数字化直流电流调节器设计

汪孔玉

摘要：目前起重机平移机构涡流调速系统中励磁电流控制为模拟量控制，精度差、无法显示工作状态。文章详细介绍了数字化直流电流调节器的设计、工作原理及使用方法。采用直流电流调节器涡流调速系统控制结构简单、工作可靠、安全性能好，适用于各种吨位的起重机平移机构调速控制。

关键词：起重机平移机构涡流调速系统；励磁电流控制；模拟量控制；数字化；直流电流调节器

中图分类号：TM773文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）04-0057-02

目前起重机平移机构涡流调速系统中励磁电流控制为模拟量控制，精度差、无法显示工作状态。本文介绍的数字化直流电流调节器特点是主回路采用晶闸管半控桥式整流电路，输出电流三个档位，每个档位分别可以电流设置，并输出电流显示，晶闸管脉冲触发等均采用单片机模块ATMEGA8，通过软件设置实现上述功能。

一、总体设计方案选择

（一）数字化直流电流调节器控制系统的组成

数字化直流电流调节器是涡流调速控制系统中的一个重要部件。通过改变和电动机同轴的涡流电机的励磁电流，改变平移电动机的速度。控制器采用电流闭环控制系统，输出电流可连续可调。

硬件电路以ATMEGA8单片机显示驱动片MAX7129及外部接口电路组成，该单片机内部功能非常强大，外部接口电路采用A/D，D/A转换器，运算放大器组成的比较电路及通过光耦采集的开关量信号，显示电路采用四位数码管在控制板上直接显示结构紧凑合理，可靠性高。

（二）数字化直流电流调节器装置控制原理

控制器采用了二相交流380V电压输入，通过L电抗器滤波消除高次谐波。二极管D1、D2和晶闸管SCR1、SCR2组成单相半控桥式整流电路。晶闸管和二极管采用半控桥模块，型号MCD56额定电流50A。

晶闸管由触发脉冲控制，通过单片机IC1产生触发脉冲，经功放模块A5、脉冲变压器模块A6电子线路组成的触发器去触发各个晶闸管，通过改变晶闸管的触发相位角，使输出电压从0V到额定电压连续可调。该装置是恒流源输出，调节回路采用电流调节器和电流负反馈构成的电流闭环调节系统，该系统全部由软件实现。电流检测回路采用霍尔元件，把电流转换成电压。霍尔元件起到弱电回路和强电回路隔离，保证使用安全、同时防止高电压串到低电压回路中。霍尔元件输出电压经运算放大器处理后，通过单片机内部A/D转换器转换成数字信号。通过数据处理程序完成电流反馈，电流显示及失磁保护等功能。电流输出分别有三独立输出的档位，每个档位输出电流0～25A连续可调，可通过按键设定。

（三）硬件电路的组成

该装置共有三个档位输出电流，通过按键直接设定。晶闸管触发脉冲由单片机输出，经脉冲功放片ULQ2003触发晶闸管。输出励磁电流、档位及故障显示采用单片机并通过数码管显示，并通过故障代码和工作状态的符号来显示。硬件电路以ATMEGA8单片机显示驱动片MAX7129及外部接口电路组成。档位信号通过光耦片CNY17-2隔离、电流反馈回路、运算放大器组成的比较电路及通过光耦采集的开关量信号，显示电路采用四位数码管在控制板上直接显示，结构紧凑合理，可靠性高。硬件结构框图如图1所示：：

1．主回路。主回路采用晶闸管半控桥式整流电路，晶闸管移相范围为0°～180°晶闸管触发脉冲通过单片机产生，经脉冲功放触发晶闸管。

2．电源部分。模块电源部分原理如图2所示。其中为±15V提供运算放大器电源，24V提供晶闸管模块电源触发电源，DC5V电源为单片机模块工作电源。

3．励磁电流检测。励磁电流检测励磁电流检测，本装置采用直流电流互感器将直流电流转换成电压，取样通过运算放大器输入单片机中，经内部A/D转换器成为数字信号，经数据处理程序显示励磁电流数值。该信号作为电流反馈数值构成电流闭环系统。

二、系统软件设计

（一）系统主程序设计

主程序完成系统的各种功能初始化操作，包括ATmega8的片内I/O寄存器、各种状态和标志位、各个控制数据等的初始化，然后循环定时执行速度环和电流环的计算，并完成键盘输入、显示扫描等各种功能。在该系统中，采用有效的算法能够计算所需要调节的参数的数值，精度高，可以随时显示。可以通过有效的软件算法来实现，可靠性高，并能够减少硬件开销，降低成本。由于某项功能的软件算法调试成功后可以无限次的使用，所以用软件算法实现的功能可以一劳永逸。在本系统中，故障判断、故障报警、故障代码显示等功能都用有效的算法。

数字化系统的控制精度和性能除了依赖于微处理器本身的处理能力和速度外，与软件算法的有效性有很大的关系，高效的算法也是保障系统高效运行的因素之一。本系统除了采用能够单周期指令处理的微处理器外，还精心设计了有效的软件算法，使系统能够高效运行。

（二）数字PID调节器程序设计

该装置采用PID电流调节器构成的电流闭环系统。在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。

ATmega8的PID控制器，包括一个完成算术和逻辑功能的ALU，以及一个存储状态变量和有关系数的存储器。其端口如下:RESET端口为复位端口，当RESET为高电平时，PID控制器复位，FSIGNIN为输入设定电流，HOSTINTERRUPT为主机请求信号，当此信号为“1”时，PID开始计算，为“0”时停止输出结果。PID控制器运行时，直流电流调节器有输出时，HOSTINTERRUPT信号发生变化时进行采样，然后与给定电流比较，

得到电流偏差，在设计中采用模块化设计。

三、系统测试

（一）三档输出电流调节

L1、L2接AC380V電源，电流调节器输出端接一个10Ω电阻片作为负载。控制回路输入AC220V电压使一档闭合，用按键选择一档电流设定，输出0～25A应连续可调。用同样方法调节二档和三档电流，输出应为0～25A连续可调。

（二）显示和故障报警部分测试

接通电流调节器输出一个电流，用电流表测量电流数值应与数码管显示的电流一致。把负载断开数码管闪烁显示FL失磁故障。

四、结论

通过以上分析可知，采用直流电流调节器涡流调速系统控制结构简单、工作可靠、安全性能好，适用于各种吨位的起重机平移机构调速控制。其缺点是有一定的涡流损耗，不利于节能，由于它控制简单成本低，目前在起重机调速系统中被广泛应用。

参考文献

[1] 康华光．电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，1994.

[2] 三恒星科技．AVR单片机原理与应用实例/单片机与DSP应用丛书[M]． 电子工业出版社，2009．

[3] 余永权，汪明慧．单片机在控制系统中的应用[M]．北京：电子工业出版社，2003．

（责任编辑：周加转）