速度调节器单片机（共3篇）
速度调节器单片机 篇1
各个生产线及包装线都离不开速度调节器, 速度调节装置是对带料在卷取过程中的恒速度进行控制的装置, 通过对卷筒速度的调节, 不会使带料出现卷的太紧以至于拉断带料, 也不会使带料卷的太松使带料缠绕, 它对产品的质量、生产效率及生产过程的稳定性都有很大的影响, 但现有的基于变频技术的速度控制器的市场价位普遍较高, 设计出一种低成本的, 能满足控制精度要求的速度调节系统成为目前的迫切需要。本文介绍了一种以单片机为控制核心的速度控制系统。
1、系统总体设计
系统主要包括以下几个部分:AT89C52单片机主控制器模块、信号的输入模块、状态显示模块、键盘输入模块、驱动模块。本系统中由信号输入模块中的传感器检测来自主电机的速度和从电机的速度, 以获得偏差信号。在将速度偏差信号送给单片机主控模块中进行逻辑运算, 产生控制信号, 用来控制从电机的速度。从而修正从电机的速度, 使之和主电机保持同步或者根据需要保持一定的比例, 主电机和从电机的速度严格意义上讲是必须相等的。但考虑到工程工序上的需要, 一般主电机和从电机之间保持一定的比例系数就可以满足工程工序上的需要, 即V主=m V从 (m取值为1.67~5) .如果V从的值在不停的上升 (下降) 则会引起限位开关的报警, 那么系统将会自动 (或手动) 来调整V从, 使之保持和V主同速。
1.1 信号输入模块
信号输入模块有传感器输入和键盘输入。传感器输入光电编码器、限位开关。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器, 是目前应用最多的传感器。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成, 具有精度高、响应快、性能稳定可靠等显著的优点。当编码器轴带动光栅盘旋转时, 经发光二极管或者发光元件发出的光被光栅盘、狭缝切割成断续光线并被接收元件接收, 产生初始信号。该信号经后续电路处理, 变成脉冲或者代码输出。光电编码的输出信号经过调理之后能够输入到单片机中进行处理。将编码器的一项经过光隔离之后输入到单片机, 这样简单的检测单片机相应引脚的跳变就可以对编码器输出的脉冲个数进行计数。
本系统利用限位开关SW1、SW2作为安全开关, 当带料超出所定的界限时, 执行中断程序, 发出报警信号, 键盘输入包括5个按键, 第一个是手动与自动模式的转换按键;第二个是“+”, 按下此键就可以调节速度使之增大;第三个是“—”, 按下此键就可以调节速度使之减小;第四个是启动/停止按键;第五个紧急停车按键。5个按键分别与单片机输入口相连, 按下按键时会向单片机发出一个低电平, 当程序运行检测到该信号时, 就会执行相应的键盘程序。
1.2 主控制器模块
本系统采用AT89C52单片机作为控制器件, 它有32个I/O口, 其中P1、P2、P3口作为通用I/O使用。P1口作为信号的输入口使用, P1.7口和P1.6与光电编码器的两个输出端相连, 用来接受来自光电编码器的速度信号。在自动运行模式下, 单片机接收到这两个信号时, 对这两个信号进行求偏差。并根据算法来输出PWM波, 改变定子绕组电流通电时间, 从而达到调速的目的。P1.0口和P1.1口分别接上限位开关和下限位开关。P3口为实现报警模块所用, P3.0、P3.1、P3.3、P3.4和P3.7输出口分别和4个LED指示灯和蜂鸣器相连, P3.2口作为外部中断, 当工作现场遇到不可抗拒因素时紧急停车, 发出报警。
1.3 显示模块
显示模块包括4个LED指示灯和1个蜂鸣器。4个LED指示灯与单片机输出端口P3.0、P3.1、P3.3、P3.4相连, 分别表示电机加速、减速、自动、手动状态。蜂鸣器和单片机输出口P3.7相连, 当带料偏移到限位开关时, 执行中断程序, 蜂鸣器发出报警。
1.4 键盘输入模块
P1.5口是自动/手动按键;P1.4口为在手动模式下电机加速键盘;P1.3口为在手动模式下电机减速键盘;P1.2为系统的启动/停止按键;P3.2口为紧急停车按键。
1.5 驱动模块
驱动执行模块包括直流电机驱动器、直流电机。在本设计中选用了TLP250芯片作为驱动器。电绝缘栅极双极型晶体管IGBT的栅极驱动电压一般为15 V。而关断负偏置电压为5~6V。因此选用TLP250驱动IGBT。TLP250内部是光电耦合的, 实现了将控制电路与主电路的隔离。当3脚接收到一个低电平时, VGE输出近似为15V可以驱动IGBT使其导通。相反, 当3脚接收到一个高电平时, VGE输出近似为-5V, 使IGBT的截止。三只TLP250随着输入电平变化, 可以很好地控制IGBT的开端, 从而实现调速。单片机的P2口和TLP250芯片的3引脚相连。此外还有逻辑保护电路, 过电流保护电路。
2、软件设计部分
该系统软件设计主要有初始化程序、自动执行程序、自动中断程序、手动执行程序、手动中断程序、电机加速和减速程序等组成。因为实时控制系统必须考虑时间的精确度, 所以采用汇编语言编写。上电后首先执行初始化程序, 包括给I/O口清零, 设置中断程序等, 初始化完毕后, 首先进入自动运行程序, 若检测到材料超出上边限定位置, 执行电机减速程序, 使带料往下边移动。若检测到材料超下边限定位置, 执行电机加速程序, 把材料往上边拖移到安全生产位置。系统在执行加速程序时若扫描到有手动按钮按下, 进入手动运行程序, 此时限位开关不再起作用, 按下加速按钮执行电机加速, 按下减速按钮执行电机减速。若检测到自动按钮按下, 又返回自动运行状态。
3、结语
本文设计的速度调节器能对布匹、纸张、薄带钢等物料卷取速度进行跟踪和调节, 确保了卷取均匀、整齐。该系统可用于纺织、印染、印刷、轧钢等行业。
参考文献
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[2]毛用锐.基于单片机监控系统的设计[J].魅力中国, 2009, (13) .
[3]周维, 杨凤清.基于单片机的智能转速仪的研究[J].网络与信息, 2010, (02) .
[4]邓锦炽, 李绣峰, 余运昌.基于单片机的刮水电机测试系统的研究[J].机电产品开发与创新, 2008, (01) .
速度调节器单片机 篇2
永磁同步电动机矢量控制交流调速系统的速度调节器一般采用PID控制器。应用PID控制器针对于线性定常系统的控制非常有效。但由于PID控制器的设计过分依赖于控制对象模型,参数鲁棒性较差,且抗负载扰动能力也不太强,所以很难达到高精度的控制要求。特别是在宽调速范围的情况下,它无法同时满足响应速度快、稳态精度高的要求,在低速时系统甚至无法正常运行。
文中将自抗扰控制技术应用于永磁同步电动机矢量控制系统速度调节器的设计中,克服了负载扰动对转速的影响,并通过仿真和实验验证了该方案的有效性。
1 永磁同步电动机的数学模型
基于磁场定向理论,在同步旋转坐标系下永磁同步电动机的动态数学模型如下:
电磁转矩方程:
Te=1.5np[Ψfiq+(Ld-Lq)idiq] (4)
其中,ud,uq为定子绕组d—q轴电压;id,iq为定子绕组d—q轴电流;Ld,Lq为定子绕组d—q轴电感;Rs为定子电阻;Ψf为转子永久磁体产生的磁势;J为转动惯量;B为摩擦系数;ω为转子转速;p=d/dt为微分算子;np为电机极对数;TL为负载转矩。
在系统设计时,简化处理后的双闭环控制的PMSM调速系统动态结构图如图1所示。
从式(3)可以看出,转速ω受到id,iq和TL的影响,速度调节器必须能够抑制这些耦合量和扰动量影响。
2 基于自抗扰控制器的速度调节器
自抗扰控制技术是适应数字控制的需要而发展起来的新的控制系统综合方法,它以ADRC为代表,包括:跟踪—微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和非线性反馈控制律(NLSEF)三部分。
设被控对象的方程如下:
x(n)=f0(x0,x1,…,x(n-1),t)+b0u+f1(x0,x1,…,x(n-1),
w(t))+b1u (5)
其中,f0,b0为系统已知部分;f1,b1为系统未知部分;w(t)为未知扰动;u为控制输入。其对应的自抗扰控制器如图2所示。
自抗扰控制器利用跟踪—微分器为给定输入信号安排过渡过程,得到光滑的输入信号,并提取其微分信号。利用扩张状态观测器对对象进行估计,不仅能得到各个状态变量的估计,而且能得到系统内外扰动的估计。非线性反馈控制律用来给定控制信号得到的控制量
根据ADRC原理,将式(3)中的
其中,
自抗扰控制的速度调节器结构图如图3所示。
图3中,ω*r为速度给定信号;v1为ω*r的跟踪信号;ε1为速度环的误差;ωr为反馈转速;z21为ωr的跟踪信号;z22为未知扰动信号w1(t)的观测值;u0为非线性反馈控制律输出的控制信号;u为经过扰动补偿后施加到电流环上的控制信号isq*。
3 仿真和实验结果
文中以TI公司TMS320LF2407A DSP为控制核心进行了交流伺服系统数字化实现。实验用永磁同步电机参数包括:极对数为4,额定功率为1.8 kW,额定频率为50 Hz,额定电压为185 V,额定转矩为11.8 N·m,d—q轴电感为0.000 3 H。本系统电流采样周期和PWM逆变器的载波周期均为300 μs。数字仿真是在和实验条件相同的条件下,利用Matlab/Simulink实现的。
在给定转速为1 500 r/min、空载启动且t=2 s突加额定负载条件下,分别采用ADRC速度调节器和PI速度调节器时,ADRC速度调节器具有很强的抗扰动能力,转速不受负载扰动的影响;而PI速度调节器的抗扰动能力就弱一些,突加负载后转速有明显波动,下降了10 r/min。在给定转速为10 r/min和低速的情况下,ADRC速度调节器的抗扰动能力远大于PI速度调节器。
图4为空载时给定转速从10 r/min到-10 r/min的转速波形图。图5为给定转速为10 r/min、在t=4 s时施加额定负载时的转速波形图。图6为空载下转速从1 500 r/min到-1 500 r/min阶跃变化时的转速波形图。图7为1 500 r/min转速下施加额定负载的转速曲线。
当速度环采用自抗扰控制器时,PMSM调速系统在低转速和高转速下都具有良好的动静态性能和很强的抗扰动能力。
4 结语
文中将自抗扰控制器的原理应用到永磁同步电动机调速系统的速度调节器设计之中,提出了永磁同步电机速度调节器所采用的自抗扰控制器的设计原理。针对调速系统转速环所存在负载扰动和其他不确定性的扰动,运用自抗扰控制器技术设计了一种新型的速度调节器,该速度调节器提高了电机的调速范围,改善了低速性能,对负载扰动具有很好的鲁棒性能。
摘要：利用自抗扰控制器理论,提出了一种新颖的永磁同步电动机无位置传感器矢量控制系统的转速估计方法,指出该方法能将转速准确地估计出来,并且对负载和转动惯量的变化具有很强的鲁棒性,且具有良好的动静态性能和抗干扰能力。
关键词：永磁同步电机,矢量控制,无位置传感器,自抗扰控制器
参考文献
[1]Macro Tursini.Real-time gain tuning of PI controllers for high-performance PMSM drives[J].IEEE Trans.On Industry Applica-tions,2002,38(4):1 018-1 036.
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[3]Chang Kuan-Teck,Low Teck-seng,Li Tong-heng.An optimalspeed controller for permanent-magnet synchronous motor drives[J].IEEE Trans.On IE,1994,41(5):503-510.
[4]陈荣,邓智泉,严仰光.考虑饱和运行时永磁同步伺服系统速度调节器的设计与调整[J].电工技术学报,2005,20(5):24-29.
宣钢高线电机速度调节系统 篇3
关键词：6RA70,直流调速装置,闭环控制,弱磁控制
一、概述
宣钢高速线材生产线是一条全连轧热轧生产线,其主要产品为Φ5mm~Φ12mm盘条和盘螺。直流传动系统的构成:宣钢高速线材轧机主传动(从粗轧至预精轧共18架轧机)及部分辅传动(包括飞剪、吐丝机等)使用西门子6RA70 SIMOREG?DC?MASTER直流调速系统。
控制系统采用西门子S7-400 PLC,采用三级控制系统和两层通讯网络的模式,三级控制系统包括人机界面(西门子WINCC画面)、控制单元(PLC)和远程执行单元(包括PLC远程站、交直流调速装置等),两层通讯网络包括工业以太网和Profibus-DP网络。直流调速系统通过Profibus-DP网络连接PLC,完成直流调速系统的控制。
二、直流电机调速控制
直流主电机的调速控包括:
(一)设定速度给定
电机启动时能够进行平稳加速控制,调速系统由远程和本地两种方式设定。本地设定通过在PMU操作面板选择P401参数进行电机给定设置,用于电机调试运行;远程操作通过PROFIBUS-DP写入PLC中给定的控制字,写入调速装置中,从而完成对电机速度的设定。电机的速度设定值的100%为直流电机的最大速度,速度给定为线性斜坡,可以使得电机平稳的启动。
在电机调速控制时,系统可进行手动人工干预功能,在允许范围可以使用手动给定干预进行调速。例如在轧钢过程中,主操作人员使用调速杆对轧钢系统进行级联调速以满足正常的榨汁需求。
(二)直流电机速度反馈
直流电机的实际运行速度可使用电机后轴的速度编码器获取。脉冲编码器测速精度高,在电机运行过程中,每转一圈发出1024个脉冲信号(轧机为1024个脉冲,飞剪为2048个脉冲)。脉冲信号接入6RA70装置的CUD1板,系统进行处理、转换、运算,将此信号反馈到速度调节器进行比较运算,构成调速系统的双闭环外环控制。
(三)直流电机速度调节
该系统内为速度负反馈三相全控桥式晶闸管直流调速系统,主回路是正、反两组桥式电路,控制系统为电流环为内环、速度环为外环的双闭环负反馈控制。在调速过程中,电机低速运行时,为调压控制,调节电枢电压,电枢电压越大,速度越大,此时电枢电压与速度成正比;当电压无法继续增大时,调节励磁电流,励磁电流越小,速度越大,此时励磁电流与速度成反比,进入高速运行状态。速度环调节使用PI调节器(P为比例环节,I为积分环节),作用是实现速度稳态无静差调节。电流环调节同样使用PI调节器,为抑制系统电流电压波动,对过电流起到自保护作用。
1ACR为桥式电路正组晶闸管的门极触发,2ACR为桥式电路反组晶闸管的门极触发。系统使用1ACR的给定信号Ui1取反后作为2ACR的给定信号-Ui1,使得Ui1极性在正向和反向时均不变化,因此避免使用了反极性的电流检测器。该系统和核心部件包括一个无环流逻辑控制器DLC,它可以确保系统在正、反组桥导通切换过程中,不使两组晶闸管同时出发导通,即在一组晶闸管导通时,另一组晶闸管自动封锁,这样确保了系统无环流情况,避免出现短路放炮情况。
除上述的速度、电流调节器、无环流逻辑控制器DLC,还包括下列重要的控制单元,即ON/OFF控制单元、使能控制单元、给定值单元、斜坡发生器、电流限幅,以及励磁控制PI调节器、限幅单元等。
(四)直流电机弱磁控制
宣钢高线轧机主电机有三种型号规格,分别是550kW,基速800r/min,最高速度1200 r/min;650 kW,基速600 r/min,最高速度1200r/min:750kW,基速600r/min,最高速度1400r/min。高线生产工艺要求电机转速需要非常宽的调速范围要求,因此在轧钢生产中,调压调速和弱磁调速均需要用到。
上段已说到,直流电机的调速方式有两个阶段,第一阶段是全磁通条件下,改变电枢电压,电枢电压范围是零至额定电压,速度为零速至额定速度;如进一步提升速度,需要减小励磁,即减少励磁电流,那么电枢磁通逐渐减少,速度即进一步提升,在全磁通条件下,额定电压下的电机速度叫做基速,需要在增速,需要减少励磁电流,即弱磁调速。
以650KW电机为例,需要注意,速度调节器的比例环节系数P需要随电动势的减小而增大。电动势调节器的比例环节系数需要随着速度的增加而减小。
当电机运行速度在基速的95%以下时,即570r/min,电枢处于全磁通状态下,速度调节器比例环节系数P取值较小,系统机械特性较软,能够满足生产工艺和设备运行要求。
当电机运行速度超过基速的95%和超过基速,即大于570r/min并逐渐增大至1400r/min,在超过基速时,即大于600r/min,电机进行弱磁调速,电枢磁通需要逐渐减少,此时速度调节器比例环节系数P需要逐渐增大,增强系统机械特性以弥补电枢磁通减少引起的转矩减小。这样,通过在不同调速阶段下,调节速度调节器的比例环节系数P,可以满足宽范围的调速,满足生产工艺要求。
(五)PLC对直流电机的通讯与控制
直流电机电枢电压调节是通过外部晶闸管导通角进行调压,励磁调节通过6RA70控制箱调节内部晶闸管导通角来调节励磁电流,控制全部由6RA70控制箱内部控制板卡进行控制,控制参数存储于内部控制模块内,CUD1板上连接开关量和编码器信号对电机进行急停快停等控制及采集速度信号。
CUD1板上的CBP2通讯板通过Profibus-DP网络连接PLC,实现直流调试装置与PLC相互通讯,电机的合分闸信号、故障报警、实际速度和实际电流均通过此方式通讯,以达到对直流电机的控制。
三、结语