單片機控制的直流調速系統
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直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中應用歷史悠久。大功率直流調速系統通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速，傳統的控制系統采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現事故。
目前，直流電動機調速系統數字化已經走向實用化，其主要特點是：結構簡單、維修方便、動態參數調整方便、系統可靠性高、可采用數字濾波來提高系統的抗干擾性能、可采用數字反饋來提高系統的精度、具有信息存儲和數據通信的功能以及成本低。
2 總體結構設計
2.1 調速方案的選擇
本設計選用V-M系統。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。考慮使電路簡單、經濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋供電方案。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案[1]。
2.2 總體結構設計
采用轉速電流雙閉環調速系統[2]，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級聯接，這樣就可以實現在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節器的輸入端，到達穩態轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態性能。
綜上所述，本系統用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統中速度調節器、電流調節器、觸發器、鎖零單元和電流自適應調節器等，從而使直流調速系統實現全數字化。其硬件結構如圖1所示。
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3 主電路的設計
整流變壓器的設計。通過對變壓器二次側電壓U2的計算、一次、二次相電流I1、I2的計算以及變壓器容量的計算最后確定整流變壓器的型號。
晶閘管元件的選擇。經過計算晶閘管的額定電壓和晶閘管的額定電流來確定晶閘管的型號。
直流調速系統的保護。晶閘管有換相方便，無噪音的優點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數外，還必須采取必要的過電壓[3]、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關鍵。以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。在電流保護中，快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施。快速熔斷器可以安裝在直流側、交流側和直接與晶閘管串聯。為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器。
4 控制電路的設計
4.1 單片機系統
對于快速性和控制精度要求不高的調速系統，可選用高性能8位單片機，本系統采用Inter的MCS-51中的80C31單片機[5]。
單片機系統中，80C31外接27128EPROM作為16K程序存儲器，存放全部控制軟件。用兩片74LS374和四個PNP中功率三極管以動態掃描方式驅動四位LED數字，以顯示轉速、設定速度、電流等數據，兩片74LS374采用線選法與80C31接口，地址分別為0DFFFH和 0BFFFH。在80C31的P3口上外接三個按鍵，一個為啟動/停止鍵，用于啟動或停止電機運轉；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設定值，另一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個LED發光管，一個用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態。
4.2 電流測量和速度給定值輸入
系統使用ADC0808A/D轉換器。寫入該地址，啟動A/D轉換器。A/D轉換完成，產生EOC脈沖和中斷。這時，MCU可讀入轉換結果。交流電流通過電流互感器變成0～5V電壓信號，經整流和濾波后加到ADC0808的IN0上。速度給定采用電位器輸入，它加到IN1上。在調整速度給定值時，可按下速度給定顯示鍵。這時，四位LED上將顯示對應于電位器輸入的速度給定值，可調整電位器至顯示值為所需的給定值。
4.3 速度測量
對于要求精度高、調速范圍大的系統，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數字測速。本系統的速度測量采用數字M/T法測速[6]。其中利用T1作為定時器，計時Tc時間產生中斷，旋轉編碼器輸出的脈沖個數M1由P1.6口檢測，同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數M2由P1.7口檢測，最后由轉速中斷程序完成轉速的測量等等。
4.4 晶閘管控制
晶閘管觸發采用80C31的定時器T0實現。在T0溢出時，轉到T0中斷處理程序，按脈沖分配表從P1口（P1.0～P1.5）輸出晶閘管觸發脈沖。然后延時50μs，置位P1.0～P1.5，從而輸出寬度為50μs的觸發脈沖。同步校正由80C31的定時器T0和外部中斷實現。
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