汪孔玉

摘要：目前起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)渦流調(diào)速系統(tǒng)中勵(lì)磁電流控制為模擬量控制，精度差、無(wú)法顯示工作狀態(tài)。文章詳細(xì)介紹了數(shù)字化直流電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)、工作原理及使用方法。采用直流電流調(diào)節(jié)器渦流調(diào)速系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、安全性能好，適用于各種噸位的起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)調(diào)速控制。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)渦流調(diào)速系統(tǒng)；勵(lì)磁電流控制；模擬量控制；數(shù)字化；直流電流調(diào)節(jié)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM773文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2012）04-0057-02

目前起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)渦流調(diào)速系統(tǒng)中勵(lì)磁電流控制為模擬量控制，精度差、無(wú)法顯示工作狀態(tài)。本文介紹的數(shù)字化直流電流調(diào)節(jié)器特點(diǎn)是主回路采用晶閘管半控橋式整流電路，輸出電流三個(gè)檔位，每個(gè)檔位分別可以電流設(shè)置，并輸出電流顯示，晶閘管脈沖觸發(fā)等均采用單片機(jī)模塊ATMEGA8，通過(guò)軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)上述功能。

一、總體設(shè)計(jì)方案選擇

（一）數(shù)字化直流電流調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的組成

數(shù)字化直流電流調(diào)節(jié)器是渦流調(diào)速控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件。通過(guò)改變和電動(dòng)機(jī)同軸的渦流電機(jī)的勵(lì)磁電流，改變平移電動(dòng)機(jī)的速度?？刂破鞑捎秒娏鏖]環(huán)控制系統(tǒng)，輸出電流可連續(xù)可調(diào)。

硬件電路以ATMEGA8單片機(jī)顯示驅(qū)動(dòng)片MAX7129及外部接口電路組成，該單片機(jī)內(nèi)部功能非常強(qiáng)大，外部接口電路采用A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，運(yùn)算放大器組成的比較電路及通過(guò)光耦采集的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，顯示電路采用四位數(shù)碼管在控制板上直接顯示結(jié)構(gòu)緊湊合理，可靠性高。

（二）數(shù)字化直流電流調(diào)節(jié)器裝置控制原理

控制器采用了二相交流380V電壓輸入，通過(guò)L電抗器濾波消除高次諧波。二極管D1、D2和晶閘管SCR1、SCR2組成單相半控橋式整流電路。晶閘管和二極管采用半控橋模塊，型號(hào)MCD56額定電流50A。

晶閘管由觸發(fā)脈沖控制，通過(guò)單片機(jī)IC1產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，經(jīng)功放模塊A5、脈沖變壓器模塊A6電子線路組成的觸發(fā)器去觸發(fā)各個(gè)晶閘管，通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)相位角，使輸出電壓從0V到額定電壓連續(xù)可調(diào)。該裝置是恒流源輸出，調(diào)節(jié)回路采用電流調(diào)節(jié)器和電流負(fù)反饋構(gòu)成的電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)全部由軟件實(shí)現(xiàn)。電流檢測(cè)回路采用霍爾元件，把電流轉(zhuǎn)換成電壓?；魻栐鸬饺蹼娀芈泛蛷?qiáng)電回路隔離，保證使用安全、同時(shí)防止高電壓串到低電壓回路中?；魻栐敵鲭妷航?jīng)運(yùn)算放大器處理后，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理程序完成電流反饋，電流顯示及失磁保護(hù)等功能。電流輸出分別有三獨(dú)立輸出的檔位，每個(gè)檔位輸出電流0～25A連續(xù)可調(diào)，可通過(guò)按鍵設(shè)定。

（三）硬件電路的組成

該裝置共有三個(gè)檔位輸出電流，通過(guò)按鍵直接設(shè)定。晶閘管觸發(fā)脈沖由單片機(jī)輸出，經(jīng)脈沖功放片ULQ2003觸發(fā)晶閘管。輸出勵(lì)磁電流、檔位及故障顯示采用單片機(jī)并通過(guò)數(shù)碼管顯示，并通過(guò)故障代碼和工作狀態(tài)的符號(hào)來(lái)顯示。硬件電路以ATMEGA8單片機(jī)顯示驅(qū)動(dòng)片MAX7129及外部接口電路組成。檔位信號(hào)通過(guò)光耦片CNY17-2隔離、電流反饋回路、運(yùn)算放大器組成的比較電路及通過(guò)光耦采集的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，顯示電路采用四位數(shù)碼管在控制板上直接顯示，結(jié)構(gòu)緊湊合理，可靠性高。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：：

1．主回路。主回路采用晶閘管半控橋式整流電路，晶閘管移相范圍為0°～180°晶閘管觸發(fā)脈沖通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)脈沖功放觸發(fā)晶閘管。

2．電源部分。模塊電源部分原理如圖2所示。其中為±15V提供運(yùn)算放大器電源，24V提供晶閘管模塊電源觸發(fā)電源，DC5V電源為單片機(jī)模塊工作電源。

3．勵(lì)磁電流檢測(cè)。勵(lì)磁電流檢測(cè)勵(lì)磁電流檢測(cè)，本裝置采用直流電流互感器將直流電流轉(zhuǎn)換成電壓，取樣通過(guò)運(yùn)算放大器輸入單片機(jī)中，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器成為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序顯示勵(lì)磁電流數(shù)值。該信號(hào)作為電流反饋數(shù)值構(gòu)成電流閉環(huán)系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序完成系統(tǒng)的各種功能初始化操作，包括ATmega8的片內(nèi)I/O寄存器、各種狀態(tài)和標(biāo)志位、各個(gè)控制數(shù)據(jù)等的初始化，然后循環(huán)定時(shí)執(zhí)行速度環(huán)和電流環(huán)的計(jì)算，并完成鍵盤(pán)輸入、顯示掃描等各種功能。在該系統(tǒng)中，采用有效的算法能夠計(jì)算所需要調(diào)節(jié)的參數(shù)的數(shù)值，精度高，可以隨時(shí)顯示?？梢酝ㄟ^(guò)有效的軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，可靠性高，并能夠減少硬件開(kāi)銷(xiāo)，降低成本。由于某項(xiàng)功能的軟件算法調(diào)試成功后可以無(wú)限次的使用，所以用軟件算法實(shí)現(xiàn)的功能可以一勞永逸。在本系統(tǒng)中，故障判斷、故障報(bào)警、故障代碼顯示等功能都用有效的算法。

數(shù)字化系統(tǒng)的控制精度和性能除了依賴(lài)于微處理器本身的處理能力和速度外，與軟件算法的有效性有很大的關(guān)系，高效的算法也是保障系統(tǒng)高效運(yùn)行的因素之一。本系統(tǒng)除了采用能夠單周期指令處理的微處理器外，還精心設(shè)計(jì)了有效的軟件算法，使系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行。

（二）數(shù)字PID調(diào)節(jié)器程序設(shè)計(jì)

該裝置采用PID電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成的電流閉環(huán)系統(tǒng)。在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。

ATmega8的PID控制器，包括一個(gè)完成算術(shù)和邏輯功能的ALU，以及一個(gè)存儲(chǔ)狀態(tài)變量和有關(guān)系數(shù)的存儲(chǔ)器。其端口如下:RESET端口為復(fù)位端口，當(dāng)RESET為高電平時(shí)，PID控制器復(fù)位，F(xiàn)SIGNIN為輸入設(shè)定電流，HOSTINTERRUPT為主機(jī)請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)此信號(hào)為“1”時(shí)，PID開(kāi)始計(jì)算，為“0”時(shí)停止輸出結(jié)果。PID控制器運(yùn)行時(shí)，直流電流調(diào)節(jié)器有輸出時(shí)，HOSTINTERRUPT信號(hào)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行采樣，然后與給定電流比較，

得到電流偏差，在設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)。

三、系統(tǒng)測(cè)試

（一）三檔輸出電流調(diào)節(jié)

L1、L2接AC380V電源，電流調(diào)節(jié)器輸出端接一個(gè)10Ω電阻片作為負(fù)載。控制回路輸入AC220V電壓使一檔閉合，用按鍵選擇一檔電流設(shè)定，輸出0～25A應(yīng)連續(xù)可調(diào)。用同樣方法調(diào)節(jié)二檔和三檔電流，輸出應(yīng)為0～25A連續(xù)可調(diào)。

（二）顯示和故障報(bào)警部分測(cè)試

接通電流調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)電流，用電流表測(cè)量電流數(shù)值應(yīng)與數(shù)碼管顯示的電流一致。把負(fù)載斷開(kāi)數(shù)碼管閃爍顯示FL失磁故障。

四、結(jié)論

通過(guò)以上分析可知，采用直流電流調(diào)節(jié)器渦流調(diào)速系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、安全性能好，適用于各種噸位的起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)調(diào)速控制。其缺點(diǎn)是有一定的渦流損耗，不利于節(jié)能，由于它控制簡(jiǎn)單成本低，目前在起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）