0 引言
诞生于 2 0 世纪 7 0 年代的半固态成形技术(Semi-Solid Metal forming，简称SSM)，由于具有环保、节能、高效等特点，被认为是合金是目前比强度最高的金属材料，它具有密度小，流动性好，电磁屏蔽优等性能，被认为是最具发展潜力的高21世纪最具发展潜力的金属成形技术之一。镁效节能的结构材料。连续铸轧机的特点是将半固态浆料的铸造和热轧两种工艺合为一体，铸轧辊把熔融的浆料的大量热能带走，使浆料在很短的时间内完成铸造结晶过程，同时，又对已形成的铸造组织镁板经过轧辊进行压力加工。铸轧的主要工艺参数有：铸轧区长度，铸轧速度，浇注温度，冷却强度和凝固瞬间的镁熔体供给所需的静压力等。一般说来，铸轧区域的长度对保证连续铸轧质量是至关重要的，而区域的建立与浇注温度、冷却强度以及铸轧速度等工艺因素有关。在具体操作中，当某一因素变化引起铸轧区内金属熔体凝固点的位置变化时，一般通过调整铸轧速度使铸轧保证连续。因此铸轧速度作为铸轧技术的主要工艺参数被加以控制[3]。根据铸轧工艺的要求，铸轧速度必须是无极调速，稳态精度≤0.3%。在当今电气传动领域，由于直流电动机具有良好的运行性能和控制特性，因此采用直流电动机作为执行电机的直流调速系统。
1 实现原理
直流脉宽调速(PWM)的基本原理是利用大功率晶体的高频开关作用,将直流电压通过脉宽调制变为某一固定频率的方波电压,并通过方波电压占空比的变化,改变加在电动机电枢两端的平均电压大小,从而对电机进行调速控制。由于 PWM 式晶体管放大器的输出是一串宽度可调的矩形脉冲，除包含有用的控制信号(直流分量)外，还包含一个频率同放大器切换频率相同的高频分量。在高频分量作用下，伺服电机时刻处于微振状态，有利于克服执行轴上的静摩擦，以及直流调速中低速运行时谐波大、功率因数低造成的输出力矩小的问题，从而获得高性能的调速指标[2]。
图1是传统的直流脉宽调速控制系统，其控制精度较低。这是因为作为转速检测的测速发电机本身产生的误差，反馈控制系统是无力调节的。当电机运转一段时间后，电机温度随着工作时间加长而不断上升，而测速发电机与伺服电机同轴连接，测速发电机的温度也随之升高，其电势常数εa通常变小，故测速发电机输出电势也变小。即
Ea=εa∝ N，N 为电机转速
而此时电机转速并未下降，反馈到速度比较器的电压 u随之上升，促使电机转速上升，迫使Ea上升，从而达到 u维持不变，而给定值并未改变，这就引起电机转速的误差增大。根据实际测量一般电机温度每上升 1 0 0 ℃，电机转速的误差会增大1%~3% 左右。电机转速越低，相对误差越大。
为了纠正电机转速的偏差，采用100线/转的光电码盘作反馈元件，与电机同轴安装，就可以明确测出电机的转速。因为光电码盘是由激光照射光栅发出脉冲的，而光栅安装在光电码盘的转轴上，转轴每转一周就产生100个脉冲，该脉冲只与转速有关，而与温度无关。
2 硬件电路
80C552 单片机是荷兰 PHILIPS 公司生产的与CS-51 单片机兼容的 CMOS 型单片机中重要成员之一，除了具有80C51单片机的全部功能之外，又增加了大量的硬件功能：1个附加的16位定时器/计数器，配有4个捕捉寄存器和3个比较寄存器;1个8路10位片内逐次逼近式A/D转换器;两路8位分辨率的脉宽调制器输出PWM;I2C 串行总线口等。在指令系统上与 MCS-51 单片机完全兼容，特别适用于电气控制系统[1]。
图2中采用给定电位器经A/D转换后设定电动机速度的最终值，把光电码盘输出的脉冲由计数器T1计数来检测电机实际转速，将转速实际值与给定值进行比较，根据偏差与变化的情况控制 PWM0 脉冲宽度寄存器，使其输出脉冲的占空比改变，从而达到调节电动机转速的目的。为提高系统的静、动态性能，在充分利用电机过载能力的条件下获得最快的动态响应，转速采用PID调节。另外，为防止电流过大损坏 PWM 功率放大器，用交流电流互感器检测电流来限制最大工作电流。
用光电码盘检测电机转速的常用方法有M 法、T法、M/T法等[4]。由于铸轧速度需要无级调速，故使用M/T 法。所谓M/T 法，实际上是M 法与T 法的结合。实现该方法是指在测速的过程中，不仅测取光电转速脉冲的个数mn，而且同时测取高频时钟脉冲的个数mc。这样，可以得到轴的转速为：
这种方法，使用比较简单，但在转速脉冲频率和高频脉冲频率相差较大时，误差也较大。为了解决这个问题，采用一种改进的M/T 法。
利用80C552的3个软件定时器和1个捕捉寄存器，其中T0作为高频时钟脉冲的计数器，T1作为码盘转速脉冲的计数器，T2完成采样时间的设定，捕捉寄存器用于查询检测转速脉冲的第一个上升沿和最后一个上升沿，计数器T0为高优先级中断。由于 8 0 C 5 5 2 的晶振频率为12MHz，因此其T0计时周期(12 个时钟振荡周期)可达到1ms，即参考高频时钟频率fc为1MHz。进行改进的 M/T 法转速测量的实现步骤如下，如图3所示。
(1)设置CT0 捕捉输入信号的上跳变，T2的分频系数为4，即定时时间T为262ms。在CT0捕捉到转速脉冲的第一个上升沿发生的同时启动T0、T1计数以及 T2定时;
(2)定时时间T到时，读取T0、T1计取的脉冲个数T0(0)和mn;
(3)为保证精度，继续计数到转速脉冲的下一个上升沿，此时T1计取转速脉冲个数mn=mn+1，读取T0计取的高频脉冲的另一个数T0(1)，高频脉冲的个数mc=mc1+Dmc=T×fc+[65535×i+T0(1)-T0(0)]，i为T0的溢出次数;
(4)把mn, mc代入M/T法测速公式中，利用软件即可得到电机转速。
3 转速检测的软件设计
主程序的功能是完成初始化、状态设置、PWM输出脉冲频率设置，禁止CT0中断，循环程序捕捉转速脉冲上升沿并启动T0、T1、T2计数/定时，采样给定转速，实际转速显示，转速偏差PID调节，采样实际电流并与设定电流值比较,从而对功率放大电路进行控制。T0中断程序主要完成高频时钟脉冲溢出次数 i的计算，为高优先级中断。T2中断服务程序按照改进的M/T法完成电机转速的检测，其编程流程图如图 4所示。
4 结论
通过实验验证，用80C552单片机和光电码盘配合改进的M/T法检测电机转速可以获得大范围内的高性能调速精度，有比较广泛的应用前景;而数字脉宽调速系统提高了系统的灵活性、可靠性和抗干扰性，可有效克服直流调速中低速运行时谐波大、功率因数低造成的输出力矩小的问题，从而获得高性能的调速指标。
参考文献:
[1] 徐爱钧. 智能化测量控制仪表原理与设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1999.
[2] 冯国楠. 现代伺服系统的分析与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1990.
[3] 杨卯生,毛卫民. 半固态合金连续铸轧的技术现状与发展前景[J]. 材料导报，2001，15(3):16-18.
[4] 秦继荣,沈安俊. 现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京：机械工业出版社，1993.
作者简介：陈兵芽(1974-),男,江西新余人,南昌航空工业学院讲师,南昌大学博士,研究方向为计算机控制、检测技术和微驱动器。
