基于STC12C5AxxS2单片机的起重机调压调速控制系统设计

2013-02-18

装备制造技术 2013年7期

（青岛市黄岛区胶南大学一路青岛港湾职业技术学院，山东青岛 2 66404）

随着电力电子技术及交流变频调速技术发展与成熟，起重机领域高性能的变频调速和定子调压调速正逐渐取代传统调速的直流调速及交流串电阻调速等。变频调速具有调速范围大、平滑性高、回馈电能等优点，但变频调速的电磁干扰会降低起重机整机的可靠性，变频调速系统电子元器件多，控制信号是弱电信号，容易受到外界干扰，引起变频器及控制系统误动作，危及设备和人身安全，必须配有专用的变频电源，使得设备价格贵，在恒转矩调速时，低速段电动机的过载位数大为降低，甚至不能带动负载。而定子调压调速系统的机械特性很硬，调速范围大，速度的稳定性和调速精度很高，定位方便，采用闭环控制时，既能提高低速时的机械特性硬度，又能保证一定的过载能力。相比变频调速，定子调压调速成本低、维护简单。因此，本文针对起重机定子调压调速特点及优势，采用STC单片机设计出适用性强、低成本，高稳定性的起重机定子调压调速控制系统。

1 系统方案总体设计

根据起重机的绕线电机采用星形联结，起重电机主电路以晶闸管作为开关器件组成三相交流调压调速主电路如图1所示。该电路工作时，任一相导通须和另一相构成回路，电流流通两个晶闸管，所以触发信号可以采用双脉冲或宽脉冲，相位相差120°，两相间导通是靠线电压导通的，而线电压超前相电压30°，因此触发角α移相范围为0~150°。同一相反并联晶闸管触发脉冲相位相差180°，且触发顺序为VT1~VT6，相位依次相差60°。

图1 三相交流星形联结调压调速主电路图

起重机调压调速系统的控制部分由主控制模块、转速检测模块和晶闸管触发模块三个模块组成，模块的主控制芯片都采用STC单片机，系统的控制方案框图如图2所示。主控制模块主要负责电动机的运行控制；转速检测模块主要负责计算出当前电机的转速并将计算结果提供给主控制模块；晶闸管触发模块则主要负责将主控制模块发送过来的控制信号转换为触发信号。因此，各模块之间建立通信链路以便模块相互协调工作，从而保证整个起重机调压调速系统的正常运行。

图2 系统的控制方案框图

2 系统模块电路设计

2.1 转速检测模块设计

当电机运行不同速度时，其转子回路会产生不同频率的感应电动势，本文通过检测此感应电动势的频率间接得出电机的实际转速。但由于谐波的影响，转子中的感应频率相当复杂，因此必须通过滤波电路将谐波去除，电机转速检测电路如图3所示。

图3 电机转速检测电路图

转速检测模块主要集成了转子频率检测电路，将采集的转子频率信号经过限幅、隔离、滤波、放大后送入转速检测模块，此模块采用STC125C5A60S2单片机，单片机将此信号经过处理后变换为当前电动机的转速值，然后将该数值提供给主控制模块。

2.2 晶闸管触发模块设计

晶闸管触发模块控制芯片采用STC125C5A602S单片机，包括晶闸管驱动电路、电压检测电路、过零检测电路和晶闸管检测电路，晶闸管驱动电路主要用来使晶闸管的门极产生一定的电压信号，从而使晶闸管导通，电压检测电路则用来采集系统的电压信号，将其经过整流、滤波后送入单片机的A/D单元处理，用来监视系统是否出现欠压、过压的情况，过零检测电路则用来检测电压的过零点，为晶闸管的正确触发提供保障，晶闸管检测电路则用来检测晶闸管的好坏与否。同时，晶闸管模块也负责一些其他系统保护量的检测，如过热保护、快熔断路保护等。

（1）电压检测电路

电压检测电路如图4所示，采用的是霍尔电压传感器将电机的大电压信号转换为小电压信号，然后通过全桥整流，将小电压交流信号变换为直流信号供给单片机的A/D模块检测。

图4 电压检测电路图

（2）晶闸管检测电路

晶闸管检测电路如图5所示，采用6N137高速光耦芯片进行隔离。

图5 晶闸管检测电路图

晶闸管两端的电压信号接入检测电路，当晶闸管被触发导通时，晶闸管两端的电压为晶闸管导通压降，该电压太小，不足以使光耦中的发光二级管导通，所以光耦输出为高；当晶闸管没有触发信号还没有被导通时，晶闸管两端电压为电源电压，这样光耦中的两个二极管分别在正负半周期内导通，从而使得光耦输出为低。从而可以判断出，当晶闸管没有触发信号而输出为低时，则说明晶闸管短路；当晶闸管有触发信号而电路输出为低时，说明晶闸管断路。

（3）过零检测电路

对调压调速系统来说，要提高晶闸管触发的可靠性，必须要有一个触发的参考点，在此之上通过延时时间触发导通晶闸管，根据延时的时间不同，施加到电机的电压也就不同，这样就实现了调压的目的。这个延时对应的触发角就是调压调速系统的触发角度，一般设为0°。电压过零检测电路如图6所示，采用高速光耦6N137进行隔离和电压比较器LM393产生方波信号。

图6 电压过零检测电路图

（4）晶闸管驱动电路

为了使系统更可靠的工作，晶闸管触发信号必须要有足够的功率，触发脉冲必须与主电路电源保持同步且要有一定的宽度，前沿要陡，触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求。晶闸管驱动电路如图7所示，该电路的主要功能就是给晶闸管的门极和阴极提供一个触发脉冲。当IN端输入为低电平时，三极管Q401和光耦O401导通，从而使三极管Q402的发射结正偏、集电结反偏，三极管Q402也导通，从而在驱动电路的输出端输出驱动信号。采用6个此驱动电路就可以分别控制晶闸管的导通角，实现电机的调压调速。

图7 晶闸管驱动电路图

2.3 主控制模块设计

主控制模块主要集成了指令给定电路和电流检测电路，其主要负责以下工作：

（1）负责系统中电流的检测，通过主控制模块中的A/D处理单元，将电流检测电路送进来的信号进行计算处理，得出系统的电流值，确保系统没有过电流，若电流超过设置警戒值，就进入保护程序；

（2）接收主令开关给定的各种控制信号，识别各档位的所代表的速度信息并进入处理；

（3）接收转速检测模块传送过来的电动机当前的速度信息，并将其与指令给定信息进入比较，并进入相应的PI处理程序；

（4）将PI处理值处理后变换为0~10 V的电压信号，将此电压信号通过数模转换模块送给晶闸管触发模块；

（5）综合系统的各种控制量，负责协调整个系统的正常工作。主控模块的电路图如图8所示。

图8 主控模块电路图

起重机工作时的电流是较大的交变电流，而单片机的A/D模块只能检测较小的直流信号，因此，必须用电流互感器将大的交流信号变换为较小的交流信号，为了便于检测，本系统采用的是均值检波电路。图9为电流检测电路，交流电流经过桥式整流、变换、滤波、放大，将较小的交流信号变换为A/D模块能够检测的信号。

图9 电流检测电路图

另外，主控模块指令给定由主令开关控制，包括上升/下降速度1（额定转速的25%）、上升/下降速度2（额定转速的50%）、上升/下降速度3（额定转速的75%）、上升/下降速度4（额定转速）和停止。单片机的I/O口的数量过少，因此硬件设计上采用两片八位并行输入/串行输出移位寄存器74LS165进行扩展。为了保存系统的重要参数，在硬件设计上增加了电可擦除芯片AT24C02，以便系统能在突然掉电的情况下保存重要的数据。

3 通信系统设计

在通信系统的设计中，主控制模块与转速检测模块间的通信是通过两个单片机的串行通信口进行的。主控制模块与晶闸管触发模块间的通信是通过串行数模转换器MAX539来实现的。MAX539是一种采用5V单电源供电的低功耗电压输出型12位串行数模转换器，它具有接口简单、转换时间短、功耗低、体积小等优点，MAX539采用自校正结构，其偏置电压、增益和线性度等参数在出厂前均已微调，因此，无需其它外接元件与外部调整。如图10所示为主控制模块与晶闸管触发模块通信电路。

图10 主控制模块与触发模块通信电路图

4 系统软件设计

调压调速系统的运行控制主程序由主控制模块中的单片机负责，当单片机通过I/O口识别到由主令开关给定的具体档位时，主控制模块将速度给定与转速反馈值进行比较，经过PI调节，将调节后的结果（0~10V）通过数模转换芯片MAX539传送给晶闸管触发模块，晶闸管触发模块通过该数值计算晶闸管的导通角，并在正确的时刻触发，从而使电动机得到0~380V的电压。起重机运行控制程序的流程图如图11所示。

图11 起重机运行控制程序流程图

另外，在运行控制程序中还必须考虑以下问题：

（1）在给定档位是上升档时，如果负载比较重，则当起重机刚启动时，有可能出现溜勾的情况，因此，为了避免溜勾的产生，必须要在电磁包闸打开前先给电动机施加一定的电压，使电动机形成一定的启动力矩后再打开电磁包闸。

（2）在给定档位是下降档时，如果负载比较轻，则当起重机启动后，有可能出现由于负重钢丝绳与机械设备之间的摩擦而使得负载下降缓慢的情况，这时为了使负载下降的速度与给定速度相等，电动机会反转帮助负载下降，在电动机和负载重力的双重推动下，下降速度又有可能超过设定的速度，这时又需要使电动机正转来减慢负载下降的速度，在负载临界状态下，电动机有可能频繁的进行正反转切换，这从整个调压调速系统来说是有可能出现的正常现象。

（3）当给定档位是上升档时，在起重机从较高速档位向低速档位调节时，如果负载比较轻，同时由于电动机的惯性的作用比较大，靠负载自身的重力减速过程太过缓慢，这时可使电机反转，待电动机减至一定的速度时再恢复正转并稳定在低速档位上。

（4）当起重机在正常运行过程中时，若出现突发故障，则会根据故障的不同采用延时停车或立即停车的处理措施，在延时停车的过程中，如果故障消失，则起重机再次恢复正常运行状态。