DKSZ-Ⅲ電機(jī)實驗裝置的數(shù)字化改造

謝慕君,俞雪林,牛曉升

(長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長春130012)

0 引言

“電力拖動自動控制系統(tǒng)”是自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)課,該課程重點分析實際控制系統(tǒng)的組成和特點,應(yīng)用控制理論解決系統(tǒng)中的實際問題,通過各種典型線路的介紹、動態(tài)工程設(shè)計方法的學(xué)習(xí)和實驗裝置的調(diào)試,從而建立起一個由理論到實踐的調(diào)速系統(tǒng)學(xué)習(xí)體系[1]。

DKSZ-Ⅲ電機(jī)控制系統(tǒng)實驗裝置是浙江大學(xué)方圓公司生產(chǎn)的實驗設(shè)備,主要針對“電機(jī)及拖動基礎(chǔ)”、“電力電子技術(shù)”、“自動控制原理”和“電力拖動自動控制系統(tǒng)”等課程開設(shè)實驗。由于我校原有設(shè)備都是基于模擬電子線路實驗配置的,不適應(yīng)單片機(jī)、數(shù)字信號處理器等數(shù)字控制的實驗內(nèi)容。改造后的裝置采用模塊化設(shè)計和掛箱式結(jié)構(gòu),為數(shù)控實驗平臺提供了可能。

本文基于原有的DKSZ-Ⅲ電機(jī)控制系統(tǒng)實驗裝置,設(shè)計了基于DSP的數(shù)字調(diào)速實驗掛箱,實現(xiàn)了直流雙閉環(huán)的數(shù)字控制,為“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程提供了數(shù)字控制的實驗平臺。

1 數(shù)字調(diào)速實驗掛箱硬件設(shè)計

我們在原有的DKSZ-Ⅲ電機(jī)控制系統(tǒng)實驗裝置上,進(jìn)行了功能擴(kuò)展,增加數(shù)字控制功能。新增的數(shù)字化控制器不影響原有的模擬調(diào)節(jié)器,只是在現(xiàn)有的實驗裝置上增加一個數(shù)字調(diào)速實驗掛箱。它是采用數(shù)字信號處理器DSP及相應(yīng)外圍接口電路來實現(xiàn)的。

1)系統(tǒng)組成及工作原理

由數(shù)字調(diào)速實驗掛箱實現(xiàn)的數(shù)字控制直流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。虛線框內(nèi)為設(shè)計的數(shù)字調(diào)速實驗掛箱,虛線框外為實驗裝置原有的單元電路。

圖1 數(shù)字控制直流雙閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖

數(shù)字調(diào)速實驗掛箱以DSP芯片TMS320LF2407作為核心,把轉(zhuǎn)速給定信號(電壓值)、轉(zhuǎn)速反饋信號和電流反饋信號經(jīng)由DSP內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換器采樣,再經(jīng)數(shù)字PI控制算法運算輸出控制量Uct,最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號加到實驗裝置原有的觸發(fā)器上對三相全控橋進(jìn)行移相觸發(fā)。

2)數(shù)字調(diào)速實驗掛箱硬件電路設(shè)計

掛箱硬件電路具有如下功能:①完成速度給定信號、速度反饋信號以及電流反饋信號的采集;②轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)電流閉環(huán)控制;③控制量數(shù)模轉(zhuǎn)換及輸出;④接收上位計算機(jī)控制命令;⑤供電。

掛箱功能框圖如圖2所示。

3)主控電路

掛箱的CPU選用TI公司高性能的16位定點式數(shù)字信號處理芯片TMS320LF2407作為核心控制器件,其工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的CPU控制器的運算速度,外部時鐘達(dá)到了20MHz,通過內(nèi)部鎖相環(huán)電路處理可使系統(tǒng)運行時鐘達(dá)到40MHz。信號采樣電路采用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器,共16條通道,資源充分,轉(zhuǎn)換精度10位,轉(zhuǎn)換時間為50μ s。

圖2 數(shù)字化調(diào)速實驗掛箱功能框圖

4)D/A輸出電路

D/A轉(zhuǎn)換器采用AD公司的DAC8562,它具有12位高精度,采用并行數(shù)據(jù)輸入,運用CBCMOS做信號處理,其參考電壓一般為+2.5V。該D/A轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸出電壓為0～+4.095V。

5)電源電路

掛箱的電源管理單元由兩部分組成。整個系統(tǒng)供電為+24V,選用Mornsun公司的DC/DC模塊B2405,對+24V輸入電壓進(jìn)行調(diào)整后,輸出一路+5V電源。+5V電源為DSP的外圍接口電路供電,同時接到DSP的VCCP引腳,為DSP提供編程電壓。用于DSP工作的電源來自MIC5209-3.3BS變換器,同時也作為A/D模塊的基準(zhǔn)電壓。

6)接口部分

為了滿足實驗課程操作的需求,我們讓掛箱預(yù)留了DSP調(diào)試接口,以便進(jìn)行在線編程和調(diào)試。我們在設(shè)計時預(yù)留了與上位機(jī)通訊的接口,當(dāng)需要運用上位機(jī)來修改系統(tǒng)參數(shù),或由上位機(jī)模擬出電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線時,只需借助上位機(jī)界面,同時對下位機(jī)程序做相應(yīng)修改即可實現(xiàn)PC機(jī)控制功能。

2 數(shù)字調(diào)速實驗掛箱軟件設(shè)計

軟件程序主體用C語言編寫,對于占用處理器時間較多的算法程序和I/O接口操作則采用匯編語言編程。匯編代碼以C語言可調(diào)用的函數(shù)的形式出現(xiàn),把C語言和匯編語言的優(yōu)點有機(jī)地結(jié)合起來[2]。

設(shè)計的ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。先按模擬系統(tǒng)的工程設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器,然后再對其進(jìn)行離散化,就可以得到數(shù)字控制器的設(shè)計參數(shù)。軟件包括主程序和中斷服務(wù)程序。主程序主要完成系統(tǒng)初始化和調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置等功能。中斷服務(wù)程序主要進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的PI運算,輸出控制量。

3 結(jié)語

基于DKSZ-Ⅲ電機(jī)控制實驗裝置的數(shù)字調(diào)速實驗掛箱具有如下特點。

通過采用數(shù)字信號處理器DSP和引入計算機(jī)控制,對原有實驗裝置的功能進(jìn)行數(shù)字化方向上的擴(kuò)展,增加了新的實驗內(nèi)容,形成電機(jī)數(shù)字化控制實驗平臺,開展了綜合性設(shè)計性實驗。這樣可提高學(xué)生學(xué)習(xí)新技術(shù)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生計算機(jī)應(yīng)用能力及科學(xué)研究能力,同時也符合當(dāng)前電機(jī)控制向數(shù)字化方向發(fā)展的趨勢。

我們開發(fā)的數(shù)字調(diào)速實驗掛箱已被應(yīng)用到學(xué)生的綜合實驗中,達(dá)到了預(yù)期的目的和效果,克服了以往只能進(jìn)行模擬雙閉環(huán)實驗的不足。

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)(第二版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996

[2] 楊曉梅,王建,黃家英等.基于Simulink的虛擬現(xiàn)實直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真[J].上海:實驗室研究與探索,2005,24(增刊):318-320