第6章-电机的微机控制

第6章电机的微机控制功能数值运算逻辑判断信息处理优点新的控制策略高精度的静态特性高速度的动态响应使得现代电机控制技术步入了高性能、智能化的新阶段6.1电机的微机控制概述一、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。微机控制的电机控制系统系统框图：图6-1微机控制的电机控制系统框图系统简介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。1.微机在电机控制系统中实现的主要功能逻辑控制功能可以代替模拟、数字电子线路和继电控制电路实现逻辑控制。运算、调节和控制功能可以利用软件实现各种控制规律，特别是较复杂的控制规律。自动保护功能可以对电源的瞬时停电、失压、过载，电机系统的过流、过压、过载，功率半导体器件的过热和工作状态进行保护或干预，使之安全运行。故障监测和实时诊断功能可以实现开机自诊断、在线诊断和离线诊断。2.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。二、电机控制中应用的微机1.微处理器8位机：如Intel8080、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2.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，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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2.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3.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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。4.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、表格计算、数据显示等，都应由主程序去完成。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。5.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。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。6.2电机微机控制中的基础技术一、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如果电流比较小，可在待测电流的支路上串入小值电阻，通过测量电阻上压降来计算电流大小为实现强、弱电隔离，采用电阻采样光电隔离的电流检测方式，如图6-2所示。图中，IL为被测电流，R为采样电阻，V为光电耦合器，A为运算放大器，UO为输出电流信号。图(b)是一种带非线性补偿的改进电路，它使用运算放大器A1提高电阻压降检测灵敏度，采用运算放大器A2及光电耦合器V2提高电流检测的线性度。说明(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隔离彻底检测原理如图6-3所示，设磁场强度为B的外磁场垂直穿过HL，1、3端送入恒定的控制电流I，则在HL的4、2端将感应出霍尔效应电压(6-1)式中霍尔系数电流流向与磁力线间夹角不等位电动势如果磁场强度为B的外磁场是由被测电流产生，即，则将有(6-2)故测得s即等效测。图6-3霍尔元件工作原理图(磁场垂直于HL平面)OHHUBIkU0sin)(Hk0OULILIBLILHIULEM模块原理LEM模块结构如图6-4所示。它是将霍尔元件HL放置在一个由软磁材料制成的聚磁环的开口缝隙中，环内穿过流经被测电流的导线(一次侧)，从而在环内缝隙处建立外磁场，使HL感应出霍尔电压，经运算放大器放大后，驱动晶体管产生一补偿电流，流经匝的二次侧线圈，产生抵消所产生的磁场，促使减小。当增大到使聚磁环内磁场为零时，根据安匝平衡关系经常取=1000匝，则=/1000。图6-4LEM模块原理图LILIHUSiSNHUSiSSLNII1SNSILILEM的优点体积小重量轻使用方便过载能力强性能优越量测误差小(3)电流互感器对于交流电流的检测，可以采用电流互感器获得电流信号，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。2.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。3.转速的检测(1)测速发电机测速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。(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①M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)(6-4)其中P为脉冲发生器转一周产生的脉冲数。cPTmn160②T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(r/min)(6-5)2060Pmfn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。③M/T法若脉冲发生器每转输出P个脉冲，检测周期Td内共输出m1个脉冲，Td时间内转子转过角位移为(rad)(6-6)设高频时钟脉冲频率为f0，Td时间内的计数值为m2,则检测周期为(6-7)这样，被测转速可表达为(6-8)PmX1202fmTd21060260PmmfTXndM/T法测速原理图图6-8M/T法测速原理M/T法的微机实现微机先把检测启动信号送启动触发器与此同时,m1计数器、m2计数器开始对脉冲发生器输出的脉冲和高频时钟脉冲计数定时时间到后，向微机申请中断CPU响应中断后，读出计数值m1、m2后按式(6-8)计算出电机转速图6-9M/T法微机实现框图(3)转向判别图6-10转向判别原理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B90度，CP正跳变时D=1，故输出Q=1反转时脉冲B超前脉冲A90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。二、晶闸管的微机数字触发把计算出的移相角α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。1.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0≤а﹤90时工作于整流状态；90≤а﹤180时工作于有源逆变状态。图6-11三相桥式可控整流电路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а=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