多分部纸机传动控制器的研究

2012-02-19陈景文

陕西科技大学学报 2012年4期

陈景文

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021)

0 引言

近年来，随着电子技术的不断发展，调速技术特别是交流调速技术在迅猛发展，其不断成熟、完善，性能越来越高，应用也越来越广泛.在造纸行业中，变频调速取得了很大的发展,但是，市场上变频器、直流调速控制器品牌众多，在同一厂家也是多种品牌共存，因此备品备件种类众多.在传动系统中变频器不同品牌之间能否替代成为众多厂家关注的问题.传统的方式是采用集成运算放大器构成模拟式速度链或伺服电动机联动速度链，其在运行时存在漂移、操作不便等缺陷.

智能式纸机多分部传动控制器是一种具有全数字化操作，并具有数字闭环功能.多分部纸机传动控制器用于各种类型的分部直流、交流变频传动速度同步控制系统中，自身实现闭环功能.解决了通用型变频器、直流调速器构成反馈闭环系统时需增加硬件，不同通用型变频器、直流调速器反馈元件不同，不能应用于同一控制系统中的矛盾.不受变频器品牌和产地的限制，不论开环和闭环可以任意组合，可以以不同型号变频器、直流调速器共同组成一套传动控制系统[1].

1 系统结构

速度链控制器系统结构如图1所示，它使用了双CPU系统控制结构，内有串行EEPROM用于参数的掉电记忆保存，设计时采用了开关电源及V/I转换芯片AD694等新技术新器件，用D/A实现A/D功能，降低系统硬件成本.其主要特点有以下几个方面.

图1 速度链控制器系统结构

(1)使用了双CPU的系统控制结构，解决了在要求实时快速运算控制系统中，单CPU 系统资源不够用或实时性差的矛盾.并用半字节通讯的方式实现了两个CPU间的信息传递，这一结构在国外产品中是常见的设计.

(2)使用了串行EEPROM及用D/A实现A/D的功能，使系统的参数能在线修改和掉电保持记忆.由于相同位数的D/A要比A/D便宜得多，用 D/A来实现A/D的功能，在满足系统精度的前提下大大降低了系统成本.

(3)设计采用了开关电源及集成V/I转换芯片AD694等新技术和新器件.使装置体积大大缩小，可靠性、稳定性提高.实测显示，输出电位稳定度在温度变化25～60℃度时，电流偏差小于5μA，时间稳定度在24h连续通电下检测偏差小于1/1000.

2 工作原理

本控制器设有两个独立的显示器，分别显示给定车速和实际车速，并可以根据用户的选择实现闭环或开环控制.其输入参数均由按键或数字端口输入，因而实现了全数字化操作.

控制器的两单片机(AT89C51)，采用分工协作工作方式.其中，一片主要完成现场的操作处理、闭环控制、转速输出的功能，把它称之为给定单片机.另一片主要完成参数设定、反馈的检测、给定与反馈车速的显示等功能，它被称作反馈单片机.

在开环运行时首先由反馈单片机把系统的功能参数发送给给定单片机，给定单片机实时检测现场操作台上的按钮状态(有速度增加、速度减少、紧纸、松纸、爬行/运行).如系统处于爬行状态，则给定单片机把爬行车速值送入D/A转换芯片，经V/I转换，变成标准的0～20mA或4～20mA的电流信号(用户可以选择)，输出到驱动器(变频器或直流调速装置)，其余操作无效.在运行状态时，给定单片机将根据相应操作(如车速增/减、紧纸/松纸)，作相应处理.把处理后得到的车速与从反馈单片机接受到的由键盘设置的车速求和后送D/A，以控制驱动器.同时给定单片机还将把速度调节量发送给反馈单片机，以便系统存储、记忆.

闭环控制时，根据需要调节PI参数值，同时还可以选择不同的速度反馈装置(如测速发电机、光电编码器等).如使用测速发电机，则要求把反馈信号处理成DC0～5V或DC0～10V的电压信号送给控制器，控制器将用12位D/A来完成模拟量到数字量的转换.如选用光电编码器作为速度反馈装置，可以由参数设定不同的脉冲数/每转，系统所能测量的最高频率为20kHz[2].

3 硬件系统设计

本控制器硬件系统大体可以分为电源、CPU、给定通道、反馈通道、现场操作输入、参数记忆、显示等7个部分，结构框图如图2所示，下面将分别加以介绍.

3.1 CPU

本设计使用了双CPU(AT89C51)结构，它与8031等其它类型的51系列单片机完全兼容，并且内部有4KB的EEPROM.虽然用一个CPU也能实现系统的功能，但由于I/O量较多、程序较大，因此要扩展I/O接口及程序存储器，增加了硬件的复杂性，同时也降低了系统工作的可靠性和实时性.另外，从价格来看，一片89C51芯片比一片并行I/O芯片8255还要便宜(这里还未计算扩展程序存储器的价格).两CPU间用并行半字节的形式进行通讯，由于两CPU在同一电路板上，因此受外部干扰的机率较小，用并行通讯的方式可以提高通讯的速度.从功能来看，两CPU(给定单片机、反馈单片机)将各完成不同的工作，前面已经叙述，这里不再重复.

图2 硬件系统结构框图

3.2 给定通道

这一部分电路包括DAC1210、运算放大器、AD694等.主要完成从数字量到模拟量的转换及电压/电流的转换.综合考虑纸机对车速精度的要求及驱动器(以变频器为例)对给定频率的分辨率等因素，在设计中选用了12位D/A芯片DAC1210(分辨率为1/212=1/4096)，其受给定单片机控制.由该单片机定时对DAC1210的数据进行更新(该数据为给定车速).DAC1210的输出经运算放大器后为DC0～10V的电压信号.虽然，该信号也可以直接输出去控制驱动器的频率，但从抗干扰方面考虑，电流信号要比电压信号强；另外从标准信号来考虑，如现在的Ⅲ型仪表的输入、输出均为标准的0(4)～20mA电流信号.鉴此，我在设计中使用了V/I转换电路，把DC0～10V的电压信号转换成0～20mA或4～20mA的标准电流信号.在这里我使用了V/I转换芯片AD694.通过实验，该芯片与一般用运算放大器及复合三极管所构成的V/I转换电路相比，其受温度等因素的影响较小，可靠性较高.

3.3 反馈通道

该部分电路主要包括模拟反馈输入、数字反馈输入、反馈量的输出等部分，对于反馈量的输出电路与给定通道相同，这里不再重复.

3.3.1模拟反馈输入(用于测速发电机反馈类型的调速系统)

这部分是设计的重点内容之一，从电路的可靠性、经济性等多方面考虑.采用了一种较为先进的用D/A实现A/D功能的技术，其工作过程如下：

模拟反馈信号Vf(DC0～5V或DC0～10V)与反馈单片机送给DAC1210的数字量经转换后所得的电压Vi相减得△V，并加在一比较器的输入端.其可能出现3种情况即△V>0、△V=0、△V<0，对应于比较器的输出也有三种状态，即正、零、负，用二极管钳位，将负电平去掉，输入到单片机的信号为0、1，即对应比较电压△U>0和△U≤0.由于比较器相当于开环放大器，△U=0的情况几乎不存在.通过软件对上述两种状态的检测结果，对D/A数据进行调整，稳态时实际对应的比较器输出为一系列脉冲，因此A/D变换的理论精度为±1个字.

3.3.2数字反馈通道

对于光电编码器、脉冲测速机类型的反馈信号则有该部分电路输入到反馈单片机.它包括隔离电路和整形电路两部分.

3.4 参数记忆部分

在设计中使用了串行EEPROM芯片93C46，其中有128字节.该控制器保存参数不多(15个)，按每个参数两个字节计算，只需30个字节，因此一片93C46完全能满足要求[3].

使用该芯片一是从价格考虑，另一考虑是该芯片的读、写、擦除操作均要发送一串行代码，如写操作格式如下：

可以看出与一般的并行EEPROM(如2846)相比，其抗扰性能要好得多.在上电或断电时，可能一个干扰脉冲就可能使2864中存放的数据丢失或被改写；而对93C46则需一串与写命令完全相同的脉冲，这种可能性是不大的.

3.5 其他部分

3.5.1电源

在设计中，采用了自激储能式开关电源电路，其主要优点在于线路简单、元件少、效率高、体积小.与同等功率的工频电源相比体积减少1/3以上.从实验测得的数据看，交流侧电压在110～270V范围内变化，控制器均能正常工作.

3.5.2现场操作输入

通过隔离把现场信号(速度增、速度减、紧纸、松纸)输入到给定单片机，同时要送给下一级，从而实现级联[4].

3.5.3显示

采用七段LED数码显示，其中包括两个4位显示器，一个显示给定车速及设参时显示参数值；另一个显示反馈车速，设参时显示参数代码.在显示车速时，当车速小于100m/min时，显示的最小分辨率可以为0.01m/min；当车速大于100m/min时，显示的最小分辨率为0.1m/min.

4 软件系统设计

(1)从系统的功能来看，给定单片机的主程序主要完成通讯、数字采集、PI运算等功能.反馈单片机的主程序主要完成参数设置、通讯、反馈车速计算等功能.

(2)系统参数，目前共设计15个参数，在设置参数时从显示器上可以看到参数的代码和参数值.每一个参数都包括代码、含义、范围、缺省值等.如车速系数，其代码为01，设定范围为0.00～62.00，系统缺省值为15.62.

(3)参数设定，以设定05(爬行车速)为例，把原值50.00m/min改为60.00m/min.

按下PRG键,显示xxxxxx参数值参数代码

按▲或▼键找到所要设定的参数代码,显示按ENT键开始设参此时显示5000055005SC05

按▲或▼键把参数调整到所需的值,显示6000SC05

按ENT键确认参数,系统自动显示下一个参数的内容;如取消设定按PRG键即可.xxxx06

5 应用实例

将所设计的控制器应用于15个传动点的文化纸机中，可以容易的实现整个系统的速度链控制，联动点的负荷分配控制、爬行/运行控制、同步启停控制等功能，以其中的主传动点伏辊(如图3)为例说明控制器如何实现和变频器的接线连接来完成传动点的控制功能.

图3中除了基本的低压电器的接线外，核心线路是控制器和变频器的联接，控制器与变频器间的信号传输通过模拟量端口AI1+、AI1-和AI2+、AI2-来实现，纸机传动点所要求的启动、停止、加速、减速、紧纸、松纸和爬行/运行等控制动作都是控制器按钮发出，模拟信号传送给变频器控制电机的运行状态来满足实际的需要.为了提高控制精度，控制系统还采用了转速闭环控制，将脉冲编码器的检测信号送给控制器做比较处理后进一步输出高精度信号控制变频电机的运行[5].

传动控制器上的各端口信号定义如下：P2-02、03为电源输入接口，为控制器引入外部220V交流电源，P3-04、05、06、07、08、09为数字输入端口，通过P3-04的高电平信号端口提供电平信号，与哪一个端口接通，即此端口置“1”，执行定义动作，P3-03、10、11、12、13和P4-01为通讯端口，和其他的控制器接线后完成通讯控制，P4-02、03为编码器接口，引入编码器的检测信号.