自校正模糊控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：分析了由MCU和雙向晶閘管開關(guān)來控制通用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的原理，提出了一種提高電動(dòng)機(jī)效率的設(shè)計(jì)方案，給出了該實(shí)現(xiàn)方案的硬件電路和軟件程序框圖，同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果。

１　引言

在日常生產(chǎn)與生活中，大量電動(dòng)機(jī)都以規(guī)定的速度和功率去拖動(dòng)各種機(jī)械。而在軍事上，很多應(yīng)用往往要求旋轉(zhuǎn)天線在各種條件下都要保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng),這就要求在不同的情況下，電動(dòng)機(jī)能相應(yīng)調(diào)整工作速度，以保持恒定的速度。要實(shí)現(xiàn)這一功能，最常用的方法是對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞或交流電動(dòng)機(jī)的定子電壓，都可以在一定的范圍里改變轉(zhuǎn)速；也可用雙向晶閘管交流開關(guān)或直接選用模擬控制的通用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來取代笨重的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組以及飽和電抗器。本文介紹一個(gè)直接由１１０／２４０Ｖ電源供電的通用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)ＭＣＵ以及一個(gè)雙向晶閘管開關(guān)來實(shí)現(xiàn)控速的設(shè)計(jì)方法。其中單片機(jī)選用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１２Ｆ６７５。與用戶接口的方式有三種一個(gè)是接觸傳感器；一個(gè)是按鈕；一個(gè)是電位器。筆者在該仿真實(shí)驗(yàn)中采用的是電位器。輔助電源從電源電壓中變壓整流獲得。

２　設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)

２．１ 電路結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖１所示。使用時(shí)，可通過設(shè)置電位器的電阻大小，并經(jīng)Ａ／Ｄ輸入單片機(jī)來預(yù)設(shè)速度；單片機(jī)通過同步電路與２２０Ｖ交流電源同步，并通過輸出脈沖控制晶閘管的通斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的速度，同時(shí)將電動(dòng)機(jī)的速度通過速度檢測(cè)裝置（霍爾開關(guān)）反饋給單片機(jī)以形成閉環(huán)。

２．２ 單片機(jī)電路的功能原理

該設(shè)計(jì)中單片機(jī)電路的功能原理圖如圖２所示。它由５Ｖ直流副電源和２２０Ｖ交流主電源、單片機(jī)、雙向晶閘管開關(guān)和電機(jī)整流電路和霍爾開關(guān)組成。其中，單片機(jī)的腳１（Ｖｄｄ）接＋５Ｖ腳８（Ｖｓｓ）接地，其它引腳的功能與設(shè)計(jì)如下：

（１）ＧＰ３用于上電復(fù)位。在通電的瞬間，Ｃ３通過Ｒ２充電ＧＰ３以經(jīng)延遲后低電平觸發(fā)。延遲的大小和ＣＰＵ的頻率有關(guān)，對(duì)于ＰＩＣ１２Ｆ６７５單片機(jī)，延遲只要大于７２ｍｓ就可以了。ＧＰ３外的電阻可以選１ｋΩ電容應(yīng)大于０．１μＦ。二極管Ｄ２的作用是在電源快速反復(fù)通斷時(shí)，保證Ｃ３電容能及時(shí)放電。

圖2

（２）ＧＰ４主要用于速度信息的輸入。該腳外的電位器Ｒ１用于為ＧＰ４輸入一個(gè)電平（ＧＰ４在這里的功能是１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器）。該輸入電平通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后，用于給單片機(jī)輸入一個(gè)預(yù)設(shè)速度。將該速度和實(shí)際速度進(jìn)行比較，并計(jì)算出速度的偏差，然后查表或通過算法便可以得到延遲Ｔｄ。電位器Ｒ１的阻值應(yīng)較大（在１００ｋΩ左右），以減少５Ｖ副電源的負(fù)載壓力。 在正常工作時(shí)，霍爾開關(guān)被放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)按周期強(qiáng)度和方向發(fā)生變化的磁場(chǎng)中。其輸出電壓的大小隨著垂直通過霍爾開關(guān)半導(dǎo)體薄片的磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化，霍爾開關(guān)有電流式和開關(guān)式兩種。電流式霍爾開關(guān)輸出的是模擬信號(hào)，可完全包含磁通量的變化情況；而開關(guān)式霍爾開關(guān)則由于集成了比較器，因而可直接輸出數(shù)字信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式無疑是最方便的。如果采用電流式，由于選用的是功能全面的自帶比較器的ＰＩＣ１２Ｆ６７５單片機(jī)，它的ＧＰ１腳上輸入的一個(gè)門限電平（由兩個(gè)電阻分壓得到）通過單片機(jī)內(nèi)部的比較器和ＧＰ０腳的轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)進(jìn)行比較，也可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。 此外，在實(shí)際應(yīng)用中，雙向晶閘管開關(guān)對(duì)觸發(fā)電路的要求如下：

（３） 通過ＧＰ２可輸入同步信號(hào)。由于２２０Ｖ的交流電源頻率不是很穩(wěn)，因此，為了保證延遲Ｔｄ的精確，應(yīng)通過Ｒ５輸入交流信號(hào)進(jìn)行同步。ＧＰ２在這里的功能也是Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，它可將通過Ｒ５輸入的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。Ｒ５的阻值要大約在１ＭΩ左右。因?yàn)椋遥抵苯咏釉冢玻玻埃值慕涣麟娫瓷?，而單片機(jī)的輸入電流不能太大。

（４）通過ＧＰ０可輸入霍爾器件產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。

霍爾開關(guān)是用于磁場(chǎng)檢測(cè)的半導(dǎo)體傳感器，霍爾開關(guān)的實(shí)際接線圖如圖３所示，ＰＩＣ１２Ｆ６７５的１腳接５Ｖ直流電源，２腳接地，３腳輸出頻率脈沖給單片機(jī)的ＧＰ０腳。

由于實(shí)際的霍爾開關(guān)要接在電動(dòng)機(jī)的線圈附近，手工改造電動(dòng)機(jī)相對(duì)比較困難。因此，該設(shè)計(jì)為了方便演示，可以使用一個(gè)由５５５定時(shí)器設(shè)計(jì)的多諧振蕩器產(chǎn)生的頻率脈沖信號(hào)來替代霍爾開關(guān)的輸出信號(hào)。

（５）ＧＰ５腳輸出的低電平脈沖用于觸發(fā)雙向晶閘管開關(guān)，其腳輸出低電平脈沖的時(shí)間是由延遲Ｔｄ決定的，要保證和主電源同步才能使相位平穩(wěn)的前后移動(dòng)。ＧＰ５腳的低脈沖可以使雙向晶閘管開關(guān)保持導(dǎo)通，直到２２０Ｖ電源反向。