淺談高性能直流調速系統的應用論文
80年代以來(lái)，國外的四象限可逆直流調速器已經(jīng)發(fā)展得很成熟，例如在國內的熱銷(xiāo)產(chǎn)品有歐陸的590系列和西門(mén)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，控制軟件包的結構以及微處理器處理速度可以保證所有控制同路的調節作用在主電路六個(gè)可控硅橋的轉換時(shí)間內完成，以保證電流環(huán)的采樣時(shí)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(shí)間內完成，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(jià)格昂貴，維修不便，給生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不利因素及不便之處。
目前，直流調速器采用單片機控制器結構，并不能滿(mǎn)足現今的控制要求。因此本課題針對國內數字直流調速裝置發(fā)展現狀以及國內市場(chǎng)對于直流調速裝置的應用需求，結合當前微電子技術(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，并配以復雜可編程邏輯控制器CPLD輔佐，開(kāi)發(fā)出一款局性能的可逆直流調速器，并采用適當的控制策略，使其能夠勝任工業(yè)現場(chǎng)的速度過(guò)程控制。其對于國內數字直流調速技術(shù)的應用與推廣具有理論和實(shí)用價(jià)值。
1系統設計
1.1可逆調速系統的原理
改變電樞電流方向或者勵磁磁通方向，都能實(shí)現電機的可逆運行，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(dòng)、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短、中小容量電機上;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和快速停、啟動(dòng)的大容量可逆系統中、在本課題中，我們要求電機能夠快速的停啟動(dòng)，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、由于晶閘管的單向導通性，要實(shí)現直流電機的可逆運行，需要使用兩組晶閘管并聯(lián)的結構，常用的電樞可逆電路。
使用線(xiàn)路會(huì )有環(huán)流的問(wèn)題，為了保護用電設備，我們需要對兩組晶閘管加以控制，使其每個(gè)時(shí)刻只能導通一組，實(shí)現邏輯無(wú)環(huán)流控制。
在系統中我們設置了邏輯無(wú)環(huán)流控制器DLC，它根據系統的運行狀態(tài)，指揮正反晶閘管的通斷。在控制方法上，使用轉速、電流雙閉環(huán)控制能夠保證調節電機電流既滿(mǎn)足以較快的速度跟進(jìn)電機的速度設定值，又不至于產(chǎn)生過(guò)大的電流損壞電機。這種結構為工程設計和調試工作帶來(lái)極大的便利。
1.2電機驅動(dòng)電路設計
他勵直流電機主要有三種調速方式:調節電樞電壓調速、改變電樞同路電阻調速、弱磁升速。對于要求在一定范圍內無(wú)級平滑調速的系統來(lái)說(shuō)，調壓調速的方式最好。因此，直流調速系統以調壓調速為主。
對直流電機調壓調速的方式，應用中普遍采用控制晶閘管的移相觸發(fā)，調整前端整流電路中電壓的輸出，來(lái)控制電機的轉速，與此同時(shí)直流電機的勵磁控制也是通過(guò)晶閘管移相觸發(fā)來(lái)調整勵磁電壓，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控橋和單相橋式半控整流電路來(lái)提供直流電壓。
2硬件系統的設計
為了系統擴展升級的便利性以及保證控制性能，本系統采用了ARM+CPLD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(shí)現了直流調速系統的設計，采用ARM和可編程器件的混合方式，使系統的性能得到大大的提局，它們的分工如下:
ARM主要負責控制流程的監控以及數值運算，CPLD主要完成各種邏輯電路的設計，包括邏輯控制器的實(shí)現、三相過(guò)零觸發(fā)鑒別、A/D的采樣時(shí)序電路,12相晶閘管脈沖電路時(shí)序電路等、轉速、電流、速度設定值等檢測信號由模擬開(kāi)關(guān)輸入，經(jīng)調理后進(jìn)行A/D轉換并由CPLD保存AD值;過(guò)零觸發(fā)觸電開(kāi)關(guān)信號等均由CPLD采集，然后通過(guò)與ARM進(jìn)行通信，將這些數據送入ARM進(jìn)行計算;控制器通過(guò)雙閉環(huán)PID計算，計算出電樞和勵磁的觸發(fā)時(shí)間然后把觸發(fā)時(shí)間送入CPLD的定時(shí)器巾在定時(shí)時(shí)間到的時(shí)候,CPLD可向晶閘管發(fā)送脈沖信號，導通相應的晶閘管;大機交互則由LCD和鍵盤(pán)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，調節電機電流既滿(mǎn)足以較快的速度跟進(jìn)電機的速度設定值，又不至于產(chǎn)生過(guò)大的電流損壞電機。這種結構為工程設計和調試工作帶來(lái)極大的便利。因為實(shí)現電機的可逆運行，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(kāi)放。
3.2電機控制算法實(shí)現
在采用電機雙閉環(huán)的控制系統中，電流環(huán)和速度環(huán)一般使用PI算法實(shí)現,PID控制在工業(yè)應用上已經(jīng)非常成熟，并且控制精度較局，參數調整也比較簡(jiǎn)單，魯棒性好。
單純使用PID會(huì )有很多缺點(diǎn)，并且在實(shí)際的雙閉環(huán)控制模型中，實(shí)際的控制量輸出是受到三相橋式全控整流帶負載情況限制的，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30到900,因此需要對每個(gè)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(huì )導致積分飽和現象而使系統產(chǎn)生過(guò)大的超調量，因此需要根據情況削弱積分項，常用的方法是采用積分分離來(lái)實(shí)現。
3.3晶閘管換向的實(shí)現
由于電機正向運行的和反向制動(dòng)的時(shí)候，轉知方向為正，即電流為正;電機反向運行和正向制動(dòng)的時(shí)候，轉知為負，即電流為負。因此我們選用轉知信號作為DLC的輸入信號，轉知極性的真正變化還要延遲一段時(shí)間，以防止逆變顛覆、只有電流真正過(guò)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軟件設計
系統采用嵌入式C/OS實(shí)時(shí)操作系統，每項功能都設計成一個(gè)任務(wù)，在操作系統中統一調度運行、這就使得應用程序的設計和擴展變得容易，無(wú)需大的改動(dòng)就可以增加新的功能、在操作系統上，可將軟件設計主要分為以下幾個(gè)模塊:
1)控制傳輸模塊，負責整個(gè)系統的調度，與CPLD進(jìn)行通信，完成所需數據的傳遞。
2)計算模塊，負責對所采集數據進(jìn)行處理。
3)中斷，三相過(guò)零信號觸發(fā)中斷，送出晶閘管控制信號、
4)通信模塊，負責485通信，實(shí)現電機的調試。
5)大機交互模塊，負責大機交互界面的顯示及按鍵處理。
5結束語(yǔ)
本文采用高性能ARM處理器加復雜可編程器件CPLD，提出了一種高性能的可逆直流調速系統，能夠大大提高機床生產(chǎn)的精度能夠很好地滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要。
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