淺談高性能直流調(diào)速系統(tǒng)的應用論文

時間：2024-08-24 19:20:28 其他類論文我要投稿

　　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。

淺談高性能直流調(diào)速系統(tǒng)的應用論文

　　目前，直流調(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)速裝置的應用需求，結(jié)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，開發(fā)出一款局性能的可逆直流調(diào)速器，并采用適當?shù)目刂撇呗�，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)的應用與推廣具有理論和實用價值。

　　1系統(tǒng)設計

　　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獙崿F(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，為了保護用電設備，我們需要對兩組晶閘管加以控制，使其每個時刻只能導通一組，實現(xiàn)邏輯無環(huán)流控制。

　　在系統(tǒng)中我們設置了邏輯無環(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)電機電流既滿足以較快的速度跟進電機的速度設定值，又不至于產(chǎn)生過大的電流損壞電機。這種結(jié)構(gòu)為工程設計和調(diào)試工作帶來極大的便利。

　　1.2電機驅(qū)動電路設計

　　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+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，實現(xiàn)了直流調(diào)速系統(tǒng)的設計，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主要負責控制流程的監(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CPLD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，導通相應的晶閘管;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，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，即電流為負。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軟件設計

　　系統(tǒng)采用嵌入式C/OS實時操作系統(tǒng)，每項功能都設計成一個任務，在操作系統(tǒng)中統(tǒng)一調(diào)度運行、這就使得應用程序的設計和擴展變得容易，無需大的改動就可以增加新的功能、在操作系統(tǒng)上，可將軟件設計主要分為以下幾個模塊:

　　1)控制傳輸模塊，負責整個系統(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，負責對所采集數(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、

　　4)通信模塊，負責485通信，實現(xiàn)電機的調(diào)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(jié)束語

　　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(diào)速系統(tǒng)，能夠大大提高機床生產(chǎn)的精度能夠很好地滿足市場的需要。

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