基于PCC智能无刷直流电动机调速控制器的设计

基于PCC智能无刷直流电动机调速控制器的设计

张继军，张修太，秦长海

(安阳工学院电子信息与电气工程系，河南安阳 455000)

[摘 要] 介绍了一种以PCC控制器为主控的新型直流电动机调速控制器的设计方案，给出了直流电动机调

速控制器的硬件构成和软件设计方法。实验证明：该系统性能可靠、成本较低，是一种实用较理想的无刷直

流电动机调速器。

[关键词]PCC；无刷直流电动机；调速控制器

[中图分类号] TM33 [文献标识码]B [文章编号] 1000-3983（2008）03-0052-03

Design of Actiyator for Intelligent Brushless DC Motor Based on PCC

ZHANG Ji-jun, ZHANG Xiu -tai, QIN Chang-hai

（Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China）

Abstract: This paper introduces a new design of DC motor actiyator which is controlled by PCC

controller. Mechanism and method of software designing are given. Experiments proves: the system

works with high reliability and low cost, it is a practical brushless DC motor.

Key words: PCC; brushless DC motor; actiyator

1引言

当今，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，而自动调速控制系统的应用在现代化生产中起着尤为重要的作用。直流调速系统是自动控制系统的主要形式.。直流电动机调速具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。因此，可将它大量应用在要求调速性能较高的各种生产机械上。而现代电力拖动控制技术已经不再是一些电控设备的简单应用，它已成为电工、自动控制、计算机应用、电力电子学、数字仿真与CAD等多门学科互相交叉的新兴学科。

小型直流电动机以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作动力，具有无废气污染、“零排放”、无噪音等特点。大型直流电动机以交流电源经过稳压电源作为驱动能源动力，适用于各种场合。但目前市场上的直流电动机的控制技术大多仍然采用的是单片机和继电器等所组成的控制系统，其控制系统存在着寿命短、系统故障率高等一些不够完善的地方，尤其是电机的调速控制方面有待于进一步提高，势必被一种能够把计算机的简单功能以及灵活、通用性等优点集一体的装置所代替。而当前PLC已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置。可编程计算机控制器（简称PCC），作为一个全新的概念于上世纪90年代中期在工控界提出，它是一种不同于可编程序控制器PLC的新一代可编程计算机控制器，代表了当今工业控制技术的发展趋势。本文根据无刷直流电机的原理，利用奥地利B&R公司2003系列的一款新型PCC 作为主控制器设计了一种无刷直流电机调速控制系统，该系统具有硬件结构简单、软件设计灵活、适用面广、价格低廉等优点，具有一定的实用价值。

2B&R公司2003系列的PCC介绍[1]

可编程计算机控制器（Programmable Computer Controller，简称PCC）是集计算机技术、通信技术、自动控制技术（简称3C技术）为一体的新型工业控制系统。可编程计算机控制技术从20世纪六十年代诞生以来，经历了可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,简称PLC），可编程控制器PC，到现在的PCC，均以极高的可靠性、丰富的编程语言、实用的编程方法、强大的功能、优良的性能、良好的耐恶劣环境能力而成为工业控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备。随着3C技术的迅速发展，新一代的PCC 已经能够胜任大型的集散控制和复杂的过程控制。其良好的兼容性、强大的通信功能、优良的适时性、丰富的功能函数、品种繁多的硬件模块、多种编程语言的使用等，使PCC可以适应各种工业控制的需要。

传统控制系统的一个瓶颈问题就是总线系统，即总线系统要处理所有的数据传送。在B&R2003的PCC 中，应用了全新的总线的概念，那就是系统总线和I/O2008.№3 大 电 机 技 术53

总线的分离。工业计算机所需要的模块（大量的存储

控制器、附加的处理器模块、远程主站、网络模块等）

运行在系统总线上。很自然地，系统总线也具有多处

理器能力。I/O总线的模块主要用于系统接口，例如，

数字量和模拟量I/O模块，定位模块，智能I/O处理器

等。所有的I/O模块都是电气隔离的，并且用EMC方

法进行保护，这样可以屏蔽外部干扰。I/O总线的结构

和长度是极其灵活的。B&R2003系列可以进行本地或

远程I/O扩展，这样，若有必要，I/O模块可以靠近机

器或设备安装。B&R的PCC都是采用的模块化的设计

方法，可以根据工程需要和客户的要求选择不同的模

块，构建一个不仅符合用户要求，而且还十分经济的

工程系统。

3系统硬件设计

整个系统主要包括转子速度检测电路、测速电路、

调速电路、电源整流电路、限流电路等。图1所示是

PCC控制直流电动机调速系统原理框图。其中无刷直

流电机由电动机本体、转子速度检测器和电子开关电

路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子

绕组供电。速度检测器可随时检测转子的转速，并根

据转子的速度信号来控制开关的导通和截止，从而实

现电子换向。图1中PCC可通过转子速度传感器得到

电动机的速度信号，经A／D转换后送到PCC内部寄

存器，从而控制PCC的输出信号。该信号和来自限流

电路LM358比较器的输出信号一起通过软件比较，从而控制MOSFET全桥整流电路换向导通，实现电机的换向。因此，通过调节PCC输出信号的大小，最终可改变加在电动机定子绕组上的电压，从而实现电动机

[2]

图

1 PCC控制直流电动机调速系统原理框图

3.1转子速度检测电路

本设计中的无刷直流电动机有2对磁极。定子绕组采用三相型接法。3个霍尔位置传感器的空间间距为60°，即电角度为120°。3个霍尔传感器的输出H1、H2、H3分别直接接到PCC的001、002、003脚，运用这三个脚的数模转换功能(ADC)可对霍尔信号进行采样和转换。

3.2电机转速控制电路

3.2.1测速电路

要对无刷直流电动机的转速进行准确的控制，首先要准确地测量出它的转速。本设计利用转子位置传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位置传感器信号经过采样调理电路后送至PCC的输入端。随着电动机的转动，PCC将不断接收到脉冲信号。当PCC接收到一个上升沿时将启动其内部定时器T0以开始计时，直至接收到下一个相邻的上升沿时为止，定时器T0的计时结果便是电动机转动一圈所需的时间，据此即可计算出电动机的转速。

3.2.2换向调速电路

无刷直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。由于前者所受的各类较多，且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以常用的是改变电枢端电压以实现调速的电枢电压控制法。但在实际应用过程中，若在直流电动机起动、堵转时，负载转矩增加，在单纯的电压控制电路中将会使电枢回路的电流增加很大，这样将会使整流元件和直流电动机经受很大的电流冲击，严重时将会烧毁整流器件和电动机。因此要对电枢电流加以。一般采用带电流截止负反馈的闭环调速系统，其机械特性如图2所示[3]。

图2 带电流截止负反馈的闭环调速系统机械特性

4系统软件控制

直流电动机的控制采用PCC具有TPU功能的高速数字量输出模块DO135，根据电气开度和实际开度的差值，DY输出脉宽调制（PWM）信号经功率放大后驱动负载。负载控制流程如图3所示[4]。

5PCC智能调速系统的主要特点[5，6，7]（1）全新的控制理念。采用不同于常规PLC的

B基于PCC智能无刷直流电动机调速控制器的设计 2008.№3 54

新一代可编程计算机控制器——PCC，面向控制过程，采用高级语言，分析运算能力强，在同一CPU中能同时运行不同程序。程序运行时仅扫描部分程序，效率很高。

图3 负载控制流程图

（2）全PCC化，具有极高的可靠性。从输入到输出，从测频到控制脉冲等各环节均实现了PCC化。PCC的平均无故障时间MTBF高达50万小时。

（3）多任务的优点。在传统PLC中，并行处理是靠程序扫描来完成的。但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式，更简单直接的方法就是采用多任务技术。PCC恰恰可以满足这种需求，当某一任务在等待时，其他任务仍可继续执行。PCC将整个调节控制分成若干个具有不同优先权的任务等级（Task Class）。优先权越高的任务等级，其扫描周期越短，优先权越低，其扫描周期越长。把适时性要求高的程序放在高速任务层，把一般的逻辑判断处理程序放在普通任务层，这样可以提高调节系统的性能指标。

（4）智能型调速器。采用自适应式变结构，变参数并联PID调节，采用对常规PID调节器改进后的算法[2]。自动识别电网的性质，并自动适应电站的各种特殊运行方式，如孤网运行，及或由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况时，均可保证机组稳定运行。人性化设计，具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能。当出现故障时，自动弹出故障诊断画面，并自动显示故障原因及处理办法。

（5）采用PCC高速计数模块(HSC)测频。PCC高达6.3MHz的计数频率，具有很高的测频精度和可靠性，从而使调速器的输入通道－测频环节的可靠性有了根本的保证。

（6）采用数字协联方式，且可现场修改协联曲线并记忆修改后的数据，以便根据电站的实际条件按最优曲线运行，桨叶随动系统准确度高。

（7）PCC的大内存，为智能型调速器提供了资源保证。用户内存：1.5 MB FLASH PROM。

（8）友好的人机界面。采用触摸屏作为人机界面，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。具有屏幕保护功能，以延长触摸屏的寿命。6结束语

PCC智能调速系统经试验，技术性能指标如下：

（1）空载调压范围70%～110%；

（2）调压精度小于0.5%；

（3）频率特性：自动空载频率摆动值：±0.06% 。PID调节参数为空载扰动试验优选出的运行参数，即：b t=45%，T d=20s，T n=0.5s；

（4）转速死区：0.015%；

（5）10%阶跃实验：调节时间小于8s，超调量小于10%，振荡次数小于3次；

（6）切换快速平稳。

各项指标都满足国标要求，已经在一些电动机上投入使用，获得了良好的动、静态特性，高性价比，受到了用户的好评。

[参考文献]

[1] 南海鹏．水轮机发电机组PCC控制［M］．西安：

西北工业大学出版社, 2002: 100-103.

[2] 齐荣．可编程计算机控制器原理及应用［M］．西

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[3] 米建国, 刘忠良. 数字阀PCC可编程智能调速器

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[4] 林明星. 器控制及可编程序控制器[M]. 北京: 机

械工业出版社, 2005: 67-75.

[5] 李仁定. 电机的微机控制[M] .北京: 机械工业出

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[6] 孙广俊. 用CD4046组成的高倍锁相倍频器［J］.

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[7] 李民先. 单片机控制刮印单元电机变频调速系统

[J]. 微计算机信息, 2005, (4): 105-107.

[收稿日期]2007-07-04

[作者简介]

张继军（1962-），1983年7月毕业于南京航

空航天大学，长期从事电子信息的教学与科

研工作，副教授。