuǎn)換電路及對(duì)應(yīng)的波形。在電機(jī)轉(zhuǎn)輪上涂有黑白相間的條格。如果顯示周期為1秒時(shí)，涂有l(wèi)2條格的顯示分辨率為60／12=5，即是在該分辨率下只能顯示間隔為5的轉(zhuǎn)速如5r／min、10r／min15r／min、20r／min一2990r／min、2995r／min3000r／rain涂有6O

11、條格的分辨率為60／60=1，則能顯示間隔為1的轉(zhuǎn)速如1r／min2r／min3r／rain4r／min～2998r／min2999r／rain3000r／min，可見(jiàn)條格多分辨率高，但對(duì)光電探頭的頻率響應(yīng)要求也高。例當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3oo／min時(shí)，60個(gè)條格的頻率為ElectricaJAutomation1變流技術(shù)ConverterTechniques226電制動(dòng)運(yùn)行抽水蓄能電站是用來(lái)削峰填谷，快速效應(yīng)電網(wǎng)負(fù)載的波動(dòng)，因此要求機(jī)組能夠

12、快速的啟動(dòng)和停止，在實(shí)際運(yùn)行中一天內(nèi)啟停多達(dá)十?dāng)?shù)次。直流勵(lì)磁機(jī)組之前多用機(jī)械制動(dòng)，現(xiàn)在多使用先電制動(dòng)后機(jī)械制動(dòng)的混合制動(dòng)方式?；驹硎嵌探佣ㄗ娱_(kāi)關(guān)，電樞反應(yīng)交軸分量體現(xiàn)為制動(dòng)力矩，以耗能形式阻礙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在同步電機(jī)制動(dòng)中熱耗和機(jī)械磨損是制約停機(jī)速度的關(guān)鍵因素。交流勵(lì)磁機(jī)組由于轉(zhuǎn)子側(cè)是交流勵(lì)磁，可以通過(guò)交流勵(lì)磁裝置實(shí)現(xiàn)更高效更快速的停機(jī)。其基本方法是在系統(tǒng)解列后，關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，機(jī)組在轉(zhuǎn)輪水阻力矩、轉(zhuǎn)輪風(fēng)阻力矩及軸承摩擦力矩的共同作用下，

13、轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到一定數(shù)值時(shí)(主要取決于該轉(zhuǎn)速下短路時(shí)的定子電流不超過(guò)定子允許值)，合上發(fā)電機(jī)定子繞組出線(xiàn)端的制動(dòng)短路開(kāi)關(guān)，然后控制交流勵(lì)磁系統(tǒng)的電流方向?yàn)橛砂l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)，將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)換為電能回饋到電網(wǎng)中。與同步機(jī)組制動(dòng)方式不同，交流勵(lì)磁機(jī)組制動(dòng)時(shí)機(jī)側(cè)變流器工作在整流裝置，網(wǎng)側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài)，通過(guò)吸收轉(zhuǎn)予能量的方式一方面加快了機(jī)組的停機(jī)過(guò)程，一方面實(shí)現(xiàn)了能量回饋，提高了效率。并且與耗能制動(dòng)的方式相比，回饋制動(dòng)的

14、方式停機(jī)速度更快。3結(jié)束語(yǔ)由于無(wú)級(jí)調(diào)速機(jī)組的種種優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外已經(jīng)在抽水蓄能電站中大力推廣，其主要形式是交流勵(lì)磁機(jī)組。文章根據(jù)交流勵(lì)磁機(jī)組和抽水蓄能電站的特點(diǎn)并根據(jù)國(guó)外應(yīng)用中的情況提出了在抽水蓄能電站中交流勵(lì)磁機(jī)組應(yīng)用具備的各種功能及其實(shí)現(xiàn)原理，為國(guó)內(nèi)抽水蓄能機(jī)組交流勵(lì)磁機(jī)組的推廣應(yīng)用提供參考。(上接第2頁(yè))4自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件保護(hù)措施除了硬件要加過(guò)流過(guò)壓保護(hù)措施外，軟件設(shè)計(jì)上也要考慮保護(hù)措施，軟件先于硬件。硬件應(yīng)作為軟件后備保護(hù)。在軟件設(shè)

15、計(jì)中可以考慮如下幾種保護(hù)：(1)檢測(cè)回路斷線(xiàn)保護(hù)：如果投入自動(dòng)時(shí)，控制器已給出控制信號(hào)，但轉(zhuǎn)速總為零，偏差總是很大，輸出信號(hào)會(huì)迅速增長(zhǎng)，這樣造成電機(jī)嚴(yán)重過(guò)載。因此當(dāng)“自動(dòng)”與“轉(zhuǎn)速零”與“輸出4o％”條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，編制保護(hù)程序：①使系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)②將輸出至零③程序鎖死只能斷電重啟。(2)檢測(cè)回路異常保護(hù)：在實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測(cè)速探頭沒(méi)有固定好產(chǎn)生震動(dòng)錯(cuò)位時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制器輸出值的不正?，F(xiàn)象，為此當(dāng)轉(zhuǎn)速值小于3000r／min

16、x30％=900r／min而輸出控制值已大于60％時(shí)，編制程序讓上述保護(hù)程序動(dòng)作。(3)超速保護(hù)：超速值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，即當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3000r／minx95％=2850r／min時(shí)使上述保護(hù)程序動(dòng)作。(4)過(guò)流截止型保護(hù)：將調(diào)壓模塊的輸出經(jīng)分流器檢出電流信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換比較電路變換后送到單片機(jī)的一個(gè)I／O口中進(jìn)行程序判斷；即當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定值后該口電平被拉低使保護(hù)程序動(dòng)作。5結(jié)束語(yǔ)通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)證明，上述采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)調(diào)速系《

17、電氣自動(dòng)化)2016年第38卷第1期參考文獻(xiàn)：[1]郭春平，余振關(guān)于中國(guó)抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一些思考[J]水電自動(dòng)化與大壩檢測(cè)，2011，35(3)：1—3[2]EKITA，ABANDO，TKUWABARA400MWAdjustablespeedpumpedstoragehydraulicpowerplant[J]HitachiEview，1995，158(44)：55—62[3]陳天城日本抽水蓄能電站建設(shè)中的新技術(shù)應(yīng)用[J]安徽電力

18、，2012，15(5)：33—34[4]KAGURO日本可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和新技術(shù)[J]，國(guó)外大電機(jī)，2009，12(2)：1—5[5]郭海峰交流勵(lì)磁可變速蓄能機(jī)組技術(shù)及應(yīng)用[J]南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5(4)：97—100[6]程光華抽水蓄能電站采用可變速機(jī)組的優(yōu)越性[J]安徽電力，2012，12(2)：33—34[7]倪安華交流勵(lì)磁電機(jī)的應(yīng)用和展望[J]上海大中型電機(jī)，2012，23(3)：2—8[8]林瑞光，趙榮祥

19、水輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁變速運(yùn)行的控制策略[J]電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1995，16(8)：1—5[9]郎永強(qiáng)，徐殿國(guó)，HADIANMERISR，等交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)分段并網(wǎng)控制策略[J1中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，12(10)：133—138[10]李基成現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]2版北京：中國(guó)電力出版社，2011[11]周新有電氣制動(dòng)在烏溪江電廠水輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用實(shí)踐[J]浙江電力，2007，15(2)：70—76【作者簡(jiǎn)介】周敏(19

20、74一)，男，江蘇人，工程師，碩士，主要從事電力電子、電力系統(tǒng)方面的技術(shù)研發(fā)管理工作。閆春樂(lè)(1987一)，女，甘肅人，助理工程師，主要從事電氣自動(dòng)化方面的研究工作。簡(jiǎn)優(yōu)宗(1986一)，男，河南人，工程師，碩士，主要從事抽水蓄能方面的技術(shù)研發(fā)工作。統(tǒng)完全能夠達(dá)到預(yù)期的效果，具有調(diào)節(jié)效果好，成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單，功耗低、靈活性強(qiáng)、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。適合于轉(zhuǎn)速負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)合，如院校實(shí)訓(xùn)室及一般生產(chǎn)單位的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)企事業(yè)的小型生產(chǎn)過(guò)

21、程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的單片機(jī)智能設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。對(duì)于轉(zhuǎn)速負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，可引入與轉(zhuǎn)速負(fù)荷有關(guān)聯(lián)的電流信號(hào)作為輔助反饋信號(hào)參與偏差計(jì)算，或構(gòu)建一個(gè)具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)的串級(jí)雙閉環(huán)回路來(lái)進(jìn)一步穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：[1]史國(guó)生交直流調(diào)速系統(tǒng)[M]北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006[2]呂強(qiáng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)[J]科技信息，2007，24(1)：68—69[3]楊靖用單片機(jī)控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J]機(jī)床電器，2008，35(1)：