电机的微机控制

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1、Hunan University六、电机的微机控制Hunan University6.1 电机的微机控制概述Hunan University一、电机采用微机控制的意义和作用 在 20世纪 80年代之前，电机控制都是由模拟电路来实现 ，控制信号都是模拟量，使得控制系统结构复杂，控制精 度不高 从 20世纪 80年代起,微处理器、单片微机得到飞速发展， 其运行速度加快，运算精度提高，处理能力增强，功能更 加丰富，结构更为简单，可靠性越来越高，已有足够能力 完成实时性很强的电机控制要求 到了90年代，微机技术进一步发展，出现 32位信号处理器 （DSP）以及精简指令集计算机 （RISC）其强大的功能

2、已 使微机全数字控制的交流调速系统性能和精度优于模拟控 制，使电机传动系统成为工厂自动化系统中的一级执行机 构。 目前，工业先进国家应用的交流电机调速系统已基本实现 全部微机数字化控制。Hunan University微机控制的电机控制系统图 6-1 微机控制的电机控制系统框图Hunan University系统简介 系统中，电机是被控制对象，微机起控制器的作用， 对给定、反馈等输入进行加工，按照选定的控制规律 形成控制指令，输出数字控制信号。 输出的数字量信号有的经放大后可直接驱动诸如变流 装置的数字脉冲触发部件，有的则要经 D/A 转换变成 模拟量，再经放大后对电机有关量进行调节控制。 系

3、统采用闭环控制时,反馈量由传感器检测。 电机运行的给定控制参数和运行指令可以通过键盘、 拨盘、按钮等输入设备送入，电机运行的数据、状态 可通过显示、打印等输出设备得到及时反映。Hunan University微机在电机控制系统中实现的主要功能 逻辑逻辑控制功能可以代替模拟拟、数字电电子线线路和继电继电控制电电路实现逻辑实现逻辑 控制。 运算、调节调节和控制功能可以利用软软件实现实现各种控制规规律，特别别是较较复杂杂的控 制规规律。 自动动保护护功能可以对电对电源的瞬时时停电电、失压压、过载过载，电电机系统统的过过 流、过压过压、过载过载，功率半导导体器件的过热过热和工作状态进态进 行保护护或干

4、预预，使之安全运行。 故障监测监测和实时诊实时诊断功能可以实现实现开机自诊诊断、在线诊线诊断和离线诊线诊断。Hunan University电机系统采用微机控制具有的优越性 容易获得高精度的稳态调整性能 可获得优化的控制质量 能方便灵活地实现多种控制策略 提高系统工作的可靠性Hunan University不足由于数字控制一般是由一个 CPU 来实 现的，具有串行工作的特点，相比模拟控 制中的多个模拟器件并行工作方式，数字 控制的确存在一个运算速度的问题，这需 要通过选用高速微机或多微机并行处理来 解决。Hunan University二、电机控制中应用的微机1.微处理器 8位机：如 Inte

5、l8080、Intel8085、Z80、MC6800等 用于动态响应及调节精度要求不很高“控制功能较简单 的调速系统 16位机:如 Intel8086、Z8000、MC6800等 有很强的寻址能力、较高的运算速度，较短的指令执行 时间 使用中常将微处理器和程序存储器 EPROM、随机数据存 储器RAM、定时/计数器、并行及串行 I/O口等电路组合 在一起，做成通用微型计算机或工控（微型计算）机来 使用Hunan University2. 单片微型计算机（单片机）将 一 台 微 型 计 算 机 所 应 具 有 的 功 能 电 路 （如 中 央 处 理 器CPU，程序存储器 ROM或 EPROM，

6、 随机数据存储器 RAM，定时/计数器，输入/输出接口等）集 成在单一芯片上做成的计算机 8位机： MCS-51系列、6801 、MC68HC11、Z8、80C51系列 16位机：MCS-96系列、MK68200系列、HPC1604系列 其中 MCS-96系列是在我国较流行的十六位单片机 232个字节构成的寄存器陈列中每一个单元均可当作累加器使用，使 MCS-96系列单片机如同有 232个累加器，从而大大加快了CPU的数据 处理能力和速度 有高速输入/输出单元 HSI及 HSO，它们无须 CPU 的干预就能自动依 靠定时器等硬件电路支持高速地完成输入、输出操作，也就加快了微 机的信息处理速度H

7、unan University 32位机DSP：TMS320C24X 指令周期 50ns，包括乘法指令 具有 PLL锁相环时钟模块 544字 16位的片内 RAM，8K字 16位的闪存 8路 10位 A/D转换通道，最快转换速度 1.7us 多达 12路 PWM输出，死区时间可编程；片内还 专门设计了生成电压空间矢量 PWM的硬件电路 4个接收单元，其中两个可用于光电解码正交脉 冲的直接输入 2个 16位定时器；26个I/O口，6个外部中断及 定时监控器(看门狗)，此外还有串行通讯模块 、串行外设接口模块等Hunan University三、电机微机控制系统的开发1.任务确定 对电机控制系统的

8、运行特点进行深入分析 论证引入微机控制的必要性 估算引入后带来的经济、技术综合效果， 力争要有较高的性能/价格比 确定电机控制系统中哪些功能采用微机来 实现，或是采用微机全数字控制方案Hunan University2.总体方案(1)合理选择微机机型及 I/O接口电路 是整个电机微机控制系统总体设计的核心 字长 内存容量 外设和I/O接口扩充能力 运算速度 微机型式 (2)根据系统的功能和技术指标，选择合 适的控制方法，合理划分硬件、软件的 分工Hunan University3.硬件设计 首先要在器件选用上尽可能地采用高集成度、能完成专 门功能的数字器件(如单片微机，可编程逻辑门阵列等) 其

9、次要切实注意系统的电磁兼容性 (EMC)，要使所研制 的微机系统既有抗外界电磁干扰的能力，本身又不要成 为一个对外的电磁干扰源 v值得指出的是电机控制系统运行的可靠性与控制系统抗 干扰的能力有很大关系。电机控制系统是一个交流与直 流共存、强电与弱电共存、模拟量与数字量共存、变流 过程中有用的基波与有害的谐波共存的复杂电磁、电子 系统，这会使得微机数字控制的正常工作受到很大干扰 和威胁。Hunan University4. 软件编程控制软件一般由主程序、若干子程序及中断处理 程序构成。为了提高实时性，中断处理程序应当尽量短些， 只需完成基本的、必不可少的工作。一些实时性要求不高的命令处理、表格计

10、算、数 据显示等，都应由主程序去完成。Hunan University程序开发方法 自底向上开发首先对最低层模块(子程序)进行编写，然后编写出 一个测试用的主程序来测试、调试每一个子程序。当这 些低层模块正常工作后，再利用它们来开发较高层的模 块 自顶向下开发先对最高层模块(主程序)进行编写，测试和调试， 然后转入对低层模块(子程序)进行编写，同时进行测试 和调试。最后，对正式完成的全部程序进行测试。这种方法一般适合于采用高级语言进行程序设计。Hunan University5. 系统调试对于大型的电机微机控制系统，只要设计时对硬件线路 作适当安排，配置适当的监控软件就可直接进行软、硬件调 试

11、。对于采用单片机的电机控制系统，必须要借助于仿真 器之类的开发工具来调试目标程序。样机调试成功后，即可将目标程序固化在单片机内部 或外部 EPROM中，完成整个电机微机控制系统的开发过程。Hunan University6.2 电机微机控制中的基础技术Hunan University一、反馈量的检测1.电流的检测(1)电阻采样图 6-2 电阻采样光电隔离式电流检测Hunan University(2)磁场平衡式霍尔电流检测器 (LEM 模块 )优点 测量精度高 线性度好 响应快 隔离彻底Hunan University(3)电流互感器对于交 流 电 流 的检 测，可 以 采 用 电 流 互 感

12、 器 获得电流信号，通过整流变为 单极性的直流电压后，经A/D转换读入微机。 异步采样采样周期 T与整流电压周期间无约制关系， 电压周期可能随时间变化但采样周期恒定不变。 同步采样采样周期与整流电压周期保持严格的同步关 系，采样周期跟随整流电压周期比例变化，两者 保持同步关系。Hunan University2. 电压的检测 直流电压的检测采用分压的办法，对分压电阻上的 部分电压进行采样，读入微机。 交流电压检测采用电压互感器降压和隔离。 如果被测电压频谱范围广、动态响 应要求高，此时可以采用磁场平衡式霍 尔电压传感器进行电压测量和隔离。Hunan University3. 转速的检测(1)测

13、速发电机测速 采用直流测速发电机产生与电机转速成正比的速 度电压!适当滤波后经 A/D转换成数字量，反馈给 微机。 当电机作正、反转时，速度电压将有正、负值， 应采用双极性的 A /D转换电路，如图 6-7所示。Hunan University(2)脉冲发生器测速 这是采用微机中的定时/计数器对脉冲发生 器的输出脉冲计数而实现的速度检测方法 M 法设在规定的检测时间 TC内测得脉冲发生器输 出脉冲个数为 m1则转数为(r/min) 其中P为脉冲发生器转一周产生的脉冲数。Hunan UniversityT法设脉冲发生器输出的一个脉冲周期 内，对频率为f0 的高频时钟脉冲计数值 为m2, 则转数为

14、(r/min) 特点： M法测速时，转速越低计数脉冲数 m1越少，测量 误差越大，故较适合于测量高速。 T法测速时，转速越高一个脉冲周期内的高频时 钟脉冲数m2 越少, 测量误差也越大, 故较适合于测 量低速。Hunan UniversityM/T法Hunan University(3)转向判别图6-10 转向判别原理Hunan University 原理 进行转向判别时，应采用互差 1/4周期的两个 脉冲发生器 A、B，它们发出的脉冲信号分别 送至 D触发器的 D端和 CP端，如图 6-10(a) 所示 正转时，脉冲 A超前脉冲 B 90度，CP正跳变 时 D=1，故输出 Q=1 反转时脉冲

15、 B超前脉冲 A 90度，CP正跳变时 D=0，故输出 Q=0，因此由 D触发器的输出逻 辑值即可判别出转向。Hunan University二、晶闸管的微机数字触发 把计算出的移相角 换算成对 应的时间，从自然换流点开始用定 时器进行计时，延时时间到后即向 相应晶闸管发出触发脉冲使其导通 。 改变定时时间常数即可改变延 时时间，从而实现晶闸管的移相控 制。Hunan University1. 电源状态与同步脉冲的产生三相可控整流电路 如图 6-11所示： 晶闸管元件为120 度导 通型，每隔60 度换流一次，换流顺 序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5- VT6 移相触发范围为 180度，其中 090时工作于 整流状态； 90 180时工作于有 源逆变状态。图6-11 三相桥式可控整流电路Hunan University同步脉冲与电源 信号 为了达到触发脉冲与主电路 晶闸管的准确同步和移相， 必须获得 =0的元件自然 换流点位置，以此作为 定时 器延时的起点时刻 认相过程：通过三个电压过零比较器 变成方波电平信号 S1、S2、 S3，可获得每个区间的三相 电源状态信号S1、S2、S3，若 知各区间的电源状态，便可 推知当前主回路应触发的一 对晶闸管，这就是认相过程 。图6-12 同步脉冲与电源信号Hunan Uni