基于雙機(jī)直流拖動(dòng)的智能配電系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀 斌，張少敏

(1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定071003;2.九原電力有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭014060)

1 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，交直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中。但是，很多直流電機(jī)的控制還是采用早期的控制方法，即通過(guò)控制臺(tái)上的按鈕，通過(guò)接觸器控制交流電機(jī)?？蛇@種控制方式并不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且控制精度和效率都不高，不符合現(xiàn)代建筑配電系統(tǒng)自動(dòng)化控制的要求。對(duì)于直流電機(jī)控制策略的研究成為一個(gè)熱門課題。

針對(duì)這方面文章設(shè)計(jì)了基于雙機(jī)直流拖動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)用轉(zhuǎn)速位置控制方法對(duì)兩個(gè)小功率直流電機(jī)進(jìn)行控制，有效地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，并具有很強(qiáng)的抗干擾性。文章詳細(xì)分析了轉(zhuǎn)速位置控制思想，并將其運(yùn)用到雙直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，以期達(dá)到抗擾能力強(qiáng)、所需功率小、運(yùn)行時(shí)間短、控制精度高的目標(biāo)。

2 雙機(jī)直流拖動(dòng)電控系統(tǒng)分析

2.1 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立

控制對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電傳動(dòng)裝置，屬于多軸傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)相應(yīng)的折算，把它簡(jiǎn)化為單軸系統(tǒng)。而作為單軸系統(tǒng)，控制對(duì)象實(shí)質(zhì)上就變?yōu)橹绷麟姍C(jī)，與不加傳動(dòng)機(jī)械的直流電機(jī)相比，這個(gè)折算后的單軸直流電機(jī)只是在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同。既然控制對(duì)象是直流電機(jī)，只要確定電機(jī)的各個(gè)參數(shù)，把傳動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到直流電機(jī)軸上，就可以得到控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，即經(jīng)過(guò)折算的直流電機(jī)模型。

根據(jù)直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)方程和動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立，可得到下面的的直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1:

圖1 直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

2.2 系統(tǒng)控制原理

所設(shè)計(jì)的雙機(jī)直流拖動(dòng)電控系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速。使用最常見(jiàn)PWM變換器的H橋式可逆電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的PWM控制驅(qū)動(dòng)。對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電機(jī)一般只運(yùn)行于一、三象限，對(duì)制動(dòng)、重復(fù)性的正負(fù)轉(zhuǎn)的要求低，正常運(yùn)行時(shí)的速度也不低。單極性PWM驅(qū)動(dòng)相比于雙極性PWM驅(qū)動(dòng)，更適合我們的系統(tǒng)。

在單閉環(huán)速度PI控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于標(biāo)準(zhǔn)行程的位置調(diào)節(jié)方法。其原理是，根據(jù)最初設(shè)置的運(yùn)行的速度，繪制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的行程曲線，通過(guò)反饋回來(lái)的位置信號(hào)，對(duì)比該時(shí)刻，標(biāo)準(zhǔn)行程曲線的位置。當(dāng)反饋回來(lái)的位置小于標(biāo)準(zhǔn)行程，則加大電機(jī)的速度給定;反之，減小速度給定。這樣，我們的電機(jī)就可以按照標(biāo)準(zhǔn)行程曲線運(yùn)行了。

結(jié)合轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速，控制系統(tǒng)的組成原理圖如下:

圖2 速度位置閉環(huán)控制原理圖

速度給定通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)行程產(chǎn)生，得到某時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)位置，采樣此時(shí)的電機(jī)運(yùn)行位置，得到位置偏差通過(guò)位置調(diào)節(jié)器后，輸出速度給定，從而開(kāi)始進(jìn)行我們的速度調(diào)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且轉(zhuǎn)速、位置的反饋信號(hào)為同一信號(hào)，只是處理方式不同。

3 仿真結(jié)果及分析

電機(jī)的方針參數(shù)如下:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.000248kg*m2，電樞電阻 Ra=7.27Ω，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.00516V*min/r，電樞電感 La=0.0024H，給定轉(zhuǎn)速2130r/min?；诖耍贛atlab環(huán)境下仿真，為了使電機(jī)偏離正常的行程。我們給電機(jī)2加一個(gè)寬度為1s，幅值為3A的強(qiáng)干擾負(fù)載。驗(yàn)證在這樣的情況下，位置調(diào)節(jié)器是否可以使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。為了使電機(jī)偏離正常的行程。我們給電機(jī)2加一個(gè)寬度為1s，幅值為3A的強(qiáng)干擾負(fù)載。

圖3 斜坡負(fù)載和脈沖負(fù)載

電機(jī)1的負(fù)載是斜坡負(fù)載，而電機(jī)2的負(fù)載為脈沖負(fù)載，0 到 1.5s時(shí)負(fù)載為 0.5A，1.5 到 2.5s出現(xiàn)了一個(gè)3A的干擾負(fù)載;之后，負(fù)載恢復(fù)至0.5A。通過(guò)仿真，仿真時(shí)間為5s，可得轉(zhuǎn)速，電流，位置偏差的相關(guān)曲線如圖4所示。

圖4 坡、脈沖負(fù)載條件下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

通過(guò)圖4的各仿真曲線，可知斜坡負(fù)載的直流電機(jī)1運(yùn)行正常。直流電機(jī)2在1.5s受到的強(qiáng)干擾后，轉(zhuǎn)速迅速下降，電流迅速上升，兩電機(jī)的位置偏差也開(kāi)始增大，一直上升到26r;2.5s后干擾結(jié)束。在位置調(diào)節(jié)的作用下，轉(zhuǎn)速快速增加，位置偏差也開(kāi)始減小。經(jīng)過(guò)1s的時(shí)間后，位置偏差已經(jīng)恢復(fù)至允許范圍，這說(shuō)明位置調(diào)節(jié)還是具有一定的抗干擾能力的。對(duì)于因多次干擾或是機(jī)械故障等原因而造成各電機(jī)間的行程偏差過(guò)大，以至于超過(guò)設(shè)計(jì)要求中規(guī)定值的情況，需在軟件中去實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的故障保護(hù)。經(jīng)過(guò)仿真，可以說(shuō)明轉(zhuǎn)速位置的閉環(huán)控制方法是可以到達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求的。

4 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，雙機(jī)直流數(shù)字控制器的硬件組成框圖如圖5所示。

圖5 雙機(jī)直流數(shù)字控制器硬件組成框圖

整個(gè)系統(tǒng)按照功能可分為7個(gè)模塊:

①中央處理模塊:由C8051F320組成的最小系統(tǒng)。包括C8051F320復(fù)位電路、下載調(diào)試接口、以及相應(yīng)的引腳功能分配。

②電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊:采用的是直流電動(dòng)機(jī)集成驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200。包括了LMD18200的控制信號(hào)輸入通道、電流檢測(cè)輸出、過(guò)熱保護(hù)。

③反饋電路模塊:反饋電路包含兩個(gè)方面，一是對(duì)轉(zhuǎn)速、位置脈沖的隔離整形電路，二是對(duì)LMD18200中輸出的采樣電流進(jìn)行處理的電路。

④供電模塊:完成輸入的24V濾波和到5V的電壓轉(zhuǎn)換。

⑤通信控制接口:根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)通信控制接口的要求。我們?cè)O(shè)計(jì)了I2C通信和485通信的接口。

⑥顯示模塊:利用系統(tǒng)的串行通信，將系統(tǒng)的運(yùn)行信息通過(guò)串行接口送到外部的顯示模塊顯示出來(lái)。外部的顯示模塊是由AT89S52單片機(jī)，1602液晶顯示、按鍵控制、LED蜂鳴器組成的一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照增量式編程的方法，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)主程序模塊和若干功能子模塊，然后讓主程序模塊調(diào)用各功能模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能。其中主程序模塊是最為重要的，它負(fù)責(zé)調(diào)度，分配各個(gè)模塊提供的資源和方法，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求。根據(jù)我們系統(tǒng)要求，我們主程序模塊需要完成對(duì)直流電機(jī)速度閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，位置的比例調(diào)節(jié)，外部通信控制和電機(jī)內(nèi)部通信。

4.2.1 系統(tǒng)軟件模塊的劃分

根據(jù)C8051F320單片機(jī)的硬件功能，和控制需要?jiǎng)澐帜K。具體的模塊劃分如下:

①主程序模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，位置的比例調(diào)節(jié)，外部通信控制和電機(jī)內(nèi)部通信;

②鍵盤掃描模塊，對(duì)多個(gè)非編碼鍵盤進(jìn)行掃描，返回一個(gè)按鍵鍵值;

③PI調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)帶限幅的位置式PI算法;

④PWM輸出和測(cè)速模塊，初始化設(shè)置8位分頻率的PWM輸出。對(duì)有電機(jī)輸入的轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行處理，并可完成看門狗初始設(shè)置;

⑤通用串行通信模塊，實(shí)現(xiàn)控制器與其它設(shè)備之間的串行通信通道，其通信方式遵循自定義的電機(jī)控制通信協(xié)議;

⑥ADC采樣模塊，對(duì)相應(yīng)的模擬輸入管腳的適當(dāng)范圍的模擬信號(hào)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換或是窗口保護(hù);

⑦I2C通信模塊，用I2C總線的方式為電機(jī)內(nèi)部通信提供的通信通道。

4.2.2 主程序的設(shè)計(jì)

圖6 主程序流程圖

主程序模塊的流程圖如圖6。主程序的運(yùn)行方式:對(duì)于我們這個(gè)還不算復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，一般把程序前臺(tái)程序和后臺(tái)程序兩部分。整個(gè)應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，后臺(tái)程序在不斷的循環(huán)中檢查每個(gè)任務(wù)是否具備運(yùn)行條件，如果具備條件則調(diào)用相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的操作;前臺(tái)程序通過(guò)中斷來(lái)處理緊急事件。這個(gè)程序結(jié)構(gòu)通常被稱為前后臺(tái)系統(tǒng)。系統(tǒng)的前臺(tái)程序主要包括:

①系統(tǒng)定時(shí)采樣中斷子程序，用于標(biāo)志速度調(diào)節(jié)，位置調(diào)節(jié)的使能;

②串行和I2C通信接收中斷子程序:用于標(biāo)志相關(guān)指令接收的使能;

③測(cè)速，位置的PCA中斷處理函數(shù):通過(guò)輸入的速度、位置脈沖，處理得到速度和位置數(shù)據(jù)，提供給主程序使用。

4.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

電機(jī)在2130r/min，500r和3000r/min和1000r的情況下，以及有無(wú)干擾負(fù)載和有無(wú)位置調(diào)節(jié)情況下，測(cè)量電機(jī)從啟動(dòng)到電機(jī)運(yùn)行完設(shè)定行程后停下所需的時(shí)間，來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)總體運(yùn)行狀況。其測(cè)試結(jié)果如表1:

表1 系統(tǒng)總體運(yùn)行狀況的測(cè)試表

從上表的測(cè)試結(jié)果可以看出，有位置調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)的的整體運(yùn)行時(shí)間的偏差更小，也更穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求，并有一定的抗干擾能力。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)代建筑配電系統(tǒng)智能化的要求，針對(duì)直流電機(jī)的控制現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于轉(zhuǎn)速位置控制策略的雙機(jī)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。文章從三個(gè)方面進(jìn)行了研究:1)控制模型建立及控制思想分析;2)仿真驗(yàn)證控制思想的運(yùn)用;3)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的合理性。說(shuō)明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)抗擾能力強(qiáng)、所需功率小、運(yùn)行時(shí)間短、控制精度高的設(shè)計(jì)要求，為樓宇天窗自動(dòng)控制提供了一種參考方法。

［1］ 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制(第2版)［D］.北京航天航空大學(xué)出版社，2007，8.

［2］ 肖金鳳，盛一發(fā)，徐祖華.模糊－PID混合控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.微電機(jī)，2011，5(44):56 －59.

［3］ 邵雪卷，張井崗，趙志成.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)研究［M］.電子電氣教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(30):75－77

［4］ 趙大奇，直流調(diào)速器在雙機(jī)同軸拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.設(shè)備管理與維修2005(12):20－23.

［5］ 李欣，薩如拉.基于雙機(jī)直流拖動(dòng)的自動(dòng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.電子世界.2014(1):145－147

［6］ 劉霞，李俊林.直流調(diào)速器同步控制模式的應(yīng)用［M］.冶金自動(dòng)化，2007(5):49－51.

［7］ Zhao Jun.Control technique of sensorless brushless DC motor on C8051F320［M］.Small＆ Special Electrical Machines.2008(36):41 －43.

［8］ Kara，I.Eker.Nonlinear closed － loop direct identification of a DC motor with load for low speed two－directional operation［M］.Electrical Engineering.2000，(1):440 －445.