基于V—M系统的直流双闭环调速装置设计

邢永陈　蒋光峰

摘 要：双闭环直流调速系统在工程中应用极为广泛[1]。本装置采用V-M桥式可控整流电路作为主电路，由光电编码器检测直流电机转速构成速度反馈，霍尔电流传感器检测电枢电流构成电流反馈。使用ST公司STM32系列F407微处理器完成整个装置的控制，由微处理器产生触发脉冲信号，经驱动电路进行调速，大大降低了生产成本。实验证明，该装置能稳定运行传统双闭环PI算法，可驱动较大功率的电机。

关键词：V-M系统；双闭环调速；STM32

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2017）08-0146-02

Abstract：Double closed loop DC speed regulating system is widely used in engineering. The device adopts the V-M controlled bridge rectifier circuit as the main circuit， the photoelectric encoder detects the speed of the DC motor， constitutes the speed feedback， and the Holzer current sensor detects the armature current to form the current feedback. The use of the largest amount of ST company STM32 series F407 microprocessor to complete the entire device control， the trigger pulse generated by the microprocessor signal， the drive circuit for speed regulation， greatly reducing production costs. The experiment proves that the device can stably run the traditional double closed loop PI algorithm， and can drive larger power motors.

Key Words： V-M system； Double loop speed regulation； STM32

基于雙闭环调速系统的诸多优点，结合当前调速装置价格较昂贵的现状，文本设计了一种调速性能良好，成本较低的数字直流双闭环调速装置。本装置采用晶闸管主桥电路，可以驱动较大功率电机。电网同步检测电路未采用变压器方式隔离与同步，进一步减小了装置的体积和成本。采用数字触发方式相对于模拟触发，不仅使使装置上的电子元器件数量减少，而且触发精度和装置可靠性均因此大幅提高[2]。

1装置工作原理与硬件组成

系统框图如图1所示，虚线框起来的内容由数字微处理器实现，控制器及检测电路放在一块PCB上，晶闸管整流装置放在一块PCB上，这样设计的目的是为让使用者在主桥电路选择上有更多的自由，可以根据自身需要选择单相或三相，半桥或全桥。

1.1 电网过零检测

一般而言，常见的过零检测电路有三种类型：（1）用变压器隔离降压，成本较高，体积、重量较大[3]；（2）使用非线性光耦隔离检测，一般精度较低；（3）直接采用运放方式检测，需要独立供电。图2为直接采用运放方式的电网过零检测电路。

电路在工作过程，运放供电电压为单电源5V供电，电网电压大于0.7V时，运放两输入端电压被反向并联的二极管钳制在+0.7V左右，此时运放输出高电平（如果不是轨到轨运放，输出电压要低于电源电压）；当电网电压小于-0.7V时，运放两输入端电压被钳制在-0.7V左右，此时运放输出低电平；当电网电压在之间，此时二极管不起作用。简言之，运放工作在开环放大状态，输入电压大于0V（同向端电压大于反向端），运放输出为高电平；输入电压小于0V，运放输出为低电平。检测的精度取决于运放的输入失调电压（VOS）参数，一般运放的VOS均较小，采用常用的LM358即可完成高精度的过零检测。

此电路最大的优势是未使用同步变压器，不仅节约了成本，而且提高了相位检测精度（使用变压器不仅损失精度而且还产生相位偏移）。缺点是此电路的地有110V电压，因此需要单独的电源供电，并且输出需加光耦隔离（低速光耦LTP281即可）。调试出的同步信号波形，如图3所示。

1.2 晶闸管触发电路

采用桥式可控整流电路将交流转换为直流，控制晶闸管触发信号的延迟角，即可调节直流电机电枢电压。通过MCU软件编程直接输出触发脉冲，触发脉冲经ULN2003驱动输出到脉冲变压器，脉冲变压器接晶闸管的门极。产生的数字触发脉冲如图4所示。为了保护MCU，触发脉冲与功率放大电路之间加入光耦隔离。

1.3 转速与电流的检测

实验室直流电机额定参数：直流电动机：2.2KW 220V 12.5A1500RPM。考虑到电机的过载能力，选择ACS系列的ACS712-30作为电流检测芯片，该芯片基于霍尔感应的原理设计，由一个精确的低偏移线性霍尔传感器电路与位于接近IC表面的铜箔组成，电流流过铜箔时，产生一个磁场，霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、斩波与修正电路，输出一个电压信号，使用STM32F407的ADC进行测量，经过转换计算可得电流大小。

速度检测采用光电增量式编码器测速，编码器输出为A、B、Z三组方波脉冲，其中A、B两脉冲相位差相差90度以判断电动机的旋转方向，Z脉冲为每转一个脉冲以便于基准点的定位。编码器输出经高速光耦6N315隔离输入到MCU的I/O口。在实际调试过程中，发现编码器输入信号有一些尖峰的脉冲干扰信号，因此在光耦的输出级使用施密特反相器74LS14进行整形。

2转速、电流双闭环控制器设计

数字控制的双闭环直流调速系统的控制规律是靠软件来实现。运行在数字控制器中的软件有主程序、初始化子程序和中断服务子程序等。主程序完成键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其它外围设备通信等工作。数字触发脉冲产生、故障处理等在中断服务程序中实现。

为了验证装置是否能够可靠工作，我们编写了传统的基于PI算法的双闭环代码。电流检测周期为5ms，转速检测周期为20ms，控制周期为5ms，转速环输出限幅受电流环最大值限制，电流环输出限幅受电机最大给定电压限制。实验表明，装置能够长久稳定运行。

3上位机配套软件设计

为了便于观察数据，我们使用C#高级语言编写可视化上位机，与下位机通信底层采用UART协议，该协议在二进制数据流层面采用硬件进行奇偶校验，上层采用项目组自定义协议进行校验，数据格式如下：

0xAA 0x44 0xB0 0x04 0x01 0x02 0x03 0x04 0xEA

含義：

帧头 0xAA 0x44

数据类型 0xB0 （停车启动）

0xB1 （传感 器数据）

0xB2 （算法参数）

数据长度 0x04

校验和（checksum） 0xEA

上位机采集到的数据如图5所示。

从转速波形看，系统以最大加速度启动，转速很快稳定到设定值附近。

从电流波形看，稳态时电流有脉动，这是因为在搭接主桥时，为了接线简单，使用了4个晶闸管的单相全桥整流电路。如果采用三相全桥电流的脉冲应该会减小很多。

4结语

本文设计的以数字微处理器为控制核心的双闭环直流调速装置有着许多优点，由于速度给定和测速采用了数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速的范围，提高了测速控制系统的精度；硬件的高度集成化，使得零部件数量大大减少；由于很多功能都是由软件实现的，使硬件得以简化，因此故障率小，成本和体积也随之下降。

参考文献

[1]陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]潘庭龙，纪志成，沈学芹.三相全控桥CPLD数字触发器设计[J].控制工程，2006，（04）：394-396.

[3]姚正武. 晶闸管变流设备电源精确过零检测技术[J]. 电子器件，2014，37（06）：1256-1260.

[4]张新荣，徐保国. 单片机控制PWM直流双闭环调速系统设计[J]. 电气应用，2010，（16）：66-69.