基于STC12C5AxxS2單片機的起重機調壓調速控制系統設計

（青島市黃島區膠南大學一路青島港灣職業技術學院，山東 青 島 2 66404）

隨著電力電子技術及交流變頻調速技術發展與成熟，起重機領域高性能的變頻調速和定子調壓調速正逐漸取代傳統調速的直流調速及交流串電阻調速等。變頻調速具有調速范圍大、平滑性高、回饋電能等優點，但變頻調速的電磁干擾會降低起重機整機的可靠性，變頻調速系統電子元器件多，控制信號是弱電信號，容易受到外界干擾，引起變頻器及控制系統誤動作，危及設備和人身安全，必須配有專用的變頻電源，使得設備價格貴，在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載位數大為降低，甚至不能帶動負載。而定子調壓調速系統的機械特性很硬，調速范圍大，速度的穩定性和調速精度很高，定位方便，采用閉環控制時，既能提高低速時的機械特性硬度，又能保證一定的過載能力。相比變頻調速，定子調壓調速成本低、維護簡單。因此，本文針對起重機定子調壓調速特點及優勢，采用STC單片機設計出適用性強、低成本，高穩定性的起重機定子調壓調速控制系統。

1 系統方案總體設計

根據起重機的繞線電機采用星形聯結，起重電機主電路以晶閘管作為開關器件組成三相交流調壓調速主電路如圖1所示。該電路工作時，任一相導通須和另一相構成回路，電流流通兩個晶閘管，所以觸發信號可以采用雙脈沖或寬脈沖，相位相差120°，兩相間導通是靠線電壓導通的，而線電壓超前相電壓30°，因此觸發角α移相范圍為0~150°。同一相反并聯晶閘管觸發脈沖相位相差180°，且觸發順序為VT1~VT6，相位依次相差60°。

圖1 三相交流星形聯結調壓調速主電路圖

起重機調壓調速系統的控制部分由主控制模塊、轉速檢測模塊和晶閘管觸發模塊三個模塊組成，模塊的主控制芯片都采用STC單片機，系統的控制方案框圖如圖2所示。主控制模塊主要負責電動機的運行控制；轉速檢測模塊主要負責計算出當前電機的轉速并將計算結果提供給主控制模塊；晶閘管觸發模塊則主要負責將主控制模塊發送過來的控制信號轉換為觸發信號。因此，各模塊之間建立通信鏈路以便模塊相互協調工作，從而保證整個起重機調壓調速系統的正常運行。

圖2 系統的控制方案框圖

2 系統模塊電路設計

2.1 轉速檢測模塊設計

當電機運行不同速度時，其轉子回路會產生不同頻率的感應電動勢，本文通過檢測此感應電動勢的頻率間接得出電機的實際轉速。但由于諧波的影響，轉子中的感應頻率相當復雜，因此必須通過濾波電路將諧波去除，電機轉速檢測電路如圖3所示。

圖3 電機轉速檢測電路圖

轉速檢測模塊主要集成了轉子頻率檢測電路，將采集的轉子頻率信號經過限幅、隔離、濾波、放大后送入轉速檢測模塊，此模塊采用STC125C5A60S2單片機，單片機將此信號經過處理后變換為當前電動機的轉速值，然后將該數值提供給主控制模塊。

2.2 晶閘管觸發模塊設計

晶閘管觸發模塊控制芯片采用STC125C5A602S單片機，包括晶閘管驅動電路、電壓檢測電路、過零檢測電路和晶閘管檢測電路，晶閘管驅動電路主要用來使晶閘管的門極產生一定的電壓信號，從而使晶閘管導通，電壓檢測電路則用來采集系統的電壓信號，將其經過整流、濾波后送入單片機的A/D單元處理，用來監視系統是否出現欠壓、過壓的情況，過零檢測電路則用來檢測電壓的過零點，為晶閘管的正確觸發提供保障，晶閘管檢測電路則用來檢測晶閘管的好壞與否。同時，晶閘管模塊也負責一些其他系統保護量的檢測，如過熱保護、快熔斷路保護等。

（1）電壓檢測電路

電壓檢測電路如圖4所示，采用的是霍爾電壓傳感器將電機的大電壓信號轉換為小電壓信號，然后通過全橋整流，將小電壓交流信號變換為直流信號供給單片機的A/D模塊檢測。

圖4 電壓檢測電路圖

（2）晶閘管檢測電路

晶閘管檢測電路如圖5所示，采用6N137高速光耦芯片進行隔離。

圖5 晶閘管檢測電路圖

晶閘管兩端的電壓信號接入檢測電路，當晶閘管被觸發導通時，晶閘管兩端的電壓為晶閘管導通壓降，該電壓太小，不足以使光耦中的發光二級管導通，所以光耦輸出為高；當晶閘管沒有觸發信號還沒有被導通時，晶閘管兩端電壓為電源電壓，這樣光耦中的兩個二極管分別在正負半周期內導通，從而使得光耦輸出為低。從而可以判斷出，當晶閘管沒有觸發信號而輸出為低時，則說明晶閘管短路；當晶閘管有觸發信號而電路輸出為低時，說明晶閘管斷路。

（3）過零檢測電路

對調壓調速系統來說，要提高晶閘管觸發的可靠性，必須要有一個觸發的參考點，在此之上通過延時時間觸發導通晶閘管，根據延時的時間不同，施加到電機的電壓也就不同，這樣就實現了調壓的目的。這個延時對應的觸發角就是調壓調速系統的觸發角度，一般設為0°。電壓過零檢測電路如圖6所示，采用高速光耦6N137進行隔離和電壓比較器LM393產生方波信號。

圖6 電壓過零檢測電路圖

（4）晶閘管驅動電路

為了使系統更可靠的工作，晶閘管觸發信號必須要有足夠的功率，觸發脈沖必須與主電路電源保持同步且要有一定的寬度，前沿要陡，觸發脈沖的移相范圍應能滿足主電路的要求。晶閘管驅動電路如圖7所示，該電路的主要功能就是給晶閘管的門極和陰極提供一個觸發脈沖。當IN端輸入為低電平時，三極管Q401和光耦O401導通，從而使三極管Q402的發射結正偏、集電結反偏，三極管Q402也導通，從而在驅動電路的輸出端輸出驅動信號。采用6個此驅動電路就可以分別控制晶閘管的導通角，實現電機的調壓調速。

圖7 晶閘管驅動電路圖

2.3 主控制模塊設計

主控制模塊主要集成了指令給定電路和電流檢測電路，其主要負責以下工作：

（1）負責系統中電流的檢測，通過主控制模塊中的A/D處理單元，將電流檢測電路送進來的信號進行計算處理，得出系統的電流值，確保系統沒有過電流，若電流超過設置警戒值，就進入保護程序；

（2）接收主令開關給定的各種控制信號，識別各檔位的所代表的速度信息并進入處理；

（3）接收轉速檢測模塊傳送過來的電動機當前的速度信息，并將其與指令給定信息進入比較，并進入相應的PI處理程序；

（4）將PI處理值處理后變換為0~10 V的電壓信號，將此電壓信號通過數模轉換模塊送給晶閘管觸發模塊；

（5）綜合系統的各種控制量，負責協調整個系統的正常工作。主控模塊的電路圖如圖8所示。

圖8 主控模塊電路圖

起重機工作時的電流是較大的交變電流，而單片機的A/D模塊只能檢測較小的直流信號，因此，必須用電流互感器將大的交流信號變換為較小的交流信號，為了便于檢測，本系統采用的是均值檢波電路。圖9為電流檢測電路，交流電流經過橋式整流、變換、濾波、放大，將較小的交流信號變換為A/D模塊能夠檢測的信號。

圖9 電流檢測電路圖

另外，主控模塊指令給定由主令開關控制，包括上升/下降速度1（額定轉速的25%）、上升/下降速度2（額定轉速的50%）、上升/下降速度3（額定轉速的75%）、上升/下降速度4（額定轉速）和停止。單片機的I/O口的數量過少，因此硬件設計上采用兩片八位并行輸入/串行輸出移位寄存器74LS165進行擴展。為了保存系統的重要參數，在硬件設計上增加了電可擦除芯片AT24C02，以便系統能在突然掉電的情況下保存重要的數據。

3 通信系統設計

在通信系統的設計中，主控制模塊與轉速檢測模塊間的通信是通過兩個單片機的串行通信口進行的。主控制模塊與晶閘管觸發模塊間的通信是通過串行數模轉換器MAX539來實現的。MAX539是一種采用5V單電源供電的低功耗電壓輸出型12位串行數模轉換器，它具有接口簡單、轉換時間短、功耗低、體積小等優點，MAX539采用自校正結構，其偏置電壓、增益和線性度等參數在出廠前均已微調，因此，無需其它外接元件與外部調整。如圖10所示為主控制模塊與晶閘管觸發模塊通信電路。

圖10 主控制模塊與觸發模塊通信電路圖

4 系統軟件設計

調壓調速系統的運行控制主程序由主控制模塊中的單片機負責，當單片機通過I/O口識別到由主令開關給定的具體檔位時，主控制模塊將速度給定與轉速反饋值進行比較，經過PI調節，將調節后的結果（0~10V）通過數模轉換芯片MAX539傳送給晶閘管觸發模塊，晶閘管觸發模塊通過該數值計算晶閘管的導通角，并在正確的時刻觸發，從而使電動機得到0~380V的電壓。起重機運行控制程序的流程圖如圖11所示。

圖11 起重機運行控制程序流程圖

另外，在運行控制程序中還必須考慮以下問題：

（1）在給定檔位是上升檔時，如果負載比較重，則當起重機剛啟動時，有可能出現溜勾的情況，因此，為了避免溜勾的產生，必須要在電磁包閘打開前先給電動機施加一定的電壓，使電動機形成一定的啟動力矩后再打開電磁包閘。

（2）在給定檔位是下降檔時，如果負載比較輕，則當起重機啟動后，有可能出現由于負重鋼絲繩與機械設備之間的摩擦而使得負載下降緩慢的情況，這時為了使負載下降的速度與給定速度相等，電動機會反轉幫助負載下降，在電動機和負載重力的雙重推動下，下降速度又有可能超過設定的速度，這時又需要使電動機正轉來減慢負載下降的速度，在負載臨界狀態下，電動機有可能頻繁的進行正反轉切換，這從整個調壓調速系統來說是有可能出現的正?，F象。

（3）當給定檔位是上升檔時，在起重機從較高速檔位向低速檔位調節時，如果負載比較輕，同時由于電動機的慣性的作用比較大，靠負載自身的重力減速過程太過緩慢，這時可使電機反轉，待電動機減至一定的速度時再恢復正轉并穩定在低速檔位上。

（4）當起重機在正常運行過程中時，若出現突發故障，則會根據故障的不同采用延時停車或立即停車的處理措施，在延時停車的過程中，如果故障消失，則起重機再次恢復正常運行狀態。

5 結束語

本文從起重機調壓調速系統的運行特性出發，通過硬件電路設計及軟件系統優化，實現起重機較高的調速性能。該調壓調速系統與變頻調速相比，具有結構簡單、經濟實用、操作方便等特點。通過現場實驗及調試，起重機能夠在此控制系統下穩定高效、安全可靠的運行。

[1]許大中.交流電動機調速理論[M].杭州：浙江大學出版社，1991．

[2]馬 紅.起重機用可控硅交流定子調壓調速系統[J].太重技術導報，1998（2）：17-19.

[3]宋書中.基于MCS-89單片機控制的交流調壓調速系統[J].洛陽工業高等專科學校學報，1999，9（1）：6-9.