數(shù)字化相控直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究

張 鵬，蘇建徽

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是電力傳動(dòng)專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)。我校原有的直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行已有20余年，系統(tǒng)控制器的構(gòu)成采用的是分立元件，故障率高、穩(wěn)定性差，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前專業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展需要。目前市場(chǎng)上直流調(diào)速控制器一般采用的是專用集成電路，或采用進(jìn)口整機(jī)集成構(gòu)成[1－2]，這些設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定型有保障，但實(shí)驗(yàn)的開放性和靈活性較弱。為此，決定研制全數(shù)字化直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置[3－4]，采用電機(jī)專用的DSP作為主控制芯片，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的晶閘管相控調(diào)速的數(shù)字化控制[5]，可避免模擬器件因溫漂而產(chǎn)生的運(yùn)算誤差。該系統(tǒng)控制器參數(shù)可調(diào)，控制模式組態(tài)靈活多樣，軟件開放，具有完善、全面的關(guān)鍵波形測(cè)量接口。針對(duì)晶閘管的誤觸發(fā)引起的故障[6－7]，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了偽故障發(fā)生功能，通過輸出故障波形，培養(yǎng)學(xué)生的故障分析和故障解決能力。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 主電路拓?fù)?/h3>

系統(tǒng)硬件電路包含功率主電路和控制電路。供電主電路如圖1所示，含有四象限三相全橋SCR相控單元和單相半控橋勵(lì)磁單元。

三相380V電壓經(jīng)過變壓器隔離后接到端子A、B、C，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)力供電與電網(wǎng)隔離，操作安全且維修方便。VT11—VT16和VT21—VT26兩組三相全控橋構(gòu)成反并聯(lián)整流電路，DA、DB為主電路直流電壓輸出，接入電機(jī)電樞繞組，使電機(jī)M既可運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，又可運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)。VT31、VT33、D32、D34構(gòu)成的單相半控整流電路，EA、EB為勵(lì)磁電壓輸出，接入電機(jī)勵(lì)磁繞組，可用于弱磁調(diào)速。圖1中TG為測(cè)速發(fā)電機(jī)。

圖1 主電路圖

該系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如下：

（1）額定輸入：三相380V／50Hz，10A；

（2）額定輸出：DC 220V，10A；

（3）電機(jī)額定參數(shù)：DC 220V，10A，1500 r／min；

（4）邏輯無環(huán)流工作方式；

（5）額定勵(lì)磁電壓220V，最大勵(lì)磁電流5A；

（6）具有電機(jī)轉(zhuǎn)速光柵編碼反饋、測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋接口。

1.2 整體結(jié)構(gòu)及原理

圖2是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制電路硬件結(jié)構(gòu)[8－9]，提高可靠性、一致性和穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全數(shù)字化控制方案，即多個(gè)參數(shù)的采樣、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)跟蹤控制、多路觸發(fā)脈沖、通信和各種保護(hù)等均由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）完成。本系統(tǒng)選用TI公司的電機(jī)專用DSP數(shù)據(jù)處理芯片TMS320LF2406A作為控制核心。圖3為控制電路的實(shí)物圖。

圖3 控制電路的實(shí)物圖

為便于操作和系統(tǒng)管理，系統(tǒng)設(shè)置了鍵盤和液晶顯示單元作為人機(jī)接口，以RS485方式與DSP通信。該單元采用飛利浦的P89C669單片機(jī)控制，減輕了DSP程序負(fù)擔(dān)，具有良好的靈活性且擴(kuò)展性強(qiáng)。該單元的主要功能有：實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)及采樣參數(shù)，如電網(wǎng)電壓、電樞電壓、直流電壓、溫度和報(bào)警信息等；在線設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)，如設(shè)定電壓／轉(zhuǎn)速環(huán)PI參數(shù)、電流環(huán)PI參數(shù)等，該部分參數(shù)是由學(xué)生按系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)好后再通過液晶鍵盤設(shè)定。

2 數(shù)字控制結(jié)構(gòu)及功能參數(shù)選擇

相對(duì)以前的模擬直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置，本數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置集成度更高。為便于學(xué)生建立實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)概念，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上為學(xué)生給出系統(tǒng)控制框圖，各部分參數(shù)均可進(jìn)行數(shù)字設(shè)定，可以根據(jù)用戶的需要組態(tài)構(gòu)成，所有操作選擇均由液晶鍵盤輸入，構(gòu)筑所需的控制結(jié)構(gòu)。

2.1 直流調(diào)速方法

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速n方程為

式中：U 為電樞電壓；Ia為電樞電流；R為電樞回路總電阻；Φ為每極磁通；Ce為電樞電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，是個(gè)常數(shù)。

由式（1）可知，通過改變電樞電壓U、電樞電阻R和勵(lì)磁磁通Φ3個(gè)電路參數(shù)可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

在負(fù)載不變的情況下，保持勵(lì)磁與電樞電阻不變，電樞電壓調(diào)速方法的調(diào)速范圍較大，且機(jī)械特性曲線不變，電機(jī)的運(yùn)行特性良好，能在低速下運(yùn)行，當(dāng)電源電壓平滑調(diào)節(jié)時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。本系統(tǒng)采用電樞電壓調(diào)速方法，直流調(diào)速的控制策略如圖4所示。

由圖4可知，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制。n′為給定轉(zhuǎn)速，n為測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)出的電機(jī)轉(zhuǎn)速。數(shù)字化PI調(diào)節(jié)器是目前最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)在調(diào)速系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器和電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器[10－12]。隨著電機(jī)控制的數(shù)字化，一些新的控制方式，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模型參考自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制等也逐漸進(jìn)入電機(jī)控制領(lǐng)域，因此，考慮日后進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的開放性，可將調(diào)節(jié)器模塊的接口參數(shù)定義成公共變量，屆時(shí)學(xué)生可編寫不同控制策略的調(diào)節(jié)器程序，更深入了解各種控制策略對(duì)調(diào)速性能的影響。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為經(jīng)限幅值為1后作為給定I′電流。為滿足系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)性要求及過流保護(hù)，設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，電流調(diào)節(jié)器的輸出作為觸發(fā)角α，參考電網(wǎng)同步信號(hào)，再與邏輯無環(huán)流控制（DLC）結(jié)合，產(chǎn)生如圖5（a）所示的觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)移相電流的快速跟蹤控制。

由于觸發(fā)角分區(qū)移相是以電網(wǎng)同步電路產(chǎn)生的同步脈沖序列基本均勻（脈沖間隔60°）為前提的，當(dāng)同步電路參數(shù)不一致而造成同步脈沖間隔發(fā)生偏差時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)漏觸發(fā)現(xiàn)象，直接影響系統(tǒng)的調(diào)速性能。因此，對(duì)觸發(fā)脈沖要進(jìn)行補(bǔ)發(fā)，見圖5（a），以消除漏觸發(fā)現(xiàn)象。圖5（b）顯示了SCR相控空載時(shí)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)及停機(jī)過程，可以看出，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，超調(diào)小，停機(jī)過程平緩。

2.2 給定值數(shù)字選擇

圖6為給定值模塊，在給定值選擇模塊中，主要完成系統(tǒng)給定值的選擇和軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置。

為滿足不同用戶要求，系統(tǒng)的給定值分鍵盤操作的轉(zhuǎn)速給定和電位器輸入的速度給定，用戶可通過液晶選單（菜單）“給定1選擇”進(jìn)行設(shè)定。其實(shí)，該參數(shù)也可用于電樞電壓的設(shè)定，這取決于外環(huán)反饋量的選擇。該模塊還與轉(zhuǎn)速方向操作有聯(lián)系，可通過硬件正轉(zhuǎn)開關(guān)和反轉(zhuǎn)開關(guān)選擇正轉(zhuǎn)模式、反轉(zhuǎn)模式或者停機(jī)模式。另外，還對(duì)外環(huán)給定值進(jìn)行軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)時(shí)間也由液晶選單設(shè)定，軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)的最終輸出為圖4中外環(huán)調(diào)節(jié)器的給定n′。

2.3 反饋值數(shù)字選擇

反饋值選擇模塊如圖7所示，該模塊包含反饋值的選擇和該值的濾波處理，用戶根據(jù)控制要求選擇反饋方式。該模塊的反饋量可以選擇4種方式：（1）測(cè)速發(fā)電機(jī)的模擬電壓反饋；（2）電機(jī)增量式光電碼盤反饋；（3）電機(jī)反電勢(shì)反饋；（4）其他模擬變量反饋。

反電勢(shì)反饋（或電樞電壓反饋）提供電流補(bǔ)償控制，該補(bǔ)償方式可以提高系統(tǒng)調(diào)速精度和機(jī)械特性。電流補(bǔ)償系數(shù)由電機(jī)電樞電阻的大小確定。根據(jù)公式E＝Ud－IR（E為電機(jī)電動(dòng)勢(shì)，Ud為電樞電壓，I為電樞電流），電樞電阻R越大，則補(bǔ)償系數(shù)越大；但值得注意的是，不能過補(bǔ)償，否則，隨著負(fù)載增加，負(fù)載轉(zhuǎn)速特性曲線會(huì)上翹。

濾波模塊提供對(duì)反饋?zhàn)兞康臑V波處理，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，濾波參數(shù)可以通過液晶選單設(shè)定。該模塊的最終輸出為圖4中外環(huán)調(diào)節(jié)器的反饋n。

2.4 速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定

圖8為速度調(diào)節(jié)器模塊，含有調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇。

速度調(diào)節(jié)器基本結(jié)構(gòu)為比例積分PI結(jié)構(gòu)，也可以采用分段式的積分分離非線性PI調(diào)節(jié)器，以獲得比線性PI調(diào)節(jié)器更好的控制特性。速度調(diào)節(jié)器的限幅值來源通過參數(shù)“給定2選擇”設(shè)定，可以選擇數(shù)字設(shè)定或外部電位器模擬量設(shè)定。這種選擇方式為系統(tǒng)的電壓或電流控制提供了靈活性，例如：如選擇外部電位器設(shè)定限幅，在本裝置與另外一套同樣裝置進(jìn)行電封閉運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的電流加載控制十分方便，也可以方便與外部系統(tǒng)構(gòu)成力矩閉環(huán)控制。

2.5 偽故障數(shù)字發(fā)生

該系統(tǒng)的偽故障發(fā)生模塊可以人為設(shè)置晶閘管的控制脈沖觸發(fā)故障（如相序錯(cuò)誤、脈沖丟失、觸發(fā)不對(duì)稱和錯(cuò)誤等），通過示波器觀測(cè)相關(guān)波形，分析找出故障發(fā)生原因。該功能是專為教學(xué)實(shí)驗(yàn)服務(wù)的，一般情況下不使用。

在液晶選單中的“偽故障碼”單元一般設(shè)置為“0”，此時(shí)偽故障發(fā)生功能不動(dòng)作；當(dāng)偽故障碼設(shè)置數(shù)據(jù)不為“0”時(shí)，偽故障發(fā)生預(yù)備動(dòng)作。不同的偽故障碼對(duì)應(yīng)不同的晶閘管相控故障類型，具體故障類型見表1。

表1 偽故障碼對(duì)應(yīng)故障類型

在進(jìn)行偽故障發(fā)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，只有一組相控整流運(yùn)行，負(fù)載應(yīng)選擇電阻。本實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生測(cè)試輸出電壓波形，并分析故障原因，因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)負(fù)載不需太大，負(fù)載電流大于晶閘管維持電流即可，可選擇阻值R＞30Ω。

3 可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理直觀、清晰，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)整個(gè)系統(tǒng)非常有利，其接線和操作也很方便，為配合課程教學(xué)，可開出以下實(shí)驗(yàn)：

（1）晶閘管相控整流開環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

（2）晶閘管相控整流故障分析實(shí)驗(yàn)；

（3）晶閘管相控單閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

（4）晶閘管相控轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

（5）晶閘管相控反電勢(shì)電流雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有4個(gè)鮮明的特點(diǎn)：（1）通過提供各關(guān)鍵信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)，可使學(xué)生熟悉相控整流電源的器件特性和基本工作原理；（2）通過進(jìn)行直流機(jī)組的調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)，使學(xué)生了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理、特點(diǎn)及基于DSP的數(shù)字化控制器的實(shí)現(xiàn)，掌握數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的控制基本結(jié)構(gòu)和方法；（3）通過相控故障輸出波形分析，進(jìn)行正確的故障識(shí)別，增強(qiáng)學(xué)生的基本理論知識(shí)和故障分析判斷能力。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用DSP數(shù)字化設(shè)計(jì)、偽故障發(fā)生等特點(diǎn)，方便于實(shí)驗(yàn)和教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好，適用于高校直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的有關(guān)實(shí)驗(yàn)。

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