Siemens 6SC6101-3A-Z隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，直流電機(jī)測(cè)控逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。完全由硬件電路實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，電路復(fù)雜，調(diào)整困難且可靠性不高，缺乏控制的靈活性。在工業(yè)控制中，按偏差的比例P、積分I和微分D進(jìn)行控制的PID調(diào)節(jié)器現(xiàn)在得到廣泛的應(yīng)用。在小型微型計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過程以前，連續(xù)過程系統(tǒng)中采用的氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)的PID調(diào)節(jié)器幾乎占?jí)艛嗟匚?。由最?yōu)控制理論可以證明，它能適應(yīng)不少工業(yè)對(duì)象的控制要求。單片機(jī)控制技術(shù)不斷發(fā)展，特別是軟件PID算法控制器的使用，代替了原來很多的硬件PID調(diào)節(jié)器，在工業(yè)控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中得到了更加廣泛的應(yīng)用。基于軟件PID算法控制器和硬件PWM技術(shù)的直流電機(jī)測(cè)控技術(shù)正向數(shù)字化、智能化、高可靠性發(fā)展。
Siemens 6SC6101-3A-Z系統(tǒng)硬件組成直流電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)如所示。本系統(tǒng)是以Cygnal C8051F020為核心所組成的閉環(huán)實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，是一個(gè)典夠?qū)崿F(xiàn)速度預(yù)置、轉(zhuǎn)速顯示，并能對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確測(cè)控。
霍爾測(cè)速電路產(chǎn)生的采樣脈沖送外部中斷，通過計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而算出轉(zhuǎn)速。將這個(gè)轉(zhuǎn)速值與預(yù)置轉(zhuǎn)速值比較，得出差值。C8051通過對(duì)該差值進(jìn)行PID運(yùn)算，得出控制增量，再由C8051輸出控制參數(shù)，由PWM電路改變電機(jī)兩端的有效電壓，最終達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。
直流電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)原理圖鍵盤和顯示電路采用了串行接口的7279控制電路。
在功能鍵盤上輸入控制命令，電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示在七段碼顯示器上。
PWM控制器方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。
p%Ms控制器由pwM波開形發(fā)生器和pwm延時(shí)保護(hù)t與功放電路組成。系統(tǒng)中測(cè)速部分使用了定時(shí)器T0，如果PWM波形發(fā)生也由C8051產(chǎn)生將會(huì)加大軟件的任務(wù)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制效果。因此由外部電路產(chǎn)生PWM的波形，而C8051只提供控制參數(shù)來改變脈寬占空比，達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)控。PWM波形發(fā)生器如所示。
輸出脈沖的周期和頻率可以計(jì)算出轉(zhuǎn)速。為了提高對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)盤上均勻固定多塊磁鋼，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器將會(huì)產(chǎn)生多個(gè)脈沖，通過軟件計(jì)算可以精確測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。
由于霍爾傳感器輸出的脈沖波峰小、波形邊沿不完整，采用施密特觸發(fā)器電路對(duì)脈沖整形后輸出到C8051外部中斷INTO，施密特觸發(fā)器輸入輸出波形如所示。
u.本PWM波形發(fā)生器中U1是一個(gè)10位的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端CP接C8051晶振的XTAL2端。本系統(tǒng)中采用的主頻為12MHz的晶振，經(jīng)過U1分頻后得到PWM波形頻率級(jí)聯(lián)。U2的人>Bout端接一個(gè)過零比較器，其輸出為PWM波，PWM波的脈寬可以通過從P0口輸出數(shù)值改變。
PWM波輸出負(fù)載能力過小，不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此我們采用了雙極型脈寬調(diào)制功率放大器?？紤]對(duì)大功率晶體管從導(dǎo)通到飽和需要有一定的時(shí)間，防止所有的功放管同時(shí)導(dǎo)通，因此采用用幾塊門電路實(shí)現(xiàn)邏輯延時(shí)、連鎖保護(hù)電路。同時(shí)為了使電機(jī)安全工作，在電機(jī)兩端并接了電阻和電容，電阻值和電容的大小與電機(jī)參數(shù)以及PWM波形頻率有關(guān)，可以通過計(jì)算得出。
L2霍爾檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用的參數(shù)，轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，霍爾開關(guān)傳感器的應(yīng)用就是其中之一?；魻栭_關(guān)傳感器是由半導(dǎo)體材料制成，其輸出電壓與外磁場(chǎng)大小成正比。由于其體積小、無觸點(diǎn)、動(dòng)態(tài)性能好且使用壽命長，在測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)中采用了美國SPRAGUE公司生產(chǎn)的3000系列霍爾開關(guān)傳感器。
根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)盤邊沿，磁鋼隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)附近相對(duì)轉(zhuǎn)軸靜止的位置安裝一個(gè)霍爾開關(guān)傳感器，霍爾傳感器應(yīng)在磁鋼磁場(chǎng)有效范圍內(nèi)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，霍2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)基于CygnalIDE集成開發(fā)環(huán)境和KeilC51語言。本系統(tǒng)主要模塊有主程序、INT0中斷子程序、T0中斷子程序、PID算法子程序和顯示鍵盤處理子程序。主程序進(jìn)行一系列的初始化后轉(zhuǎn)入“PWM驅(qū)動(dòng)、鍵盤控制處理、調(diào)顯示”循環(huán)等待中斷；外部中斷INT0中斷服務(wù)子程序?qū)魻栯娐份敵龅霓D(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)；T0產(chǎn)生50ms定時(shí)中斷，T0中斷服務(wù)子程序?qū)χ袛啻螖?shù)計(jì)數(shù)，每20次中斷（1秒）讀出轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)值，計(jì)算出轉(zhuǎn)速n次/s并送顯示緩沖區(qū)。同時(shí)調(diào)用PID子程序?qū)y(cè)試轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行差值計(jì)算，得出控制參數(shù)，并由P0口送到PWM控制器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。在DDC系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)取代了模擬調(diào)節(jié)器，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)，時(shí)間上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)，筆者將著重解決PID算法及其實(shí)現(xiàn)。
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