淺談高性能直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用論文

1、淺談高性能直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用論文80 年代以來，國外的四象限可逆直流調(diào)速器已經(jīng)發(fā)展得很成熟， 例如在國內(nèi)的熱銷產(chǎn)品有歐陸的 590系列和西門子的6RA70等。590 系列中所有的控制算法都由最新的局速 32 位微處理完成，控制軟件 包的結(jié)構(gòu)以及微處理器處理速度可以保證所有控制同路的調(diào)節(jié)作用 在主電路六個可控硅橋的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)完成， 以保證電流環(huán)的采樣時間 小于3.3ms （50Hz電源）或2.67ms（60Hz電源），速度環(huán)算法也可在此 時間內(nèi)完成，以獲得優(yōu)越的性能。 這些產(chǎn)品能提供精確的電機扭知控 制、速度和位置控制。但國外產(chǎn)品價格昂貴，維修不便，給生產(chǎn)帶來 了諸多不利因素及不便之處。目前，直

2、流調(diào)速器采用單片機控制器結(jié)構(gòu)，并不能滿足現(xiàn)今的 控制要求。因此本課題針對國內(nèi)數(shù)字直流調(diào)速裝置發(fā)展現(xiàn)狀以及國內(nèi) 市場對于直流調(diào)速裝置的應(yīng)用需求， 結(jié)合當(dāng)前微電子技術(shù)和嵌入式為 控制的優(yōu)越性能，選用ARM處理器作為控制核心，并配以復(fù)雜可編程 邏輯控制器CPLD輔佐，開發(fā)出一款局性能的可逆直流調(diào)速器，并采 用適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕?使其能夠勝任工業(yè)現(xiàn)場的速度過程控制。 其對于 國內(nèi)數(shù)字直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用與推廣具有理論和實用價值。1 系統(tǒng)設(shè)計1.1 可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理改變電樞電流方向或者勵磁磁通方向，都能實現(xiàn)電機的可逆運 行，因為電樞同路電感較小，正反向切換快速，因此一般用于頻繁起 制動、過渡過程時間短、中

3、小容量電機上 ; 而勵磁同路電感量較大， 正反向切換較慢， 因此適用于不要求快速正反轉(zhuǎn)和快速停、 啟動的大 容量可逆系統(tǒng)中、在本課題中，我們要求電機能夠快速的停啟動，需 要能夠以較快的速度切換晶閘管， 因此需要使用電樞可逆、 由于晶閘 管的單向?qū)ㄐ裕?要實現(xiàn)直流電機的可逆運行， 需要使用兩組晶閘管 并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，常用的電樞可逆電路。使用線路會有環(huán)流的問題，為了保護用電設(shè)備，我們需要對兩 組晶閘管加以控制， 使其每個時刻只能導(dǎo)通一組， 實現(xiàn)邏輯無環(huán)流控 制。在系統(tǒng)中我們設(shè)置了邏輯無環(huán)流控制器DLC它根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，指揮正反晶閘管的通斷。在控制方法上，使用轉(zhuǎn)速、電流雙 閉環(huán)控制能夠保證調(diào)節(jié)電機

4、電流既滿足以較快的速度跟進電機的速 度設(shè)定值， 又不至于產(chǎn)生過大的電流損壞電機。 這種結(jié)構(gòu)為工程設(shè)計 和調(diào)試工作帶來極大的便利。1.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計他勵直流電機主要有三種調(diào)速方式 : 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速、 改變電 樞同路電阻調(diào)速、 弱磁升速。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的 系統(tǒng)來說，調(diào)壓調(diào)速的方式最好。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為 主。對直流電機調(diào)壓調(diào)速的方式，應(yīng)用中普遍采用控制晶閘管的移 相觸發(fā)，調(diào)整前端整流電路中電壓的輸出，來控制電機的轉(zhuǎn)速，與此 同時直流電機的勵磁控制也是通過晶閘管移相觸發(fā)來調(diào)整勵磁電壓， 以達到控制勵磁電流的目的， 工業(yè)中對于直流電機速度和勵磁分別采 用三相全

5、控橋和單相橋式半控整流電路來提供直流電壓。2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 為了系統(tǒng)擴展升級的便利性以及保證控制性能，本系統(tǒng)采用了 ARM+CPL為核心的控制方式，輔以一些外圍電電路，例如電流檢測、 電壓檢測，脈沖觸發(fā)電路等，實現(xiàn)了直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，采用 ARM 和可編程器件的混合方式， 使系統(tǒng)的性能得到大大的提局， 它們的分 工如下:ARM主要負(fù)責(zé)控制流程的監(jiān)控以及數(shù)值運算，CPLD主要完成各 種邏輯電路的設(shè)計， 包括邏輯控制器的實現(xiàn)、 三相過零觸發(fā)鑒別、 A/D 的采樣時序電路 ,12 相晶閘管脈沖電路時序電路等、轉(zhuǎn)速、電流、速 度設(shè)定值等檢測信號由模擬開關(guān)輸入，經(jīng)調(diào)理后進行 A/D 轉(zhuǎn)換并由 CPL

6、D保存AD值;過零觸發(fā)觸電開關(guān)信號等均由 CPLD采集，然后通過 與ARM進行通信，將這些數(shù)據(jù)送入 ARM進行計算；控制器通過雙閉環(huán) PID 計算，計算出電樞和勵磁的觸發(fā)時間然后把觸發(fā)時間送入 CPLD 的定時器巾在定時時間到的時候,CPLD可向晶閘管發(fā)送脈沖信號，導(dǎo) 通相應(yīng)的晶閘管；大機交互則由LCD和鍵盤電路完成；485通信電路主 要完成后期的功能擴展。3 控制算法設(shè)計3.1 電機的運行狀態(tài) 在電機控制算法方面，采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為速度環(huán)ASR，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)ACR電流環(huán)接受速度環(huán)的輸出作為控制目標(biāo)，調(diào)節(jié)電機電流既滿足以較快的速度跟進電機的速度設(shè)定值， 又不至于產(chǎn)生過大 的電流損壞電機。這

7、種結(jié)構(gòu)為工程設(shè)計和調(diào)試工作帶來極大的便利。 因為實現(xiàn)電機的可逆運行， 需要控制兩組晶閘管， 因此在控制算法上 一定要根據(jù)電機的各種運行狀態(tài)， 正確的控制兩組晶閘管的觸發(fā)脈沖 的封鎖和開放。3.2 電機控制算法實現(xiàn)在采用電機雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，電流環(huán)和速度環(huán)一般使用 PI 算法實現(xiàn) ,PID 控制在工業(yè)應(yīng)用上已經(jīng)非常成熟， 并且控制精度較局， 參數(shù)調(diào)整也比較簡單，魯棒性好。單純使用 PID 會有很多缺點，并且在實際的雙閉環(huán)控制模型中， 實際的控制量輸出是受到三相橋式全控整流帶負(fù)載情況限制的， 并且 三相電源的輸出控制角為 0到 900，為了保證有一定的安全裕度，我 們需要把整流角和逆變角限制在

8、30到 900,因此需要對每個控制器的 輸出加上限幅。在一般的 PID 算法中，若積分作用太強，會導(dǎo)致積分飽和現(xiàn)象 而使系統(tǒng)產(chǎn)生過大的超調(diào)量， 因此需要根據(jù)情況削弱積分項， 常用的 方法是采用積分分離來實現(xiàn)。3.3 晶閘管換向的實現(xiàn) 由于電機正向運行的和反向制動的時候，轉(zhuǎn)知方向為正，即電 流為正 ; 電機反向運行和正向制動的時候，轉(zhuǎn)知為負(fù)，即電流為負(fù)。因此我們選用轉(zhuǎn)知信號作為 DLC的輸入信號，轉(zhuǎn)知極性的真正變化還 要延遲一段時間， 以防止逆變顛覆、 只有電流真正過零之后才能切換晶閘管，因此需要測量零電流信號作為 DLC的輸入。4 軟件設(shè)計系統(tǒng)采用嵌入式C/OS實時操作系統(tǒng)，每項功能都設(shè)計成一個任 務(wù)，在操作系統(tǒng)中統(tǒng)一調(diào)度運行、 這就使得應(yīng)用程序的設(shè)計和擴展變 得容易，無需大的改動就可以增加新的功能、在操作系統(tǒng)上，可將軟 件設(shè)計主要分為以下幾個模塊 :1) 控制傳輸模塊，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的調(diào)度，與 CPLD進行通信，完 成所需數(shù)據(jù)的傳遞。2) 計算模塊，負(fù)責(zé)對所采集數(shù)據(jù)進行處理。3) 中斷，三相過零信號觸發(fā)中斷，送出晶閘管控制信號、