基于单片机直流大功率调速系统设计

蔡七林

摘 要：在信息化、智能化高速发展的时代，各大3C产线充分利用智能制造和自动控制技术，使企业产品高速、优质产出。特别是在自动化生产线中，调速系统的稳定性和效率决定了一个企业的生产效率和能否提供优质服务的一项重要保障。本设计是关于设计一套直流大功率调速系统用于旧流水线系统的升级改造。通过设计两个部分来保障生产效能的提高：一部分是大功率直流开关电源，另一部分是自动控制器，最终成功改造给工厂提高50%生产效率，大幅度提高了公司的综合竞争实力。

关键词：直流大功率调速系统 电路设计 程序设计

1 绪论

1.1 课程设计背景及目的

随着国家智能制造2025的发展号召的响应，越来越多的人投身到了智能制造产业中去。智能制造涉及到了机电控制方面的诸多内容，比如说机器人的应用、自动化生产线的应用、智能制造在3C行业中的应用等。决定其生产效率的主要是靠其调速系统的稳定性、可靠性及效率来决定的。

本设计是关于设计一套直流大功率调速系统用于旧流水线系统的升级改造。通过设计两个部分来保障生产效能的提高：一部分是大功率直流开关电源，另一部分是自动控制器，最终成功改造给工厂提高50%生产效率，大幅度提高了公司的综合竞争实力。

1.2 PID算法

PID算法是微机化控制的一部分，这种算法主要通过分析偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）之间的变化规律从而进行的调节控制的一种说短，根据首字母为了方便大家记忆把它称为PID控制。通过试验和实践检验PID控制算法能够适应很多工业应用场所。本文主要对模拟PID和数字PID进行举例说明。

1.2.1 模拟PID

在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图1所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。

PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差：

=－                       （1.1）

通过对PID三个影响因素进行监控和有机组合得出一定的控制规律，再根据的出的规律对控制对象进行一定的控制。通过一定的组合就得到了P调节器，PI调节器和PID调节器。

模拟PID调节器的控制规律为

（1.2）

其中，是比例系数，是积分时间常数，是微分时间常数。

简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：

（1）比例环节：主要是对控制系统的偏差进行监控并且把检测结果进行反馈，根据反馈结产生抑制效果，从而达到减少偏差的变化，进一步提高系统的灵敏度。

（2）积分环节：主要是根据时间常数的变化来起作用，它与积分时间常熟成反比。

（3）微分环节：通过检测偏差的变化频率，在偏差信号未超出可控范围之内，产生一个修正信号，及时精准对系统参数进行修正，从而提高修正效率，高效保证工作效率。

由式1.2可得，模拟PID调节器的传递函数为

（1.3）

本文的关注重点是在如何在实际应用过程中数字PID算法给工业应用中带来便利和收获，而模拟PID则关注的比较少，而且工业应用中这种模拟只在技术研发前期会用到，对一一般企业则融入较少，所以这里就对这两种途径进行一些描述。

1.2.2 数字PID

在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。通过电脑仿真软件对控制规律进行计算，计算过程中采用数字化控制手段对电脑能够识别的数字进行记录和分析，再把结果进行仿真，但是由于电脑的局限性不能对连续的控制公式进行直接计算得出准确结果，锁我我们要对得到的规律采用一种新的计算方法进行计算。把模拟控制的规律代入（1.2）进行离散化采样数据，我们把图1.1中、、、在第n次采样时的到的数据分别记录为、、、表示，所以式（1.1）就可以写成 ：

=－                      （1.4）

当采样周期T很小时可以用T等效替换，可用等效替换，“积分”用“求和”等效替换，从而得到了等效的式子

（1.5）

（1.6）

通過进步计算，式（1.2）就可以离散化转换为下面的差分方程

（1.7）

其中是偏差为零时得到初值，如果上式中的比例控制起主要作用，就把它称为比例（P）项，即

（1.8）

如果是积分控制起主要作用作用，我们就把它称为积分（I）项即

（1.9）

再如果说是微分控制起主要作用，我们就称为微分（D）项即

（1.10）

这几个模块的功能都可以可单独使用（但是一般情况下微分作用不做单列）或合并使用，比较常见的组合模式有：

P控制：          （1.11）

PI控制：

（1.12）

PD控制：

（1.13）

PID控制：

（1.14）

式（1.7）的輸出量为全量输出，它对于被控对象的执行机构每次采样时应达到的位置进行监测和控制，所以其的又称为位置型PID算法。从上可以看出这种算式会给工作中造成很多麻烦，不仅要占用大量的内存还个程序的优化调整设置了很多障碍，所以我们必须对现有条件进行改造。

把u（n-1）带入上式就可以得到

（1.15）

为了得到即得数字PID增量型控制算式将式（1.7）和式（1.15）相减得到了

（1.16）

最终化简后的到数字PID位置型控制算式为

（1.17）

其中：比例增益；

积分系数；

微分系数[1]。

位置型和增量型数字PID控制的原理如下所示

1.3 设计要求

利用谐波半桥拓扑原理实现直流电源的输出。整个电源要有整流、滤波、开关、变压、整流、稳压恒流、滤波几个环节。

2 直流大功率调速系统总体设计过程

2.1 系统大功率直流开关电源硬件设计

本系统电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的开关电源装置，输出功率300W，体积小功率密度高，我选择受用美国NCP1396A作为电源管理器，利用谐波半桥拓扑原理实现交流变直流。开关电源系统需要整流模块、滤波模块、开关、变压模块、稳压恒流模块有效配合才能达到预期的目标。电源电路设计原理图见下图。

其中：

（1）整流电路：把交流电转变成直流电。

（2）滤波电路：去除直流电路中的杂质，从而获得纯净的直流电。

（3）开关电路：开关MOS管Q1、Q2通过IC的控制进行关断或者导通。

（4）变压电路：通过变压器把高频开关锁存的能量传递到次级。

（5）整流电路：通过D12＼13＼14＼15进行全桥整流。完成输出端交直流转化。

（6）稳压恒流电路：通过TL431和RS1达到恒流稳压的效果。

选择电源变压器

1）确定谐振周期fr=50KHz

Tr=2π

2）最小初级电压

Vpmin=（0.6Vdcmin）/2

3）T1匝比的确认

Np/Ns=（0.6Vdcmin）/2*（Vo+2）

4）MOS管的电流平均值

I=2Ips/π*0.5+2Ips/4π*0.5

5）根据电流平均值计算次级的值

Ips=0.8*π*Io

Ipp=0.8*π*Io*Ns/Np

6）变压器的电压值

Vap=Vdcmin/2+0.6Vdcmin/2

7）首个谐振脉冲的峰值

Ipp=Vap/

即=Vdcmin*（Np/Ns）/π*Iodc

2.2 设计优势及保障措施

（1）抗静电及雷击

隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到输入端防雷单元上，由于隔离单元的防雷元器件和TVS瞬态吸能器件作为报告，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护的作用。

（2）增加反射波干扰电信号，因为信号在传输过程中会通过电路中的中间元器件，利用这些元器件的自由特性，他们可以使传输信号在传输的时候存在一定的滞后性，这种滞后性的存在正好可以增加信号的传输时间，大大的降低噪声对电路的影响。

（3）PCB板制作中主回路地和控制回路地的分隔，起到增加稳定性。

2.3 自动控制器设计

采用 STC12C5604单片机作为核心处理器控制器硬件采用光电隔离控制，确保控制信号不对电源产生干扰，从而保证了系统的稳定可靠性，硬件电路图如下：

3 程序设计

为了满足设计及控制要求。根据要求编写相关控制程序。以下是部分软件代码：

void time0（void） interrupt 1

{

TR1=0;

CRT=！CRT;

if（POWER==0）

{

delaydata++;

if（delaydata==12000）

{

delaymin++;

delaydata=0;

if（delaymin==275）

{delayhour++; delaymin=0;}

if（delayhour==4）

{POWER=！POWER;delayhour=0;delaymin=0;delaydata=0;}

}

}

if（POWER==1||fcc）

{

so1=1;

TH0=0xfe ;

TL0=0x0c ;

}

else

{

TH0=H0 ;

TL0=L0 ;

TH1=H;

TL1=L;

so1=0;

TR1=1;

}

if （LEDDATA<10）

LEDDATA1=0;

else

LEDDATA1=LEDDATA/10;

if（POWER==1）

{LEDDATA2=0; LEDDATA1=0;}

else

LEDDATA2=LEDDATA;

if（CRT==0）

{LEDA1=0;LEDA2=1;P1=SEG7[LEDDATA1];}

if（CRT==1）

{LEDA1=1;LEDA2=0;P1=SEG7[LEDDATA2%10];LED=！fcen;}

}

void change（）

{

if（keyen1==1）

{

while （PWM

{

PWM=PWM+SPEED;

H=（65536-PWM）/256;

L=（65536-PWM）%256;

delay（CS）;

}

}

if（keyen2==1）

{

while （PWM>TEMP）

{

PWM=PWM-SPEED;

H=（65536-PWM）/256;

L=（65536-PWM）%256;

delay（CS）;

}

}

}

4 系統调试方法及结果

本系统电源在220V/50HZ电压条件下进行调试。具体调试测试点如下：

（1）IC供电VCC测试：电源接入输入电源和输出负载后，用示波器测试IC供电电源是否稳定在15VDC。

（2）变压器电流测试：采供绕线隔离电流测试方法，运行RUN，将隔离后的感应电流转化成电压后输入示波器观察，记录开关频率，电流峰值，正弦波平均幅值，确认在设计范围内可行。

（3）输出电压测试：测试输出电压值，在24V稳压输出条件下，输出电压纹波值小于100mV。

（4）输出电电流测试：测试输出电流恒流稳定，在10A恒流输出条件下，输出电流纹波值小于50mA。

（5）输出负载能力测试：在200W负载条件下，测试输出带载能力，保证输出电流恒定。

（6）整机能效测试：在200W负载条件下，测试整机效率大于88%。

（7）控制器调试：人机设定进入智能模式，模拟传感器进入触发模式，测试系统是否可以智能调速，且在调速过程中无抖动现象。人机设定退出智能模式，人工按下按键，测试亮度调节过程是否正常且调节过程无抖动现象。

5 总结

本文针对自动化生产线中的调速系统的改造升级，设计设计一套直流大功率调速系统用于旧流水线体进行升级改造。通过设计两个部分来保障生产效能的提高：一部分是大功率直流开关电源，另一部分是自动控制器。通过完成设计的调试得到如下结论：

1）为了提高生产效率，增强公司的综合竞争实力，科学合理设定系统的大体设计方案。

2）对调速系统硬件及软件进行系统设计。

3）对调速系统进行运行及调试，最终能满足设计要求，为公司提高50%生产效率。

参考文献：

[1]贺令辉.电工仪表与测量.3版.一北京：中国电力出版社，2015.3（2016.5重印）“十二五”职业教育国家规划教材ISBN 978-7-5123-6751-7.

[2]张志良.电工与电子技术基础.少学时.一北京.机械工业出版社、2017.1全国高等职业教育“十三五”规划教材ISBN978-7-111-55779-1.

[3]王廷才.变频器原理及应用.-3版.一北京：机械工业出版社，2015.2（2015.2重印）普通高等教育“十一五”国家级规划教材高等职业技术教育机电类专业规划教材机械工业出版社精品教材ISBN 978-7-111-48488-2.

[4]殷淑英.传感器应用技术.一北京：冶金工业出版社，20087ISBN 978-7-5024-4684-0.

[5]金明.电子测量技术/于宝明-2版—北京.高等教育出版社，2015.3ISBN 978-7-04-041679-4.

[6]胡幸鸣.电机及拖动基础一3版.一北京：机械工业出版社，2014.9（2015.8重印）“十二五”职业教育国家规划教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材教育部高职高专规划教材ISBN 978-7-111-47655-9.

[7]张明海，王夕英.电工电子技术一北京：人民邮电出版社，2009.10中国职业技术教育学会科研项目优秀成果.高等职业教育“双证课程”培养方案规划教材.机电基础课程系列ISBN 978-7-115-20560-5.

[8]刘守义，杨宏丽.单片机应用技术.一3版.一西安：西安电子科技大学出版社，2013.8高职高专系列规划教材ISBN978-7-5606-3114-1.

[9]曹凤.先进制造技术.-北京：科学出版社，2014（高等职业教育“十二五”规划教材）ISBN 978-7-03-040174-8.

[10]王莉，张欣.电工电子技术应用.一北京：科学出版社，2015（“十二五”职业教育国家规划教材·经全国职业教育教材审定委员会审定·全国高等职业教育制造类专业系列规划教材）ISBN 978-7-03-042982-7—CP1H系列性价比更优越[J].国内外机电一体化技术，2005（04）：10-11.