基于STC12C5AxxS2單片機(jī)的起重機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

（青島市黃島區(qū)膠南大學(xué)一路青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青 島 2 66404）

隨著電力電子技術(shù)及交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展與成熟，起重機(jī)領(lǐng)域高性能的變頻調(diào)速和定子調(diào)壓調(diào)速正逐漸取代傳統(tǒng)調(diào)速的直流調(diào)速及交流串電阻調(diào)速等。變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍大、平滑性高、回饋電能等優(yōu)點(diǎn)，但變頻調(diào)速的電磁干擾會降低起重機(jī)整機(jī)的可靠性，變頻調(diào)速系統(tǒng)電子元器件多，控制信號是弱電信號，容易受到外界干擾，引起變頻器及控制系統(tǒng)誤動作，危及設(shè)備和人身安全，必須配有專用的變頻電源，使得設(shè)備價格貴，在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機(jī)的過載位數(shù)大為降低，甚至不能帶動負(fù)載。而定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性很硬，調(diào)速范圍大，速度的穩(wěn)定性和調(diào)速精度很高，定位方便，采用閉環(huán)控制時，既能提高低速時的機(jī)械特性硬度，又能保證一定的過載能力。相比變頻調(diào)速，定子調(diào)壓調(diào)速成本低、維護(hù)簡單。因此，本文針對起重機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速特點(diǎn)及優(yōu)勢，采用STC單片機(jī)設(shè)計出適用性強(qiáng)、低成本，高穩(wěn)定性的起重機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計

根據(jù)起重機(jī)的繞線電機(jī)采用星形聯(lián)結(jié)，起重電機(jī)主電路以晶閘管作為開關(guān)器件組成三相交流調(diào)壓調(diào)速主電路如圖1所示。該電路工作時，任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路，電流流通兩個晶閘管，所以觸發(fā)信號可以采用雙脈沖或?qū)捗}沖，相位相差120°，兩相間導(dǎo)通是靠線電壓導(dǎo)通的，而線電壓超前相電壓30°，因此觸發(fā)角α移相范圍為0~150°。同一相反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖相位相差180°，且觸發(fā)順序為VT1~VT6，相位依次相差60°。

圖1 三相交流星形聯(lián)結(jié)調(diào)壓調(diào)速主電路圖

起重機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的控制部分由主控制模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊和晶閘管觸發(fā)模塊三個模塊組成，模塊的主控制芯片都采用STC單片機(jī)，系統(tǒng)的控制方案框圖如圖2所示。主控制模塊主要負(fù)責(zé)電動機(jī)的運(yùn)行控制；轉(zhuǎn)速檢測模塊主要負(fù)責(zé)計算出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速并將計算結(jié)果提供給主控制模塊；晶閘管觸發(fā)模塊則主要負(fù)責(zé)將主控制模塊發(fā)送過來的控制信號轉(zhuǎn)換為觸發(fā)信號。因此，各模塊之間建立通信鏈路以便模塊相互協(xié)調(diào)工作，從而保證整個起重機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)的控制方案框圖

2 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)速檢測模塊設(shè)計

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行不同速度時，其轉(zhuǎn)子回路會產(chǎn)生不同頻率的感應(yīng)電動勢，本文通過檢測此感應(yīng)電動勢的頻率間接得出電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。但由于諧波的影響，轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)頻率相當(dāng)復(fù)雜，因此必須通過濾波電路將諧波去除，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電路圖

轉(zhuǎn)速檢測模塊主要集成了轉(zhuǎn)子頻率檢測電路，將采集的轉(zhuǎn)子頻率信號經(jīng)過限幅、隔離、濾波、放大后送入轉(zhuǎn)速檢測模塊，此模塊采用STC125C5A60S2單片機(jī)，單片機(jī)將此信號經(jīng)過處理后變換為當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速值，然后將該數(shù)值提供給主控制模塊。

2.2 晶閘管觸發(fā)模塊設(shè)計

晶閘管觸發(fā)模塊控制芯片采用STC125C5A602S單片機(jī)，包括晶閘管驅(qū)動電路、電壓檢測電路、過零檢測電路和晶閘管檢測電路，晶閘管驅(qū)動電路主要用來使晶閘管的門極產(chǎn)生一定的電壓信號，從而使晶閘管導(dǎo)通，電壓檢測電路則用來采集系統(tǒng)的電壓信號，將其經(jīng)過整流、濾波后送入單片機(jī)的A/D單元處理，用來監(jiān)視系統(tǒng)是否出現(xiàn)欠壓、過壓的情況，過零檢測電路則用來檢測電壓的過零點(diǎn)，為晶閘管的正確觸發(fā)提供保障，晶閘管檢測電路則用來檢測晶閘管的好壞與否。同時，晶閘管模塊也負(fù)責(zé)一些其他系統(tǒng)保護(hù)量的檢測，如過熱保護(hù)、快熔斷路保護(hù)等。

（1）電壓檢測電路

電壓檢測電路如圖4所示，采用的是霍爾電壓傳感器將電機(jī)的大電壓信號轉(zhuǎn)換為小電壓信號，然后通過全橋整流，將小電壓交流信號變換為直流信號供給單片機(jī)的A/D模塊檢測。

圖4 電壓檢測電路圖

（2）晶閘管檢測電路

晶閘管檢測電路如圖5所示，采用6N137高速光耦芯片進(jìn)行隔離。

圖5 晶閘管檢測電路圖

晶閘管兩端的電壓信號接入檢測電路，當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，晶閘管兩端的電壓為晶閘管導(dǎo)通壓降，該電壓太小，不足以使光耦中的發(fā)光二級管導(dǎo)通，所以光耦輸出為高；當(dāng)晶閘管沒有觸發(fā)信號還沒有被導(dǎo)通時，晶閘管兩端電壓為電源電壓，這樣光耦中的兩個二極管分別在正負(fù)半周期內(nèi)導(dǎo)通，從而使得光耦輸出為低。從而可以判斷出，當(dāng)晶閘管沒有觸發(fā)信號而輸出為低時，則說明晶閘管短路；當(dāng)晶閘管有觸發(fā)信號而電路輸出為低時，說明晶閘管斷路。

（3）過零檢測電路

對調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來說，要提高晶閘管觸發(fā)的可靠性，必須要有一個觸發(fā)的參考點(diǎn)，在此之上通過延時時間觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管，根據(jù)延時的時間不同，施加到電機(jī)的電壓也就不同，這樣就實現(xiàn)了調(diào)壓的目的。這個延時對應(yīng)的觸發(fā)角就是調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的觸發(fā)角度，一般設(shè)為0°。電壓過零檢測電路如圖6所示，采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離和電壓比較器LM393產(chǎn)生方波信號。

圖6 電壓過零檢測電路圖

（4）晶閘管驅(qū)動電路

為了使系統(tǒng)更可靠的工作，晶閘管觸發(fā)信號必須要有足夠的功率，觸發(fā)脈沖必須與主電路電源保持同步且要有一定的寬度，前沿要陡，觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足主電路的要求。晶閘管驅(qū)動電路如圖7所示，該電路的主要功能就是給晶閘管的門極和陰極提供一個觸發(fā)脈沖。當(dāng)IN端輸入為低電平時，三極管Q401和光耦O401導(dǎo)通，從而使三極管Q402的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，三極管Q402也導(dǎo)通，從而在驅(qū)動電路的輸出端輸出驅(qū)動信號。采用6個此驅(qū)動電路就可以分別控制晶閘管的導(dǎo)通角，實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。

圖7 晶閘管驅(qū)動電路圖

2.3 主控制模塊設(shè)計

主控制模塊主要集成了指令給定電路和電流檢測電路，其主要負(fù)責(zé)以下工作：

（1）負(fù)責(zé)系統(tǒng)中電流的檢測，通過主控制模塊中的A/D處理單元，將電流檢測電路送進(jìn)來的信號進(jìn)行計算處理，得出系統(tǒng)的電流值，確保系統(tǒng)沒有過電流，若電流超過設(shè)置警戒值，就進(jìn)入保護(hù)程序；

（2）接收主令開關(guān)給定的各種控制信號，識別各檔位的所代表的速度信息并進(jìn)入處理；

（3）接收轉(zhuǎn)速檢測模塊傳送過來的電動機(jī)當(dāng)前的速度信息，并將其與指令給定信息進(jìn)入比較，并進(jìn)入相應(yīng)的PI處理程序；

（4）將PI處理值處理后變換為0~10 V的電壓信號，將此電壓信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊送給晶閘管觸發(fā)模塊；

（5）綜合系統(tǒng)的各種控制量，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常工作。主控模塊的電路圖如圖8所示。

圖8 主控模塊電路圖

起重機(jī)工作時的電流是較大的交變電流，而單片機(jī)的A/D模塊只能檢測較小的直流信號，因此，必須用電流互感器將大的交流信號變換為較小的交流信號，為了便于檢測，本系統(tǒng)采用的是均值檢波電路。圖9為電流檢測電路，交流電流經(jīng)過橋式整流、變換、濾波、放大，將較小的交流信號變換為A/D模塊能夠檢測的信號。

圖9 電流檢測電路圖

另外，主控模塊指令給定由主令開關(guān)控制，包括上升/下降速度1（額定轉(zhuǎn)速的25%）、上升/下降速度2（額定轉(zhuǎn)速的50%）、上升/下降速度3（額定轉(zhuǎn)速的75%）、上升/下降速度4（額定轉(zhuǎn)速）和停止。單片機(jī)的I/O口的數(shù)量過少，因此硬件設(shè)計上采用兩片八位并行輸入/串行輸出移位寄存器74LS165進(jìn)行擴(kuò)展。為了保存系統(tǒng)的重要參數(shù)，在硬件設(shè)計上增加了電可擦除芯片AT24C02，以便系統(tǒng)能在突然掉電的情況下保存重要的數(shù)據(jù)。

3 通信系統(tǒng)設(shè)計

在通信系統(tǒng)的設(shè)計中，主控制模塊與轉(zhuǎn)速檢測模塊間的通信是通過兩個單片機(jī)的串行通信口進(jìn)行的。主控制模塊與晶閘管觸發(fā)模塊間的通信是通過串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX539來實現(xiàn)的。MAX539是一種采用5V單電源供電的低功耗電壓輸出型12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它具有接口簡單、轉(zhuǎn)換時間短、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，MAX539采用自校正結(jié)構(gòu)，其偏置電壓、增益和線性度等參數(shù)在出廠前均已微調(diào)，因此，無需其它外接元件與外部調(diào)整。如圖10所示為主控制模塊與晶閘管觸發(fā)模塊通信電路。

圖10 主控制模塊與觸發(fā)模塊通信電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行控制主程序由主控制模塊中的單片機(jī)負(fù)責(zé)，當(dāng)單片機(jī)通過I/O口識別到由主令開關(guān)給定的具體檔位時，主控制模塊將速度給定與轉(zhuǎn)速反饋值進(jìn)行比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的結(jié)果（0~10V）通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX539傳送給晶閘管觸發(fā)模塊，晶閘管觸發(fā)模塊通過該數(shù)值計算晶閘管的導(dǎo)通角，并在正確的時刻觸發(fā)，從而使電動機(jī)得到0~380V的電壓。起重機(jī)運(yùn)行控制程序的流程圖如圖11所示。

圖11 起重機(jī)運(yùn)行控制程序流程圖

另外，在運(yùn)行控制程序中還必須考慮以下問題：

（1）在給定檔位是上升檔時，如果負(fù)載比較重，則當(dāng)起重機(jī)剛啟動時，有可能出現(xiàn)溜勾的情況，因此，為了避免溜勾的產(chǎn)生，必須要在電磁包閘打開前先給電動機(jī)施加一定的電壓，使電動機(jī)形成一定的啟動力矩后再打開電磁包閘。

（2）在給定檔位是下降檔時，如果負(fù)載比較輕，則當(dāng)起重機(jī)啟動后，有可能出現(xiàn)由于負(fù)重鋼絲繩與機(jī)械設(shè)備之間的摩擦而使得負(fù)載下降緩慢的情況，這時為了使負(fù)載下降的速度與給定速度相等，電動機(jī)會反轉(zhuǎn)幫助負(fù)載下降，在電動機(jī)和負(fù)載重力的雙重推動下，下降速度又有可能超過設(shè)定的速度，這時又需要使電動機(jī)正轉(zhuǎn)來減慢負(fù)載下降的速度，在負(fù)載臨界狀態(tài)下，電動機(jī)有可能頻繁的進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換，這從整個調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來說是有可能出現(xiàn)的正?，F(xiàn)象。

（3）當(dāng)給定檔位是上升檔時，在起重機(jī)從較高速檔位向低速檔位調(diào)節(jié)時，如果負(fù)載比較輕，同時由于電動機(jī)的慣性的作用比較大，靠負(fù)載自身的重力減速過程太過緩慢，這時可使電機(jī)反轉(zhuǎn)，待電動機(jī)減至一定的速度時再恢復(fù)正轉(zhuǎn)并穩(wěn)定在低速檔位上。

（4）當(dāng)起重機(jī)在正常運(yùn)行過程中時，若出現(xiàn)突發(fā)故障，則會根據(jù)故障的不同采用延時停車或立即停車的處理措施，在延時停車的過程中，如果故障消失，則起重機(jī)再次恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文從起重機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特性出發(fā)，通過硬件電路設(shè)計及軟件系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)起重機(jī)較高的調(diào)速性能。該調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)與變頻調(diào)速相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實用、操作方便等特點(diǎn)。通過現(xiàn)場實驗及調(diào)試，起重機(jī)能夠在此控制系統(tǒng)下穩(wěn)定高效、安全可靠的運(yùn)行。

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