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【摘 要】随着徽电子技术的发展，计算机被应用于调速系统不仅使系统简化、体积减小、可靠性提高，而且可以在系统中灵活地使用各种算法来实现最优控制，这是一般模拟调速系统所不可比拟的。然而近年来出现的高集成度单片机应用于小型控制系统.更有其独到之处。本文介绍一台直流电动机与8051单片机构成的数字化直流调速系统，实现电流和转速双闭环的恒速调节。
【关键词】单片机；直流调速
一、总体控制方案
电机速度模拟控制常采用双闭环（电流环和速度环）方式，其中电流环对负载扰动和过电流的低抗能力较强，速度环对于摩擦、间隙等非线性因索的影响具有较好的抑制作用，该系统仍采用此方式。
外环为转速环，对外表现为稳态时系统无静差；内环为电流环，在突加给定的过渡过程中，表现为恒流调节系统，从而保证系统的动态稳定性。其中反馈回路包括：由电流互感器CT得到的反馈电流经A/D转换器送入MCU，由光电码盘测得的转速反馈信号送入MCU。转速给定信号经A/D转换器，送入MCU。同时通过网络和系统总线，直流调速系统能与上位机进行数据交换，实现直流调速系统的远程控制。
二、硬件组成
1. 8279接口芯片管理键盘和显示器，
以中断方式和8051联系。8279的IRQ连接8051的117I键盘采用2X8结构共16个键，其中的10个数字键0—9用来设定转速给定值D。及数字PI调节器参数，A—F 6个数字命令键设定电机的起动、停车、正转和反转等功能。LED显示器采用8位，显示电机转速设定值D。和电机实际转速D如。2764为8051扩展的一块可擦除存储芯片，74LS373作为地址锁存器使用。
2. M/T法高精度测速
M/T法测速硬件设计要求单片机扩展一片硬件定时器8253，使用其中的0#、1耕数器分别对m脉冲进行计数。D触发器F。用来使m：的计数与光电码盘输出脉冲m。同步。因8253为负沿计数，故加入了反相器G。由8051的P1.2端控制8253的两个计数器门来控制GATE0、GATEl的起动、停止和测速度。
3.三相全控桥数字触发器
三相全控桥数字触发器的硬件电路。组成原则如下：
（1）以8051为核心，扩展一片8155，由T0中断程序每隔600电角度（3.33 ms）根据LT输入Dk计算出定时角d。对应的时间初值x。原则是“第K拍计算，第K+1拍输出脉冲”，用一个T0可对正桥、反桥12个晶闸管实现准确触发，保证高分辨率的实现，适用于可逆或者不可逆系统。
（2）用8155的PA口低6位输出双窄脉冲，高2位输出数字逻辑切换单元的桥选信号到硬件开关的控制端。
（3）脉冲移相采用绝对触发方式。三相桥式电路在交流电的一个周期3600（20 ms）产生一个定相脉冲启动8051外中断INT0，再由INTO中断程序启动T。每隔60产生其余5个定相脉冲，为正、反桥12个晶闸管实现精确同步定相。
4.电流检测模块
电流检测模块主要由交流互感器、不控整流桥、阻容滤波电路和v/伊变换器AD6“组成。其工作原理为：通过交流互感器把主回路电流信号转换成比例的三相交流电压信号，再经三相不控整流桥整流成比例的0～5V的直流电压信号。再经过分压和滤波变成AD654可接受的0—1V直流电压信号。再经AD654把电压信号转换成脉冲频率成比例的脉冲信号。通过MSP430的定时器即可实现电流检测功能。
三、系统总体程序设计
1.电流环反馈系数卢的确定
对于电流环检测到的电流反馈信号需经模拟量输入通道。信号经V/F变换器送入MSP430的定时器Timer_A，定时时间为3ms，定时时间到则向CPu申请中断，中断服务程序把转换后的数字量读入计算机。可以采用多次采样取平均值，数字滤波法取得电流的平均值。采用三相全控桥式整流电路，定时器定时时间为E=3IIls，输人电压为5V时，AD654产生500kHz的脉冲串。考虑裕量，把主回路的额定电流Ie整定为AD654输出为450kHz的脉冲串，可得额定电流时所对应的计数值。根据电流环达到稳态时，电流环给定的数字量应与电流反馈的数字量相等（考虑过载倍数），从而确定电流环反馈系数。
2.系统PI调节器设计
以直流电机为控制对象的数字调速系统。严格地说是一非线性系统，所以在系统设计调节器时应充分考虑它的特点。笔者通过实验和仿真把内环电流调节器设计成不是典型I、也不是典型Ⅱ，而是改进型，即选择台适的参数来抵消电枢中的大惯性.从而加速了系统的快速性井抑制了电网电压波动对系统的影响。外环设计为转速微分环，即在转速反馈通道引入as/（1+ s）环节。s是微分反馈，1/（1+T ）是由于近似微分产生的附加小惯性环节，虽然对微分作用有所削弱，但同时也抑制了微分信号引来的高频噪声，改善了系统的动态特性，使系统对给定信号具有跟踪特性。系统设计是由内环到外环.在连续域内进行PI模拟调节器设计。设计完成后，再用双线性变换将控制器离散化。写出差分方程，用单片机编程实现其调节功能，其中数字运算均采用16位定点补码运算。
3.速度环数字Pl算法的软件实现
在速度环中，由于电机启动过程或负载的突然增加，导致速度调节器的深度饱和，产生很大的超调量。为了克服转速调节器超调量较大的弱点，采用积分分离的PI控制算法。所谓积分分离的PI算法是指，当速度环的偏差小于某一规定的阈值，就进行PI运算；当偏差大于某一阈值，为了减弱调节器的饱和程度，就不进行积分运算，从而使调节器的超凋量变小。
四、结论
本系统单片机进行转速、电流双闭环PI数字控制，具有良好的静动态特性，抗负载及电网电压扰动能力强，稳速精度高，而且整个系统结构更紧凑，安装使用更方便.同步电路采用光耦等元件取代了传统的同步变压器，避免了同步变压器绕组阻抗而造成的同步信号的偏差，同步精度得到了明显的提高，体积更小.脉冲移相电路采用了性能优良的集成电路代替了传统的分离元件，从而使整个电路得到了简化，降低了成本，也使电路的可靠性和抗干扰性得到了改善，输出波形稳定，并具有较高的集成度.本直流调速系统充分利用MSP430的强大的处理能力，根据转速电流双闭环调速系统的特点，给出了积分分离的数字PI控制算法。
利用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件进行系统实验，结果表明系统运行性能良好。本论文采用高分辨率数字触发器代替模拟“线形锯齿波” 移相触发器，由数字逻辑切换单元控制的电子开关自动选择触发正桥还是反桥的晶闸管工作桥，具有结构简单、控制精度高、成本低、易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，满足实际应用。
参考文献：
[1]王庆华.无同步变压器柏相序自适应晶闸臂触发电路[J].电力电子技术，1998，32 （4）：93-95.
[2]汪建，孙开放.章叙汉.MCS-96系列單片机原理.及应用技术CM].武汉：华中理工大学出版杜，1999.274-278.
[3]黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，1999.37-57.
[4]刘振安.Mcs一96系列单片微机原理与实践[M].舍肥：中国科学技术大学出版社，1992.
[5]康华光.电子复术基础（模拟部分）[h1].第4版.北京：高等教育出版社，200l。（10）：148-150.
[6]徐维祥·单片机原理及应用[M]·大连：大连理工大学出版.
【关键词】单片机；直流调速
一、总体控制方案
电机速度模拟控制常采用双闭环（电流环和速度环）方式，其中电流环对负载扰动和过电流的低抗能力较强，速度环对于摩擦、间隙等非线性因索的影响具有较好的抑制作用，该系统仍采用此方式。
外环为转速环，对外表现为稳态时系统无静差；内环为电流环，在突加给定的过渡过程中，表现为恒流调节系统，从而保证系统的动态稳定性。其中反馈回路包括：由电流互感器CT得到的反馈电流经A/D转换器送入MCU，由光电码盘测得的转速反馈信号送入MCU。转速给定信号经A/D转换器，送入MCU。同时通过网络和系统总线，直流调速系统能与上位机进行数据交换，实现直流调速系统的远程控制。
二、硬件组成
1. 8279接口芯片管理键盘和显示器，
以中断方式和8051联系。8279的IRQ连接8051的117I键盘采用2X8结构共16个键，其中的10个数字键0—9用来设定转速给定值D。及数字PI调节器参数，A—F 6个数字命令键设定电机的起动、停车、正转和反转等功能。LED显示器采用8位，显示电机转速设定值D。和电机实际转速D如。2764为8051扩展的一块可擦除存储芯片，74LS373作为地址锁存器使用。
2. M/T法高精度测速
M/T法测速硬件设计要求单片机扩展一片硬件定时器8253，使用其中的0#、1耕数器分别对m脉冲进行计数。D触发器F。用来使m：的计数与光电码盘输出脉冲m。同步。因8253为负沿计数，故加入了反相器G。由8051的P1.2端控制8253的两个计数器门来控制GATE0、GATEl的起动、停止和测速度。
3.三相全控桥数字触发器
三相全控桥数字触发器的硬件电路。组成原则如下：
（1）以8051为核心，扩展一片8155，由T0中断程序每隔600电角度（3.33 ms）根据LT输入Dk计算出定时角d。对应的时间初值x。原则是“第K拍计算，第K+1拍输出脉冲”，用一个T0可对正桥、反桥12个晶闸管实现准确触发，保证高分辨率的实现，适用于可逆或者不可逆系统。
（2）用8155的PA口低6位输出双窄脉冲，高2位输出数字逻辑切换单元的桥选信号到硬件开关的控制端。
（3）脉冲移相采用绝对触发方式。三相桥式电路在交流电的一个周期3600（20 ms）产生一个定相脉冲启动8051外中断INT0，再由INTO中断程序启动T。每隔60产生其余5个定相脉冲，为正、反桥12个晶闸管实现精确同步定相。
4.电流检测模块
电流检测模块主要由交流互感器、不控整流桥、阻容滤波电路和v/伊变换器AD6“组成。其工作原理为：通过交流互感器把主回路电流信号转换成比例的三相交流电压信号，再经三相不控整流桥整流成比例的0～5V的直流电压信号。再经过分压和滤波变成AD654可接受的0—1V直流电压信号。再经AD654把电压信号转换成脉冲频率成比例的脉冲信号。通过MSP430的定时器即可实现电流检测功能。
三、系统总体程序设计
1.电流环反馈系数卢的确定
对于电流环检测到的电流反馈信号需经模拟量输入通道。信号经V/F变换器送入MSP430的定时器Timer_A，定时时间为3ms，定时时间到则向CPu申请中断，中断服务程序把转换后的数字量读入计算机。可以采用多次采样取平均值，数字滤波法取得电流的平均值。采用三相全控桥式整流电路，定时器定时时间为E=3IIls，输人电压为5V时，AD654产生500kHz的脉冲串。考虑裕量，把主回路的额定电流Ie整定为AD654输出为450kHz的脉冲串，可得额定电流时所对应的计数值。根据电流环达到稳态时，电流环给定的数字量应与电流反馈的数字量相等（考虑过载倍数），从而确定电流环反馈系数。
2.系统PI调节器设计
以直流电机为控制对象的数字调速系统。严格地说是一非线性系统，所以在系统设计调节器时应充分考虑它的特点。笔者通过实验和仿真把内环电流调节器设计成不是典型I、也不是典型Ⅱ，而是改进型，即选择台适的参数来抵消电枢中的大惯性.从而加速了系统的快速性井抑制了电网电压波动对系统的影响。外环设计为转速微分环，即在转速反馈通道引入as/（1+ s）环节。s是微分反馈，1/（1+T ）是由于近似微分产生的附加小惯性环节，虽然对微分作用有所削弱，但同时也抑制了微分信号引来的高频噪声，改善了系统的动态特性，使系统对给定信号具有跟踪特性。系统设计是由内环到外环.在连续域内进行PI模拟调节器设计。设计完成后，再用双线性变换将控制器离散化。写出差分方程，用单片机编程实现其调节功能，其中数字运算均采用16位定点补码运算。
3.速度环数字Pl算法的软件实现
在速度环中，由于电机启动过程或负载的突然增加，导致速度调节器的深度饱和，产生很大的超调量。为了克服转速调节器超调量较大的弱点，采用积分分离的PI控制算法。所谓积分分离的PI算法是指，当速度环的偏差小于某一规定的阈值，就进行PI运算；当偏差大于某一阈值，为了减弱调节器的饱和程度，就不进行积分运算，从而使调节器的超凋量变小。
四、结论
本系统单片机进行转速、电流双闭环PI数字控制，具有良好的静动态特性，抗负载及电网电压扰动能力强，稳速精度高，而且整个系统结构更紧凑，安装使用更方便.同步电路采用光耦等元件取代了传统的同步变压器，避免了同步变压器绕组阻抗而造成的同步信号的偏差，同步精度得到了明显的提高，体积更小.脉冲移相电路采用了性能优良的集成电路代替了传统的分离元件，从而使整个电路得到了简化，降低了成本，也使电路的可靠性和抗干扰性得到了改善，输出波形稳定，并具有较高的集成度.本直流调速系统充分利用MSP430的强大的处理能力，根据转速电流双闭环调速系统的特点，给出了积分分离的数字PI控制算法。
利用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件进行系统实验，结果表明系统运行性能良好。本论文采用高分辨率数字触发器代替模拟“线形锯齿波” 移相触发器，由数字逻辑切换单元控制的电子开关自动选择触发正桥还是反桥的晶闸管工作桥，具有结构简单、控制精度高、成本低、易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，满足实际应用。
参考文献：
[1]王庆华.无同步变压器柏相序自适应晶闸臂触发电路[J].电力电子技术，1998，32 （4）：93-95.
[2]汪建，孙开放.章叙汉.MCS-96系列單片机原理.及应用技术CM].武汉：华中理工大学出版杜，1999.274-278.
[3]黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，1999.37-57.
[4]刘振安.Mcs一96系列单片微机原理与实践[M].舍肥：中国科学技术大学出版社，1992.
[5]康华光.电子复术基础（模拟部分）[h1].第4版.北京：高等教育出版社，200l。（10）：148-150.
[6]徐维祥·单片机原理及应用[M]·大连：大连理工大学出版.