转镜高速相机的电机调速系统设计

    1　引　　言

    为达到纳秒级的时间分辨本领,转镜高速相机的转镜需要工作于数十万转每分的高转速,因此其驱动电机采用特种高速电机。这种电机的启动电阻非常小,而高速转镜部件常采用摩擦增速机构,启动负载较大。为使电机能正常启动,以及保护高速转镜部件,希望电机能够按图1所示的转速-时间曲线工作。图中,n0为用户设定转速,时刻t1,t2和t3根据相机型号确定。另外,转镜高速相机还要求电机可调速,并有较高的调速精度。根据这些要求,研制出了采用IGBT功率模块作功率放大元件、PWM方式调压及单片机控制的电机调速系统。

    2　系统组成和工作原理

    图2是系统的组成框图。系统包括8031单片机系统,8254可编程定时器/计数器和单片机构成的PWM信号发生器,IGBT驱动/保护电路。IGBT为功率元件的主电路。可以看出,电源是一个DDC型的计算机控制系统。单片机是控制系统中的比较器和调节器。

    它的工作原理如下:单片机通过仪器接口接收到来自用户的转镜转速预定值和启动信号后,单片机将检测从转镜速度传感器来的转镜速度信号,计算出当前转速与预定值之间的差值,根据这一差值按设计的控制规律来调节PWM信号的脉冲宽度,并通过IGBT降压变换器实现功率放大,使电机转速得到调整。当这个调整过程持续进行,系统达到稳态时,转镜的转速就以一定的控制精度稳定在预定值。单片机在接受到来自接口的停止信号后,控制电机停止。在上面的工作过程中,单片机将不断检测过流信号,如有过流,将发出报警信号,并关断电机电源。

    此外,8031单片机系统还可以通过8279键盘/显示控制器,显示系统信息和接收来自键盘的命令,用户可以通过键盘输入工作转速、启动及停止信号。

    3　关键技术分析

    3.1　控制规律的设计

    为使电机达到良好的启动特性,能够按图1所示的理想的转速-时间曲线工作,并有较高的调速精度,控制规律的设计采用了专家控制的思想。采用的控制策略有:恒值控制、维持控制、带微分反馈的PI控制。建立的控制规则如下:

n(k-1),n*(k))

    其中:u(k),e(k)——第k拍调节器的输出,误差输入

    n*(k)——设定转速

    n(k)——第k拍反馈的转速

    R1n和R2n中的规则均采用“恒值控制”。R1n共包括N条规则,它们的作用是使系统按照要求的启动特性启动。R2n也包括N条规则,它表明,如果经规则R1n还不能进入稳态,则要将控制值Umn相应进行改变,改变的程度由系数Cn(an)决定。规则R3表明,当误差及其变化率均小时进行“维持控制”,否则进行带微分反馈的PI控制。