（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）基于dsp控制的直流調(diào)速系統(tǒng)及其自適應(yīng)方案的研究.pdf

a b s t r a c t d cm o t o rh a se x c e l l e n tc h a r a c t e ro ns p e e dr e g u l a t i o n s u c ha ss m o o t ht i m i n g i naw i d er a n g e s i m p l em e t h o d m e a n w h i l ea si t sc a p a b i l i t yo no v e r l o a d e n d u r i n g f r e q u e n ti m p a c t i n gl o a d i ti sw i d e l yu s e di na r e ao fh i g hp e r f o r m a n c ee l e c t r i cd r i v e s u c h c u t t i n gm a c h i n et o o l p a p e rm a c h i n e e r e t r a d i t i o n a lc o n t r o l l e ro f d cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m w h i c ha d o p t ss e p a r a t e d c o m p o n e n t sa n do p e r a t e sw i t hh i g hr a t i oo fm a l f u n c t i o n l a c ko fs t a b i l i t ya n d t e c h n o l o g y c a l ln o tm e e tt h en e e do fp r o d u c t i o n a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r a n dc o m m u n i c a t i o n s d i g i t a ld cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mc o n q u e r st h i ss h o r t a g e w i d e l yu s e di nd cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r d i g i t a ld cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d w h i c ha d o p t d s p2 4 0 7c o n t r o l l e ra st h em a i nm i c r o e o n t r o l i e r p 8 9 c 6 6 9m i o r o e o n t r o lu n i t m e u a st h ec h i po fs u p e r v i s e d s y s t e m i tr e a l i z e dd i g i t a ld e s i g n a n dr e g u l a t i o na b o u t p a r a m e t e r si nt h i ss y s t e mt h r o u g hd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dm c t h e m a i nw o r ka r ep r o v i d e da sf o l l o w s 1 d e s i g nt h es o f t w a r ea n dh 甜d w a r eo fd cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m s w i t hp o w e rc i r c l er u c t i o n c o m p l e t e dp o w e rc i r c l ee x p e r i m e n to nt w o i n l i n em o t n r s 2 i p mp s 2 1 8 6 7o fm i t s u b i s h ii su s e da sp o w e ro u t p u tm o d u l e d r i v e p r o t e c t e dc i r c u i t c o n t r o lc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o np r o t e c t e dc i r c u i t a r ed e s i g n e d 3 t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fs y s t e mi sp w mm e t h o d t h es o f t w a r eo f s y s t e m i s p r o g r a m m e d i n c l u d i n gm a i np r o g r a m c o m m u n i c a t i o n p r o g r a ma n di n t e r r u p t i o ns e r v i c ep r o g r a m 4 t h ew h o l ea r r a n g e m e n ta n dd e b u g g i n go fp r o t o t y p ei sc o m p l e t e d a n d r e a l i z et h ed o u b l ec l o s e dl o o p sc o n t r o lo nd cm o t o r 5 a st h ec h a n g eo ft h el o a d m o m e n to fi n e r t i aa n d 甜c t h ep e r f o r m a n c e o ft h es y s t e mw i l lb ei n f l u e n c e d i nt h i sp a p e r b a s e do nt h ep r i n c i p l e o fm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r 0 1 n a r e n d r as c h e m eo fd cs p e e d r e g u l a t i o ns y s t e mw i t h d o u b l ec l o s e d l o o p si si m p l e m e n t e d a n d s i m u l a t e d k e yw o r d s d o u b l ec l o s e dl o o p s d cs p e e dr e g u l a t i o n d s p p o w e rc i r c l e m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e i 插圖清單 圖2 l p 刪控制的直流調(diào)速直流母線電封閉原理示意圖 圖2 2 直流斬波器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 4 圈2 3 橋式可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形 5 圖2 4 轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 圖2 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖2 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 圖2 7 直流電動(dòng)機(jī)等效電路圖 圖2 8 直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 6 7 8 9 9 圖2 9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖川 圈2 一i o 取衍環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)雷 圈2 一1 1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖 圖2 1 2 典型i 型系統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖2 一1 3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖2 1 4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化囤 圖2 1 5 典型 型系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 圖3 l 電封閉主電路硬件設(shè)計(jì) 圈3 2 直流調(diào)速系統(tǒng)斬控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 圖3 3 橋式可逆直漉脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路 圖3 4d s p 電源5 v 3 3 7 電路設(shè)計(jì) 1 2 1 6 圖3 5 驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)簡圖 圖3 6 故障保護(hù)硬件電路 圖3 7 整流直流側(cè)電壓采樣 圖3 8 電樞電流采樣電路 圖3 9 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 圖3 一1 0 通信接口電路 1 8 2 0 2 l 2 3 2 3 2 5 2 6 2 7 2 7 圖3 一i l 監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖 圖3 一1 2 主程序框圖 圖3 一1 3 勵(lì)磁控制模塊 圖3 1 4 斬控控制模塊 圖3 1 5 定時(shí)器1 中斷服務(wù)子程序 圈3 1 6p i 積分分離程序框圖 圖3 1 7 電封閉驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制示意圖 2 9 3 0 3 0 圖3 1 8 電封f j j 發(fā)電機(jī)程序框圖 3 1 圖3 1 9 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形 國3 2 0 正向啟動(dòng)轉(zhuǎn)速響應(yīng) 圉3 2 1 正向自由停車加反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速響應(yīng) 圖3 2 2 電封閉加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 圖4 1 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3 7 圖4 2n a r e n d r a 方案的基本結(jié)構(gòu) 圖4 3 對(duì)象相對(duì)階為2 的n a r e n d r a 方案結(jié)構(gòu)圖 圖4 4 對(duì)象相對(duì)階為2 的n a r e n d r a 方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖4 5 毅閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖4 6 等效的電流環(huán) 4 1 圖4 7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的自適應(yīng)方案 4 5 圖4 8 誤差模型的推導(dǎo) 圖4 9 誤差模型的推導(dǎo) 圖4 1 0 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)自適應(yīng)方案的實(shí)現(xiàn) 圖4 1 1 謂速系統(tǒng)的速度階躍變化的響應(yīng)以及自適應(yīng)增益調(diào)整過程 鍋 圖4 1 2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1 3 時(shí) 不采用自適應(yīng)方案的系統(tǒng)速度階躍響應(yīng) 4 9 圖4 1 3 是突加2 0 額定負(fù)載時(shí) 所引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)降落和自適應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)整過程 圖4 一1 4 突加2 0 額定負(fù)載時(shí) 不采用自適應(yīng)系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng) 5 0 v 1 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng) 發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得金旺王些太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的 學(xué)位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論 文中作了明確的說明并表示謝意 學(xué)位敝儲(chǔ)躲甜 簽字吼鉚 月 口日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解盒筵王些太堂有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 有權(quán) 保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本 人授權(quán)僉壁工些盍堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位論文作者簽名 鼻 簽字日期 2 刃年 月7 口日 學(xué)位論文作者畢業(yè)去向 工作單位 通訊地址 導(dǎo)師簽名 融萼 簽字日期 律6 月 d 日 電話 郵編 致謝 在碩士學(xué)位論文完成之際 首先感謝我的導(dǎo)師茆美琴老師 從論文的最初 選題到最終定稿 茆老師都給予了大量的指導(dǎo)和幫助 在整個(gè)論文工作期間 茆老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度 淵博的專業(yè)知識(shí)和誨人不倦的作風(fēng)給我留下了深刻的 印象 讓我受益匪淺 我要向敬愛的導(dǎo)師表示由衷的敬意和真誠的感謝 師恩 厚重 終生難忘 感謝蘇建徽老師對(duì)我的諄諄教導(dǎo) 進(jìn)入能源所以來 我的點(diǎn)滴進(jìn)步和成績 都是與蘇老師的幫助分不開的 蘇老師淵博的知識(shí) 開闊的思維 敏銳的洞察 力 平易近人的人格魅力給我留下了深刻印象 并將時(shí)刻影響著我 使我受益 不盡 臨近畢業(yè)之際 向尊敬的蘇老師表示我誠摯的感謝和衷心的祝福i 另外 我要感謝能源所的其他老師 在學(xué)習(xí)期間 他們總是無私而耐心地 給我?guī)椭?他們對(duì)我論文的完成給予了熱心的幫助和支持 他們是張國榮老師 汪海寧老師 杜燕老師 劉翔老師 張鍵老師和杜雪芳老師 最后 我要感謝辛勤養(yǎng)育我的父母和關(guān)心我的親人以及我的女友 我的些 許成績離不開他們的關(guān)愛與支持 他們是我人生路上前進(jìn)的動(dòng)力 h l 作者 李冉 2 0 0 7 年0 5 月2 0 日 1 1 序言 第1 章緒論 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中 幾乎無處不使用電力傳動(dòng)裝置 隨著生產(chǎn)工 藝 產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高以及產(chǎn)量的增長 越來越多的生產(chǎn)機(jī)械實(shí)現(xiàn)了自 動(dòng)調(diào)速 對(duì)可調(diào)速的電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速 直流電動(dòng)機(jī) 具有優(yōu)良的調(diào)速特性 調(diào)速平滑 方便 易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速 過載能 力大 能承受頻繁的沖擊負(fù)載 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn) 能滿足 生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求 至今在金屬切削機(jī)床 造紙 機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用 所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今 仍然被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制要求較毫的各種生產(chǎn)部門 是當(dāng)前調(diào)速系統(tǒng)的主 要形式i 1 2 直流調(diào)速控制裝置的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)字直流調(diào)速裝置 從技術(shù)上 它能成功地做到從給定信號(hào) 調(diào)節(jié)器參數(shù) 設(shè)定 直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化 使用通用硬件平臺(tái)附加軟件程序控制一定范圍 功率和電流大小的直流電機(jī) 尤其是方便靈活的調(diào)試方法 完善的保護(hù)功能 長期工作的高可靠性和整個(gè)控制器體積小型化 彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng) 的保護(hù)功能不完善 調(diào)試不方便 體積大等不足之處 且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出 另外一些優(yōu)點(diǎn)1 2 如查找故障迅速 調(diào)速精度高 維護(hù)簡單 所以數(shù)字式直調(diào) 系統(tǒng)具備了廣闊的應(yīng)用前景 國外主要電氣公司如瑞典的a b b 公司 德國的西門子公司 a e g 公司 日本的三菱公司 東芝公司 美國的g e 公司 西屋公司等 均己開發(fā)出了數(shù) 字直流調(diào)速裝置 有成熟的系列化 標(biāo)準(zhǔn)化 模板化的應(yīng)用產(chǎn)品 我國自2 0 世紀(jì)6 0 年代初試制成功第一只硅晶閘管 三i 來 晶閘管直流調(diào)速 系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用 目前 晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我 國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用 隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展 1 6 b t 具有開關(guān)速度快 驅(qū)動(dòng)簡單和可自 關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn) 克服了晶閘管的主要缺點(diǎn) 我國直流調(diào)速正向著脈寬調(diào)制方式發(fā)展 d 我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口 但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格 昂貴 也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間 目前 國內(nèi)許多大 專院校 科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置h j 1 3 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速l i t 的表達(dá)式為 墜磐 1 1 cm 式中 u 一電樞端電壓 l 一電樞電流 y r 一電樞電路總電阻 西一每極磁通量 c 一與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 由 t i 式可知 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速1 3 的控制方法有三種 1 調(diào)節(jié)電樞電壓u a 改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速 屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 適用于要求大范圍無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng) 2 改變電機(jī)主磁通 只能減弱磁通 使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速 屬恒 功率調(diào)速方法 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢 雖能無級(jí)平滑調(diào)速 但調(diào)速范圍小 3 改變電樞電路電阻羅足 在電動(dòng)機(jī)電樞外串電阻進(jìn)行調(diào)速 只能有級(jí)調(diào) 速 平滑性差 機(jī)械特性軟 效率低 改變電樞電路電阻的方法缺點(diǎn)很多 目前很少采用 弱磁調(diào)速范圍不大 往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用 因此 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主 這也是論文 中設(shè)計(jì)系統(tǒng)所采用的方法 改變電樞電壓主要有二種方式 y m 系統(tǒng) p w m 脈寬調(diào)制變換器 1 采用品閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱v m 系統(tǒng) 通過控制電壓 的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角 進(jìn)而改變整流電壓u 的大小 達(dá)到調(diào)節(jié)直流 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的 v h 在調(diào)速性能 可靠性 經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性 成為 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式 2 p w m 脈寬調(diào)制 變換器又稱直流斬波器 是利用功率開關(guān)器件通斷實(shí)現(xiàn) 控制 調(diào)節(jié)通斷時(shí)問比例 將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓 1 4 課題研究的意義 目的 由于變額技術(shù)的出現(xiàn) 交流調(diào)速一直沖擊直流調(diào)速 但縱觀全局 尤其是 我國在此領(lǐng)域的現(xiàn)狀 再加上全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng) l 州的出現(xiàn) 更提高了直流 調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性 直流調(diào)速仍將處于重要地位i7 l 以往直流調(diào)速系統(tǒng)控制器采用分立元件 其故障率高 穩(wěn)定性差 技術(shù)落后 很難滿足生產(chǎn)的需要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展 數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)成為 主流 目前 國內(nèi)的數(shù)字式直流調(diào)速裝置主要是采用單片機(jī)構(gòu)成數(shù)字調(diào)節(jié)器 數(shù)字觸發(fā)器 其缺點(diǎn)是 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜 單片機(jī)浮點(diǎn)運(yùn)算能力差 因而只能 完成簡單的控制算法 難以滿足各種復(fù)雜的控制要求 系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控性能差 在這種背景下 本文用d s p 作為主控芯片 其具有執(zhí)行速度快 可達(dá)3 0 m i p s 浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng) 能夠完成較復(fù)雜的控制算法的特點(diǎn) 在系統(tǒng)硬件方面 d s p 芯片內(nèi)集成了a d 轉(zhuǎn)換 事件管理器 串口通訊等功能器件使得系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計(jì)相對(duì)簡單 系統(tǒng)可靠性大大提高 系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控性能也得到了改善 隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 以及虛擬加載技術(shù)的出現(xiàn) 近年來電封閉加載 技術(shù)在汽車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用 比如說在變速箱的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中 因?yàn)樽兯傧?試驗(yàn)臺(tái)的性能主要決定于加載方法和結(jié)構(gòu)形式 以前采用機(jī)械閉式試驗(yàn)臺(tái)或內(nèi) 燃機(jī)驅(qū)動(dòng)電渦機(jī)測功機(jī)加載的方法 前者機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜 易產(chǎn)生有害彎力矩 后者功耗大 能量無法回收 控制精度差 響應(yīng)速度慢 國內(nèi)已經(jīng)改為機(jī)械式 的電封閉實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 所以電封閉虛擬加載技術(shù)在節(jié)能降損方面有著明顯的優(yōu)勢 實(shí)際上在許多拖動(dòng)工程中 被控對(duì)象或過程的數(shù)學(xué)模型事先是難以確定的 其動(dòng)態(tài)參數(shù)乃至于模型的結(jié)構(gòu)仍經(jīng)常發(fā)生變化 例如 在造紙生產(chǎn)過程中 紙 不斷地卷使得卷紙筒的慣性不斷地變化 為了保持傳送中的紙張力不變 馬達(dá) 的轉(zhuǎn)矩需要相應(yīng)地改變 常規(guī)調(diào)節(jié)器不可能得到很好的控制品質(zhì) 為此 需要 設(shè)計(jì)一種特殊的控制系統(tǒng) 它能夠自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次 參數(shù)和輸入信號(hào)方 面非預(yù)知的變化 即自適應(yīng)控制 本文以直流調(diào)速系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 探討了自 適應(yīng)方案的實(shí)現(xiàn) 采用模型參考自適應(yīng)控制方案 使系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)于被控對(duì)象 參數(shù)的變化 從而達(dá)到所要求的性能指標(biāo) 1 5 本課題所做的主要內(nèi)容 本文采用p w m 脈寬調(diào)制 控制方式 使用d s p 作為主控芯片 監(jiān)控系 統(tǒng)控制芯片使用p 8 9 c 6 6 9 單片機(jī) 通過上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè) 定和調(diào)節(jié)的數(shù)字億 同時(shí)從模型參考自適應(yīng)原理出發(fā) 探討其在雙閉環(huán)直流調(diào) 速系統(tǒng)中的應(yīng)用 具體工作是 1 電封閉直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件 軟件設(shè)計(jì) 2 p w m 控制單元的硬件 軟件設(shè)計(jì) 3 樣機(jī)開發(fā) 調(diào)試 對(duì)同軸電機(jī)機(jī)組完成電封閉加載實(shí)驗(yàn) 4 探討模型參考自適應(yīng)方案在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 提出了具體的實(shí) 現(xiàn)方案 給出了仿真結(jié)果 驗(yàn)證了方案的可行性 第2 室p w m 控制的數(shù)字化電封閉直流調(diào)速系統(tǒng)原理 2 1 電封閉原理 對(duì)于兩臺(tái)同軸對(duì)拖的直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)來說 一臺(tái)工作在電動(dòng)狀態(tài) 一臺(tái) 工作在發(fā)電狀態(tài) 為了實(shí)現(xiàn)能量回饋 可以將發(fā)電機(jī)的電樞和電動(dòng)機(jī)的電樞并 聯(lián)在一起 如圖2 1 所示 這樣 發(fā)電機(jī)發(fā)出的電就回饋到電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)又 將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 這樣就形成了能量上的封閉循環(huán) 電 網(wǎng)只需補(bǔ)充整個(gè)系統(tǒng)的電能損耗 如機(jī)械摩擦損耗 銅損 鐵損等 這就是電 封閉原理 圖2 1 p w l 控制的直流調(diào)速直流母線電封閉原理示意圖 4 2 2 直流調(diào)速系統(tǒng)p w m 控制方式 直流調(diào)速系統(tǒng)采用是p w m 控制方式 下面簡要介紹一下基本原理 0 a 原理圖 b 電壓波形圖 圖2 2 直流斬波器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 在原理圖2 2 a 中 v t 表示電力電子開關(guān)器件 v d 表示續(xù)流二極管 當(dāng) v t 導(dǎo)通時(shí) 直流電源電壓弧加到電動(dòng)機(jī)上 當(dāng)v t 關(guān)斷時(shí) 直流電源與電 機(jī)脫開 電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)v d 續(xù)流 兩端電壓接近于零 如此反復(fù) 電樞端電壓 波形如圖2 2 b 所示 這樣 電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 u d 等以 p u 2 1 上式中r 一可控電力電子器件v t 的開關(guān)周期 f 一開通時(shí)間 p 一占空 比 p t o t t o f 其中 為開關(guān)頻率l 圖2 3 a 為一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖 由v t l v t 4 共4 個(gè)電 力電子開關(guān)器件構(gòu)成橋式可逆脈沖寬度調(diào)制變化器 v t i 和v t 4 同時(shí)導(dǎo)通或關(guān) 斷 v t 2 和v t 3 同時(shí)通斷 使電動(dòng)機(jī)m 的電樞兩端承受 u 或一u s 改變兩組 開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)問 也就改變了電壓脈沖的寬度 得到電動(dòng)機(jī)兩端電壓波形 如圖2 3 b 所示 8 基本原理圈 乇 習(xí)r 廣 廠 u r u z 刊i 7 圖2 3 橋式可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形 5 旺 ot亡 乏 16南 如果用t 表示v t i 和v t 4 導(dǎo)通的時(shí)間 開關(guān)周期t 和占空比p 的定義和 上面相同 則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓平均值為 u d 2 p 一1 u s 2 2 雙極式控制的橋式可逆p w m 變換器優(yōu)點(diǎn)是 1 可使電機(jī)在四象限運(yùn)行 2 電機(jī)停止時(shí)有微振電流 能消除靜摩擦死區(qū) 3 低速平穩(wěn)性好 系統(tǒng)的 調(diào)速范圍可達(dá)1 2 0 0 0 0 左右 4 低速時(shí) 每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬 有利于保證器件的可靠導(dǎo)通 2 3 轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 2 3 1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖2 4 所示 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作 電流調(diào)節(jié)器的輸入 再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器u p e 從閉 環(huán)結(jié)構(gòu)上看 電流環(huán)在里面 稱作內(nèi)環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊 稱作外環(huán) 這就形成 了轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) a s i t 轉(zhuǎn)速調(diào)速器 a c r 一電流調(diào)節(jié)器 t g 一鍘速發(fā)電機(jī) t a 電流互感 j u p e 一電力電子變化器 圖2 4 轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 2 3 2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 為了獲得良好的靜 動(dòng)態(tài)性能 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用p l 調(diào)節(jié) 器 同時(shí) 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器a s r 的輸出限幅 電壓擴(kuò)i 決定了電流給定電壓的最大值 電流調(diào)節(jié)器a c r 的輸出限幅電壓仉 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓礬 系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2 5 所示 p 0 a 一轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) p 一電流反饋系數(shù) 圖2 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí) 兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和 a s r 的p i 調(diào)節(jié)作用使轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn) 速給定 a c r 的p i 調(diào)節(jié)作用使電流跟隨電流給定 只要調(diào)節(jié)器輸入端的反饋 信號(hào)不等于給定信號(hào) 調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)發(fā)生變化 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí) 輸出達(dá) 到限幅值 輸出為恒值 輸入量的變化不再影響輸出 除非有反向的輸入信號(hào) 使調(diào)節(jié)器退出飽和 換句話說 飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出問的聯(lián)系 相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán) 實(shí)際上 在正常運(yùn)行時(shí) 電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的 因此 對(duì)于 靜特性來說 只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 玩 v o 盯 u u 8 i 一 可得關(guān)系式為 以 肛言2 n o 2 4 y 一 從而得到圖2 6 靜特性的c 段 由于a s r 不飽和 礦i 廣 從 上述第二個(gè)關(guān)系式可知 i d n o 則砜 礦 a s r 將退出飽 和狀態(tài) 圖2 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小予厶時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 這時(shí) 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用 當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到l 后 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 電流調(diào) 節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用 系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差 得到過電流的自動(dòng)保護(hù) 1 2 4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 2 4 1 直流電機(jī)動(dòng)態(tài)模型 額定勵(lì)磁下他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖見圖2 7 圖2 7 直流電動(dòng)機(jī)等效電路圖 由圖2 7 可以列出微分方程整理后得 u d d e r l 十 尹d d 1 d 1 魯魯 2 6 2 7 式 2 6 2 7 中 丁 蘭一一電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) 月 一電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩 單位為a r m 2 c 一3 0 一電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比 單位為n m a 7 丁 竺 墨一電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) 單位為s 一 3 7 5c c 一包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 她 箬一負(fù)載電流 o 卅 將上述 2 6 2 7 式在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換 整理后可以得到額 定勵(lì)磁電流下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 見圖2 8 圖2 8 直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2 4 2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如圖2 9 所示 其中電力電力變化 器可以看作是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)n 其傳遞函數(shù)為k s t s s 1 電流和轉(zhuǎn)速反饋系 數(shù)分別為1 3 u 圖2 9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖中w 枷 s 和w 懈 s 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 如果 采用p i 調(diào)節(jié)器 則有 畎 r s k 三出 彳n s 吸c(diǎn) r j k i 型 j 2 8 2 9 p i 調(diào)節(jié)器的輸出由兩個(gè)分量組成 一是比例分量k p u t n 它使輸出立即響 應(yīng)輸入u i n 的變化 二是積分分量 k 口 f iu m 衍 它能隨時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)不 斷的積累 這里k t 1 分別為p i 調(diào)節(jié)器的比例放大器倍數(shù)與積分時(shí)間常數(shù) 當(dāng) 突加信號(hào)u i n 時(shí) 相當(dāng)于放大倍數(shù)為k p 的比例調(diào)節(jié)器 1 2 兒 當(dāng)u i n 不為零時(shí) 積分作用將不斷地繼續(xù)下去 輸出積累上升 直到限幅 最大值 一旦u i n 0 輸出保持在此時(shí)的數(shù)值上 穩(wěn)態(tài)時(shí)p i 調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)是 它本身的開環(huán)放大倍數(shù) 極大的開環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本無靜差 l4 1 p i 調(diào)節(jié)器在動(dòng)態(tài)時(shí)比例分量能迅速反應(yīng)輸入量的變化 對(duì)系統(tǒng)立即起調(diào)節(jié) 作用 在靜態(tài)時(shí)積分分量的記憶作用使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無靜差 得到較高的調(diào)速精度 2 5 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 2 5 1 電流環(huán)及電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 因?yàn)殡娏鳝h(huán)的主要作用是使電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值 即在突 加給定時(shí) 希望超調(diào)量越小越好 所以工程上一般把電流環(huán)校正成典型i 型系 統(tǒng) 典型i 型系統(tǒng)一般能滿足電流環(huán)對(duì)抗擾性能的要求 由上述雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2 10 如下 圖2 一1 0 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 用工程設(shè)計(jì)法進(jìn)行近似化簡 得到如圖2 1 1 所示動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡圖 幽2 1 1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖 由圖2 1 1 可知電流調(diào)節(jié)器應(yīng)選用p i 調(diào)節(jié)器 電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣 性的 其傳遞函數(shù)為 塹螋 z聲 2 10 上式中 k 一電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) f 一電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 為了使電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消掉控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)的極點(diǎn) 選擇 f f 乃 則化簡后的典型i 型系統(tǒng)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2 1 2 所示 圖2 1 2 典型i 型系統(tǒng)電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 其中局 警 2 5 2 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 1 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括五和f 時(shí)間常數(shù)t 巧 比例系數(shù)k 取決于所需的屹和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 下 希望電流超調(diào)量仃 5 可取阻尼比孝 0 7 0 7 k 乓 0 5 弘 2 專 d 得 牛黃姐5 歷rc 考 在一般情況 則 2 一1 1 2 1 2 2 5 3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 由于調(diào)速系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無靜差 且從動(dòng)態(tài)性能上看調(diào)速系統(tǒng)首先應(yīng)有較好 的抗擾性能 所以工程上一般將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典型i i 系統(tǒng) 15 1 在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí) 可將上面已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 的一個(gè)環(huán)節(jié) 為此須求出它的等效傳遞函數(shù) 由圖2 1 8 中電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖可得 其等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為 吼d 2 霹如 2 邗 又因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)截止頻率 一般很低 所以 s 可降階近似為 睨 卜匹哥 2 叫 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后 即可得整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 圖2 13 如下 圖2 1 3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 按工程方法進(jìn)行近似化簡得 圖2 1 4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖 由圖2 1 4 可知 若要將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型i i 型系統(tǒng) a s r 也應(yīng)采用p i 調(diào)節(jié)器 其傳遞函數(shù)為 1 2 s 盟r 業(yè)s 2 1 5 其中上式中 e 一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 乇一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間 常數(shù) 而調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 形 k a r r s 1 乙彪耵咚什1 j 2 島j d 2 1 6 其中由上式可知轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 繇 i k 麗 c t r 將 2 1 6 式代入2 1 4 圖中可得己化簡后的典型i i 型系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 如圖2 一l5 所示 圖2 1 5 典型i i 型系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 至于中頻寬h 應(yīng)選擇多少 要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定 無特殊要求時(shí) 般可選擇h 5 則a s r 的超前時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 a s r 的比例系數(shù)為 f 一2 力1 一 牛赫 k 甓警 7n 2 1 8 2 1 9 由于典型i 型系統(tǒng)的跟隨性能優(yōu)于典型i i 型系統(tǒng) 而典型i i 型系統(tǒng)的抗擾 性能優(yōu)于典型i 型系統(tǒng) 因此電流閉環(huán)的典型化應(yīng)視具體要求而定 一般說來 從快速起動(dòng)系統(tǒng)的要求出發(fā) 可按典型i 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán) 由于要求轉(zhuǎn)速無 靜差 因此轉(zhuǎn)速環(huán)均按典型i i 型系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 1 2 6 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化 以上介紹的是調(diào)節(jié)器的模擬電路設(shè)計(jì)方法 雖然模擬系統(tǒng)具有物理概念清 晰 控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn) 但模擬器件存在離散性 控制器參數(shù)及結(jié)構(gòu)不 好調(diào)整等缺點(diǎn) 在實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動(dòng) 加載和控制等方面還存在不便之處 隨著數(shù)字 信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展 愈來愈多的電力電子裝置從模擬化過渡到數(shù)字化 本系統(tǒng)足基于d s p 控制的全數(shù)字化直淵系統(tǒng) 主要涉及數(shù)字采樣 數(shù)字濾波 數(shù)字測速以及數(shù)字p i 調(diào)節(jié)幾個(gè)方面 1 數(shù)字采樣 微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)是離散系統(tǒng) 數(shù)字控制器必須定時(shí)的對(duì)給定信號(hào)和反饋 信號(hào)進(jìn)行采樣 要使離散的數(shù)字信號(hào)在處理完畢后能夠不失真地復(fù)現(xiàn)連續(xù)的模 擬信號(hào) 對(duì)系統(tǒng)的采樣頻率須有一定的要求 采樣頻率越高 離散系統(tǒng)越接近與連續(xù)系統(tǒng) 但存采樣周期內(nèi)必須完成信 號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換 完成控制運(yùn)算 并輸出控制信號(hào) 所以采樣周期不能太短 也就是說 采樣頻率總是有限的 另 方面 過高的采樣頻率可能造成不必要 的累計(jì)誤差 因此 在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中合理選取采樣頻率相當(dāng)重要 根據(jù)香農(nóng)采樣定理 采樣頻率f i 應(yīng)不小于信號(hào)最高頻率f m 2 數(shù)字測速 轉(zhuǎn)速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法 模擬測速一般采用測速發(fā)電機(jī) 模 擬測速方法的精度不夠高 在低速時(shí)更為嚴(yán)重 對(duì)f 要求精度高 調(diào)速范同大 的系統(tǒng) 往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速 即數(shù)字測速 采用旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字 測速力法有三種 m 法 t 法 和m t 法 3 數(shù)字濾波 在檢測得到的轉(zhuǎn)速信號(hào)中 不可避免地要混入一些干擾信號(hào) 采用模擬測 速時(shí) 常用由硬什組成的濾波器來濾除十?dāng)_信號(hào) 在數(shù)字測速中 硬件電路只 能對(duì)編碼器輸出脈沖起到整型 倍頻的作用 濾波往往用軟件來實(shí)現(xiàn) 常用的 濾波方法何 1 算術(shù)平均值濾波 其優(yōu)點(diǎn)是算法簡單 缺點(diǎn)是需要較多的采 樣次數(shù) j 能有明顯的平滑效果 2 中值濾波 其優(yōu)點(diǎn)是能有效地濾出偶然型 干擾脈沖 缺點(diǎn)是對(duì)干擾信號(hào)作用時(shí)間相對(duì)較長的情況無能為力 3 中值平 均濾波 優(yōu)點(diǎn)是既能濾除偶然型干擾脈沖 又能平滑濾波 缺點(diǎn)是程序較為復(fù) 雜 運(yùn)算暈較大 4 數(shù)字p i 調(diào)節(jié)器 目前調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器主要采用p i 調(diào)節(jié)器 當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí) 可以先 按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器 然后冉離散化 當(dāng)輸入是誤差函數(shù)e t 輸出函數(shù)是u t 時(shí) p i 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 w s 旦盟 墨旦型 1 1 e s r s 2 2 0 j 那么u f t 和e t 關(guān)系的時(shí)域表達(dá)式為 f 世 g f 當(dāng)p f 西 k p f k j e f a t 2 2 1 1 4 將上式離散化為差分方程 其第k 拍輸出為 t k e p t k i 乙 啪 置p p i 墨 p i u l 一1 2 2 2 其中 t s a m 為采樣周期 數(shù)字p i 調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法 式 2 2 1 表達(dá)的差分方 程為位置式算法 由等式右邊可知 比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān) 而積分部 分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積 由式 2 2 2 可知 p i 調(diào)節(jié)器的第k l 拍輸出 u k 一1 k p e t 一1 k j 一 p f 一1 2 2 3 可得當(dāng)前拍的輸出與上一拍輸出之差 酬幻 u k u k 一1 x m 妁一砸 n 局乇 d d 2 一z 4 j 因此可得 嫻2 砸一d 酬妁2 破一1 髟膩的一嗽一1 蜀7 0 2 2 5 式 2 2 5 就是增量式p i 調(diào)節(jié)器算法 可見增量式算法不需要作累加 控制 量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān) 計(jì)算誤差或計(jì)算精度問題 對(duì)控 制量的計(jì)算影響較小 因此 本文選用增量式p i 調(diào)節(jié)器 具體框圖見第四章 第3 章電封閉系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)及軟件設(shè)計(jì) 3 1 電封閉直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 電封閉南流調(diào)速系統(tǒng)主電路硬件設(shè)計(jì)如圖3 一l 所示 它主要由兩個(gè)p w m 控制單元組成 每個(gè)p w m 控制單元的主電路 驅(qū)動(dòng)電路 控制電路以及監(jiān)控 系統(tǒng)電路完全一系的 主電路功率輸出模塊主要采用智能功率模塊i p m 驅(qū)動(dòng)電 路使用光耦 控制電路的核心芯片是d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 監(jiān)控系統(tǒng)主要由單片 機(jī)p 8 9 c 6 6 9 控制 兩套p w m 控制單元分別給同軸的兩臺(tái)電機(jī)供電 同時(shí)將兩 個(gè)單元的直流母線連在一起 由于i p m 的能量流向是雙向控制的 當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā) 出的電通過可逆控制的i p m 模塊輸送到整流直流側(cè) 即傳送到電動(dòng)機(jī)直流側(cè) p 2 n 2 兩端 能量就從電動(dòng)一發(fā)電一電動(dòng)的循環(huán) 電網(wǎng)電壓也只是補(bǔ)充系統(tǒng)的 電能損耗 r ip 1 一 n 2 l p m 內(nèi)部簡化圖 圖3 1 電封閉主電路硬件設(shè)計(jì) 一 一 詈器軸 一 j 一哆 可一 l 羅i 一y l k 一圖 一 一 習(xí)o 面可 一 凈一鄉(xiāng)k rl廿 l c p l i f 一 一 舊 l 一 口二 姒暑 帕 了 冷l面州i 叫 了夸 攀一 咚l 一吣 i冷 了攀 一 夸毒乏 o o o m o o 卜 3 2p w m 控制單元硬件設(shè)計(jì) p w m 單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 2 所示 其主要分為主電路 控制電路以及 監(jiān)控電路 下面逐一分析 圖3 2 直流調(diào)速系統(tǒng)斬控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 3 2 1 主電路設(shè)計(jì) 3 2 1 1 主電路形式及其工作原理 圖3 3 所示是橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路 p w m 變換器 l 目的直流 電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生 并采用大電容c 濾波 以 獲得恒定的直流電壓u s 由于電容容量較大 突加電源時(shí)相當(dāng)于短路 勢必產(chǎn) 生很大的充電電流 容易損壞整流二極管 為了能限制充電電流 在整流器和 濾波電容之間串入限流電阻r 1 合上電源以后 延時(shí)用開關(guān)將r 1 短路 以免在 運(yùn)行中造成附加損耗 圖3 3 轎式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路 對(duì)于p w m 變換器中的濾波電容 其作用除了濾波外 還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí) 吸收運(yùn)行系統(tǒng)電能的作用 由于直流電源靠二極管整流器供電 不可能回饋電 能 電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電 這將使電容兩端電壓升高 即泵升電壓 1 1 9 在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中 不可能只靠電容器來限制泵升電壓 這時(shí) 可以采用上圖中的鎮(zhèn)流電阻r 2 來消耗掉部分電能 分流電路靠開關(guān)器 g 5 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通 這就是我們通常所說的 卸載 1 2 0 l 3 2 1 2 電路元器件及其參數(shù)選擇 a p m 模塊的選擇及其特性 在中 小功率直流調(diào)速系統(tǒng)中 功率輸出模塊都采用i p m i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e 模塊 它體積小 功能多 使用方便 采用i p m 模塊 一方面可以簡 化驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 提高系統(tǒng)的可靠性 另一方面可以縮短設(shè)計(jì)周 期 減少系統(tǒng)體積 降低設(shè)計(jì)成本 基于上述i p m 模塊的諸多優(yōu)點(diǎn) 本系統(tǒng)電源模塊單元選用此類模塊 采用 三菱公司p s 2 1 8 6 7 智能功率模塊 該模塊采用第5 代i g b t 工藝把功率開關(guān)器 件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起 而且還內(nèi)置有過電壓 過電流 過熱等故障檢測電 路 它由低功耗的管芯和優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成 即使發(fā) 生負(fù)載故障或使用不當(dāng)也不會(huì)損壞i p m l 2 模塊內(nèi)共六個(gè)i g b t 允許承受的 峰值電壓是6 0 0 v 峰值電流是1 0 0 a b 輸入側(cè)電容器估算 輸入側(cè)電容c 的取值與負(fù)載參數(shù) 電解電容c 上允許的電壓變化量 酢有 關(guān) 準(zhǔn)確求解 啡的表達(dá)式比較復(fù)雜 設(shè)計(jì)到超越函數(shù)方程式 工程上不要求 那么準(zhǔn)確 電解電容的容量計(jì)算通常按式 3 1 計(jì)算 c 3 5 丁 r a 1 式中 t 為輸入側(cè)直流電壓的脈動(dòng)周期 r l 為直流側(cè)等效負(fù)載電阻 工頻 電源供電時(shí)t 較大 輸入側(cè)電容容量計(jì)算用上述公式 取3 5 8 0 礦 本系統(tǒng) 采用四個(gè)i 0 0 0 f 4 0 0 v 電容串聰 3 2 2 控制電路硬件設(shè)計(jì) 控制電路以d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 為控制核心 以隔離驅(qū)動(dòng)單元 a d 采樣 單元 通訊保護(hù)單元和電源模塊為輔助電路 再配以顯示 鍵盤等外圍電路 通過通信接口與上位機(jī)或其它外設(shè)交換數(shù)據(jù) 3 2 2 1 核心控制芯片d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 簡介 d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 是t i 公司生產(chǎn)的專門用于電機(jī)控制的高性能3 2 位 d s p 其主要特點(diǎn)包括 2 2 采用高性能靜態(tài)c m o s 工藝 使得芯片供電電壓降為3 3 v 減小了控制 器的功耗 4 0 m h z 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到2 5 n s 從而提高了控制器的實(shí)時(shí) 控制能力 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核 保證了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 代碼核 保證了t m s 3 2 0 系列d s p 代碼兼容 有高達(dá)3 2 k 字的f l a s h 程序存儲(chǔ)器 高達(dá)1 5 k 字的數(shù)據(jù) 程序r a m 5 4 4 字節(jié)的雙口r a m d a r a m 和2 k 字的單口r a m s a r a m 兩個(gè)管理器模塊e v a 和e v b 每個(gè)模塊包括 兩個(gè)1 6 位的通用定時(shí)器 8 個(gè)1 6 位脈寬調(diào)制 p w m 通道 它們能夠?qū)崿F(xiàn) 三相反相器控制 p w m 的對(duì)稱和非對(duì)稱波形 當(dāng)外部引腳p d p i n t x 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)斷 p w m 通道 可編程的p w m 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈 沖 3 個(gè)捕獲單元 片內(nèi)光電編碼器接口電路 8 位a d 轉(zhuǎn)換器 最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為5 0 0 n s 可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸 發(fā) 可設(shè)置成兩個(gè)8 通道輸入a d 轉(zhuǎn)換器或一個(gè)1 6 通道輸入的a d 轉(zhuǎn) 換器 控制器局域網(wǎng)絡(luò) c a n 2 0 模塊 串行通信接1 2 1 s c l 模塊 1 6 為的串行外設(shè)接1 2 s p d 模塊 基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器 高達(dá)4 0 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入 輸出引腳 g p i o 5 個(gè)外部中斷 兩個(gè)電機(jī)保護(hù) 復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷 電源管理模塊包括3 種低功耗模式 能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工 作模式 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a 的絕大多數(shù)指令均為單周期指令 指令周期為2 5 n s 可以保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地控制算法 d s p2 4 0 6 支持c 語言和匯編語言混合 編程 用匯編語言編寫實(shí)時(shí)性要求高 對(duì)底層硬件直接操作的模塊 用c 語 言編寫算法復(fù)雜的模塊 另外由t i 工司提供的c c s 編譯環(huán)境是基于w i n d o w s 的 它界面友好 功能強(qiáng)大而且支持硬件在線仿真 大大方便系統(tǒng)的開發(fā) 正 是基于以上特性 我們選用了d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 作為本系統(tǒng)的核心控制 芯片 3 2 2 2d s p 電源設(shè)計(jì) d s p 所需電源是3 3 v 而且對(duì)電源的可靠性要求高 輔助電源模塊提供 的是最低電壓等級(jí)是5 v 需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換 t p s 7 3 x x 是一款電壓調(diào)節(jié)器 它的輸出電壓可以是固定的 也可以是可調(diào)的 本系統(tǒng)采用5 v 轉(zhuǎn)3 3 v 專用芯 片t p s 7 3 3 3 其具有功耗小 跌落電壓低的特點(diǎn) 它在輸出晟大電流5 0 0 m a 時(shí) 的電壓跌落只有o 2 2 v 完全滿足d s p 對(duì)電源 最小3 v 最大3 6 v 的要求 另 外t p s 7 3 3 3 的 r e s e t 引腳會(huì)在系統(tǒng)欠壓恢復(fù)后或系統(tǒng)剛上電后提供一個(gè)寬度 為2 0 m s 的低電平 幫助鍤處理器可靠復(fù)位 d s p 電源設(shè)計(jì)如圖3 4 所示 圖 中 r s 引腳接d s p 的復(fù)位引腳 3 3 v 為d s p 提供的是數(shù)字電壓 3 3 v a 是模擬 電壓 3 3 v o 是鎖相倍頻電壓 u 圖3 4d s p 電源5 v 3 3 v 電路j 殳計(jì) 3 2 2 3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 如圖3 5 所示 隔離驅(qū)動(dòng)單元的隔離驅(qū)動(dòng)采用安捷倫高速光耦h c p l 4 5 0 4 p m l p m 5 由d s p 的p w m 口發(fā)出 其中p m l p m 4 信號(hào)一致 p m 2 p m 3 信號(hào)一致 且p m i p m 4 和p m 2 p m 3 信號(hào)上是互補(bǔ)的 為了防止整流側(cè)泵 升電壓過高 p w b r 導(dǎo)通w 組下橋臂i o b t 管起到了卸載的作用 3 2 2 4 故障保護(hù)設(shè)計(jì) 圖3 5 驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)簡圖 由于系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)過流 短路的現(xiàn)象 故i p m 具有一定的保 護(hù)功能 當(dāng)故障發(fā)生時(shí) i p m 模塊f o1 2 1 會(huì)自動(dòng)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào) p n p 三 投管隨即導(dǎo)通 于是光耦的發(fā)光側(cè)出現(xiàn)了回路 光耦開始工作 f o c 信號(hào)被鉗 位為低電平 送入如圖3 6 所示的過流保護(hù)自鎖電路 只要發(fā)生過流 自鎖輸 出端始終為低電平 即d s p 的p d p i n t a 引腳為低 使得事件管理器中的比較單 元寄存器c o m c o n a 的第8 位處于低有效 從而使得該寄存器的第9 位清零 即p w m 輸入引腳為高阻態(tài) p w m 波終止 因此起到了保護(hù)的作用 3 2 2 5 采樣電路硬件設(shè)計(jì) 圈3 6 故障保護(hù)硬件電路 由于系統(tǒng)采用的電流 轉(zhuǎn)速職閉環(huán)控制 故需要對(duì)電樞回路的電流 電機(jī) 轉(zhuǎn)速 勵(lì)磁電流進(jìn)行采樣 同時(shí)由于考率到直流側(cè)的電壓泵升現(xiàn)象的出現(xiàn) 有 必要對(duì)整流側(cè)的直流電壓進(jìn)行采樣 d s p 提供的a d 轉(zhuǎn)換通道共1 6 個(gè) 且內(nèi)置 采樣和保持 s h 器 分辨率為l o 位 完全滿足系統(tǒng)的精度要求 如圖3 7 所示 為直流母線電壓采樣電路 由于系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)電壓采樣精 度要求很高 故系統(tǒng)采用雙線性光耦采樣電路 由上圖可知 圖3 7 整流直流側(cè)電壓采樣 等 志 3 2 ur r 由公式 3 2 可知 適當(dāng)?shù)倪x擇r l r 2 r 3 就可以相應(yīng)地降低采樣電壓u d 使ud 在o 3 3 v 之間 對(duì)電樞電流的采樣通過電流霍爾傳感器h d c l