一种低压电力线载波通信电机控制系统的设计和实现

　　电动机分为交流电机和直流电机两大类。长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能、较强的过载能力成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的选择，一直处在调速领域主导地位。传统的直流电机调速方法很多，如调压调速、弱磁调速等，它们存在着调速响应慢、差、调速装置复杂等缺点。

　　电力线载波通信（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式，它是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。用电力线作为网络接入方案，可利用已有的电力配电网络进行通信，不需要重新布线，且电力线网络分布广泛，接入方便，多用户能够共享宽带，因此，PLC宽带接入技术具有得天独厚的优势，它也成为解决宽带网络"1公里"问题竞争力的技术之一。

　　1 系统总体结构及功能说明

　　基于低压电力线载波通信的直流电机控制系统主要由主机板、子机模块、遥控器、电机群、开关电源等部分组成，结构框图如图1所示。

 

 

　　图中功能键S表示停止；U表示正转长动；D表示反转长动；SLU表示正转点动；SLD表示反转点动。

　　系统学习（对码）：连接好主机板和任意一个子机板，上电后同时按下主机板的SLU和SLD约20 s,蜂鸣器发出短鸣，此时按下遥控器的数字键1~9任意一个选择信道，再按住遥控器的REC键约10 s,蜂鸣器发出长鸣，表示对码成功。此时可以按所需要的功能键U、S、D、SLU、SLD来控制电机的正转和反转。

　　以上是对一个子机模块的学习过程，要对其他子机模块学习，按以上学习步骤作相同操作即可。当学习好个子机模块，开始学习第二个子机模块的时候，要先断开个子机模块。

　　本系统的操作控制分单控和群控，遥控器操作或数字面板操作同样有效。

　　单控：所有的子机模块都学习好后，按遥控器或主机面板上的任一0~9数字键，然后按下CH键锁定，即可通过遥控器或主机面板的U、S、D、SLU、SLD来控制单个电机正转、反转以及点动、长动。

　　群控：所有的子机模块都学习好后，按遥控器或主机面板上的AL键，然后按下CH锁定，即可通过遥控器或主机面板的U、S、D、SLU、SLD键来控制全部电机正转、反转以及点动、长动。

　　2 智能直流电机控制系统的工作流程

　　智能直流电机控制系统的工作流程如图2所示。以通过遥控器来实现完全控制为例说明：按下遥控器的1号键，这时单片机PIC16F630读入1号键的键位码，再按下遥控器的控制键（即正转、反转、点动、长动、停止这5个控制器），这时单片机PIC16F630向发射端的主机板的收发模块CC1100输入一串带位置信息的控制信号，CC1100接收到这个信号后，经过高频调制（FSK,315 MHz），将这一信号发射并沿电力线传播。接收端的主机板接收到这一信号后，经过主机板的CC1100对这一信号进行接收并解调，同时将解调出来的信号送入芯片EM78P451AQ和子机板，信号经过EM78P451AQ处理，驱动数码管显示相应的位置信息。解调后的电力线载波信号及电源经低压电力线（DC24V）直接接入子机板电路，为子机板提供电源的同时，电源线上所带的控制信号经过PIC16F630单片机识别，控制电机驱动电路工作，以此来实现对电机正反转以及点动长动的控制。通过主机控制面板来实现完全控制的过程和上述过程类似。

 

　　3 系统主要硬件电路设计

　　3.1 主机板CC1100接收电路

　　系统的接收功能通过以CC1100为主芯片的电路来完成。CC1100是一种低成本单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915 MHz的ISM（工业、科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300 MHz~348 MHz、400 MHz~464 MHz和800 MHz~928 MHz的其他频率（本设计选用315 MHz）。CC1100外围电路如图3所示。

 

　　CC1100的2、3、6脚为数字信号输出端，作为芯片EM78P451AQ的信号输入；4、9、11、14、15脚为1.8 V~3.6 V的电源输入；8、10脚为外接晶体振荡器的输入端，本电路的晶振频率选为26 MHz;16脚为模拟接地端，19脚为数字接地端；12、13脚为接收模式下对经LNA（低噪声放大器）的正、负RF输入信号，其外围的电路选中一个特定的频率（本电路选用的频率为315 MHz）。

　　3.2 EM78P451AQ外围电路设计

　　EM78P451AQ主要负责接收主机键盘输入端口信号，送至数码管驱动、显示。

　　为防串键（2个键瞬间先后按下），编码器采用优先控制法，即先按下的键起作用，后按的键判为无效；为了防并键（2个键同时按下），采用判为误动作的方式，即2个键同时按下时，视为无效，不发出任何按键指令码信号。

　　EM78P451AQ的12脚为电力线载波信号输出，对输出信号的处理电路如图4所示。

 

　　信号经EM78P451AQ的12脚接至图4中的19脚，当19脚输出信号时，通过一个10 kΩ的电阻，使三极管9014导通，9014集电极出来的电压通过一个1 kΩ的电阻驱动IRF9Z34的MOS管，MOS管的D极接24 V直流电源，电源载波信号由S极输出，R24和二极管IN4004的作用是稳定MOS管的静态工作点，R25为限流电阻，考虑到在带动几个电机的情况下电流比较大，所以选用1 Ω，功率为10 W的水泥大电阻，F1为过载保护片（5 A），其作用是电流过大时断开，当电流恢复正常时F1可以恢复正常工作。

　　3.3 子机板电路

　　当主机板通过12脚输出电力线载波信号时，这时就需要通过子机板电路来对这些携带控制信息的信号进行识别以达到对电机的有效控制。子机板电路主要包括：子机板电源电路、单片机PIC16F630外围电路、电机驱动电路等。驱动电路采用2个开关管和2个5脚继电器驱动，使电机很容易实现正转及反转。电机采用的是24 V的直流电机，只需改变正负极的电流方向即可方便地实现正转和反转。

　　子机板电路的为一个PIC16F630单片机，驱动电机的元件器为24 V、5 A继电器。单片机PIC16F630主要功能是输出对系统的负载（电动机）作各种运转等的控制信号。13脚输入的电源线载波信号经过单片机PIC16F630处理后由11脚和12脚输出控制信号，控制后面的驱动电路来驱动电机的长动和点动以及正转和反转。9脚和10脚作为辅助的开关输入端，当KEY1开关闭合时，9脚低电平，可以控制12脚输出高电平控制电机正转点动；当KEY2开关闭合时，10脚低电平，可以控制11脚输出高电平控制电机反转点动；当KEY1或KEY2按住一定时间（例如3s以上），可以控制11或12脚输出高电平控制电机反转长动或正转长动。

　　3.4 遥控电路

　　本系统遥控器的器件为芯片CF557以及芯片CC1100,由于这2款芯片的集成度高、静态电流小、功耗也很小，遥控电路可采用3 V的干电池供电。

　　遥控器键盘操作时，先作信道选择（对哪一部分电机操作？），然后作功能选择（点动、长动、停止、正转、反转），信号经单片机CF557处理后，向CC1100传送一组数字信号，该组数字信号经CC1100调制后发射出去，主机板接收到信号后，会选定指定的子机模块进行相关的动作，这些功能都将由软件的配合来实现。

　　遥控器中CC1100电路设计和前述的主机板类似，此时的CC1100工作在发送模式，接收到单片机PIC16F630送来的控制信号，经过CC1100处理，调制成315 MHz的FSK信号，然后发射出去，供主机板电路接收。

　　本智能直流电机控制系统通过遥控器或控制面板来实现对电机的完全控制，通过利用电力线载波通信技术，在使用过程中系统布线方便、接线简单，可以实现对多个电机的单控和群控，抗干扰性强，相比于普通的电机控制系统，电路新颖、实用性强、完全实现了傻瓜式操作，对环境也没有特殊的要求。

　　目前，PLC技术在我国的应用还处在试验阶段，还未形成适合我国国情的成熟产品，存在着缺陷和问题。PLC产品的研发、推广和应用设计政策法规、电网安全、电磁兼容、技术体制、准入标准等多方面的问题。对PLC产品的应用和推广既要积极，又要慎重。为满足现代电力系统发展的需要，适应通信发展的大趋势，是我国电力通信向高速率、宽频带、大容量方向发展，我们提倡大力发展应用更为先进的通信手段。电力线载波作为电力通信网中以强有力的手段，有着雄厚的发展基础和广阔的市场，应有其使用的生存和发展的环境和空间，它不会简单地消失或停滞不前。 我们已经看到，电力线载波系统成为应用为广泛的通信手段。虽然电力线载波通信存在许多技术上、工程上、和管理上的困难，但是随着我国电力事业的飞速发展，在今后的几年内，通过技术的不断进步，管理上的不断提高，问题会逐渐得到解决的。