直流電機雙閉環數字調速系統設計與實現

莫慧芳

MO Hui-fang

（廣州科技貿易職業學院 機電工程學院，廣州 511442）

0 引言

長期以來，直流電動機具有良好的起動、制動性能，在對電動機的起動和調速性能要求較高的生產機械或位置伺服控制系統中得到了廣泛的應用。早期直流電動機的控制均為模擬電路實現，控制系統調試困難，觸發脈沖不對稱，運放及一些非線性集成電路因網壓和溫度變化會產生運算誤差[1]。隨著高速處理器和電力電子開關器件的發展，數字控制直流電機調速系統得以實現，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并提高其速度控制的精確性[2]。現有大多數文獻只是對直流電機轉速做檢測及開環控制，本文實現的數字直流電機調速系統，是在比較了直流電機調速方法的基礎上，分析優化了PI調節器的控制原理，并用軟件編程實現改進的數字PI雙閉環調速；并基于工程實踐的應用成果，給出了系統的硬件電路實現。

1 系統方案選擇

直流電機調速方法主要有三種，調壓調速、調阻調速和弱磁調速，改變電阻調速缺點很多，電阻網絡只能實現有級調速，而數字電阻的元器件價格比較昂貴，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統中采用[3]；弱磁調速不僅調速范圍不大，低速時受到磁極飽和的限制，高速時還會受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大，動態響應較差[4]。因此選擇改變電樞電壓進行調速。隨著電力電子技術的進步，可由PWM斬波器進行斬波調壓。調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻，定頻調寬法（即周期不變寬度改變）采用單片機產生PWM脈沖的軟件實現上比較方便，電動機在運轉時也比較穩定，因此我們采用了定頻調寬方式。在工程應用中，我們采用由IGBT管組成的H型PWM電路，用單片機I/O口控制IGBT管飽和截止狀態，調節PWM脈沖寬度即占空比，從而調整電機轉速。

2 系統方案設計

該直流電機調速系統將AT89S52單片機作為主控部件，由鍵盤、顯示器、電機驅動模塊、光耦隔離模塊等構成系統外圍硬件電路。利用單片機的定時器資源產生PWM信號，該信號通過光耦隔離，驅動放大控制電機電壓的占空比，調節電機轉速；利用光電編碼器檢測電機速度，反饋給速度閉環，對偏差信號進行PI調節，得到電流閉環的輸入信號，再與反饋的電流值比較得到控制電流，電流環的PI運算結果改變PWM信號占空比D的大小，調節電機轉速直至和給定相同；另外，系統的鍵盤控制模塊可以控制電機啟動、停止、高速、中速、低速、定時、轉向等動作，通過LCD顯示模塊可以顯示電機當前轉速。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 數字雙閉環直流調速系統框圖

2.1 電機功率驅動電路

單片機輸出的PWM信號的電壓值很小，因此需要利用驅動芯片將信號進行放大，采用的功率放大模塊由芯片L298以及一些邏輯器件構成。L298是雙H橋直流電機驅動芯片，內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，可利用單片機的I/O口作為控制信號進行電機轉速和轉向的調節，硬件電路簡單。L298芯片邏輯功能如表1所示。

表1 L298邏輯功能

可見，當L298的使能端為高電平時，可驅動電機調速運行。系統利用光電耦合器TLP620隔離單片機系統電源與電機系統的電源，利用芯片L298控制雙H橋中IGBT的通斷，L298的OUT1和OUT2分別接直流電機的兩個接頭，為直流電機提供驅動電壓。直流電機的功率驅動電路如圖2所示。

圖2 電機功率驅動電路圖

當ENA輸入端為高電平時，將單片機引腳P2.6經過光耦與IN1相連，引腳P2.7與IN2相連，為防止開關管誤導通，必須設置“死區”時間（本設計“死區”時間為15us）。當輸入端IN2為低電平，IN1為延時產生的PWM信號，電機正轉，改變占空比可調速；輸入端IN1為低電平信號，IN2為延時產生的PWM信號時，電機反轉改變占空比可調速；IN1與IN2相同時，電機快速停止。

2.2 PWM信號發生電路

在實際生產中，控制設備都采用閉環控制，本系統采用電壓環（ASR）和電流環（ACR）雙閉環控制，保證電機的精確控制。轉速、電流雙閉環控制原理如圖3所示。

圖3中，U*n是給定轉速，Un為轉速反饋值，經過比較得到誤差信號△u送入轉速環（ASR），轉速環輸出作為電流環（ACR）的給定信號，與反饋電流值Ui的差值送入電流環，輸出生成PWM波，經功率放大后控制電機轉速。

轉速檢測信號采用型號為DG338H-1000BZ-5-24C光電編碼器測速得到，該光電編碼器為增量式編碼器，碼盤提供相位相差90°的兩路A、B脈沖信號以及用于復位計數的z相脈沖，輸出轉速n=N/mT，其中N為在給定時間T中采樣的脈沖數，m為每轉輸出脈沖數（本文m=1000p/r），編碼器得到的脈沖序列送入計數器計數，再送入單片機T1進行信號采集。電流采樣選用霍爾電流傳感器，通過A/D芯片轉換后送入單片機P0口進行信號采集。

圖3 雙閉環調速系統控制原理圖

按照工程設計方法設計轉速環時，要求轉速環具有較好的抗擾性，電流環具有較好的跟隨性，因此先按照典型Ⅰ系統設計電流環，再將電流環作為內環，按照典型Ⅱ型系統設計外環轉速環，均采用PI調節器進行設計[5]。我們采用增量式控制算法實現數字PI控制，離散增量式PI算法公式為：

u(k)為PI調節器的第k次輸出值，u(k-1)為PI調節器的第k-1次輸出值，為給定量和反饋量之間的第k次采樣偏差值；為第k-1次采樣偏差值，KP為比例系數，TI為積分時間常數，則偏差信號，聯立式（1）可得：

可見只需要知道當前和前一次的偏差值，就可以算出當前的控制增量[6]。

先對PWM脈沖設定一個固定的周期值（在本設計中為50us）對電流進行一次采樣和PI調節，每100個PWM周期（5ms）對轉速進行一次反饋采樣和PI調節，假設電機最高轉速為100r/m即1.67r/s，光電編碼器是1000線，則每轉發出1.67×1000=1670個脈沖，在5ms內發生的最大脈沖數為1670×5/103=8.35，該值倒數即為編碼器速度轉換系數，脈沖累計值除以編碼器速度轉換系數即為PWM信號占空比D，轉速值為Vmax×D/216。

PWM軟件實現流程如圖4所示。

2.3 鍵盤及顯示模塊電路

系統的鍵盤控制模塊可以控制電機啟動、停止、高速、中速、低速等動作，按鍵分別連接到單片機的P3.0～P3.4引腳上，通過鍵盤掃描模式來判斷按鍵是否被按下，按鍵被按下，進入處理程序。LCD顯示選用LM016L液晶模塊，單片機的P1.0～P1.7引腳作為數據輸出端，P2.2～P2.4引腳作為控制端，單片機控制顯示轉速及定時時間。

圖4 PWM生成實現流程圖

3 系統仿真

我們選用的直流電機額定電壓110V，額定電流6A，額定轉速1000r/min，電樞內阻2Ω，過載倍數λ=2，功率驅動電路放大倍數為11。按照雙閉環設計原則，先按照典型Ⅰ系統設計電流環，得到電流環比例放大系數Kpi為0.76，積分時間常數TIi為0.007s；再按照典型Ⅱ型系統設計轉速環，得到速度環比例放大系數Kpn為35.92，積分時間常數TIn為0.0009s。我們用Proteus軟件搭建直流電機速度控制系統仿真電路，如圖5所示。模擬頻率為20KHz的PWM發生信號送入T1口，電機可以通過高速、中速、低速按鍵進行速度設定，不同速度對應PWM占空比發生變化。以低速運轉為例，系統設定低速速度為21r/min，仿真結果如圖5所示；當中速速度為95r/min，高速速度為130r/min時，三種設定PWM占空比變化如圖6所示。

圖6 不同速度PWM占空比

4 結束語

本文所述的直流電機調速系統是以成本較低的AT89S52單片機做為主控器件實現數字式的PWM直流電機調速系統，通過軟件編程實現雙閉環PI控制，相對于硬件實現的系統，所需外圍器件少，調試方便，控制精度高，可靠性和穩定性加強。通過調試結果表明，該系統能精確控制電機在高速、中速和低速時的運轉，系統實現方案對工程應用設計有一定的參考價值。

圖5 低速系統仿真電路

[1] 宋鳳娟,廉文利,付云強.單片機89C51在直流調速控制系統中的應用[J].微計算機信息,2006(32)：113-114.

[2] 于貴,蔣輝熊.直流電機數字調速軟件的實現[J].電測與儀表,2012,Vol.49(557)：93-96.

[3] 孟海鋼.基于8051單片機控制的直流電機PWM調速系統設計[J].伺服控制,2013(2)：41-45.

[4] 庹朝永.基于單片機的直流電機PWM調速系統設計與開發[J].煤炭技術,2011,30(6)：62-63.

[5] 劉松.電力拖動自動控制系統[M].北京：清華大學出版社,2006.

[6] 朱玉璽,崔如春,鄺小磊,等.計算機控制技術[M].北京：電子工業出版社,2005.