浅谈高性能直流调速系统的应用论文

1、浅谈高性能直流调速系统的应用论文80 年代以来，国外的四象限可逆直流调速器已经发展得很成熟， 例如在国内的热销产品有欧陆的 590系列和西门子的6RA70等。590 系列中所有的控制算法都由最新的局速 32 位微处理完成，控制软件 包的结构以及微处理器处理速度可以保证所有控制同路的调节作用 在主电路六个可控硅桥的转换时间内完成， 以保证电流环的采样时间 小于3.3ms （50Hz电源）或2.67ms（60Hz电源），速度环算法也可在此 时间内完成，以获得优越的性能。 这些产品能提供精确的电机扭知控 制、速度和位置控制。但国外产品价格昂贵，维修不便，给生产带来 了诸多不利因素及不便之处。目前，直

2、流调速器采用单片机控制器结构，并不能满足现今的 控制要求。因此本课题针对国内数字直流调速装置发展现状以及国内 市场对于直流调速装置的应用需求， 结合当前微电子技术和嵌入式为 控制的优越性能，选用ARM处理器作为控制核心，并配以复杂可编程 逻辑控制器CPLD辅佐，开发出一款局性能的可逆直流调速器，并采 用适当的控制策略， 使其能够胜任工业现场的速度过程控制。 其对于 国内数字直流调速技术的应用与推广具有理论和实用价值。1 系统设计1.1 可逆调速系统的原理改变电枢电流方向或者励磁磁通方向，都能实现电机的可逆运 行，因为电枢同路电感较小，正反向切换快速，因此一般用于频繁起 制动、过渡过程时间短、中

3、小容量电机上 ; 而励磁同路电感量较大， 正反向切换较慢， 因此适用于不要求快速正反转和快速停、 启动的大 容量可逆系统中、在本课题中，我们要求电机能够快速的停启动，需 要能够以较快的速度切换晶闸管， 因此需要使用电枢可逆、 由于晶闸 管的单向导通性， 要实现直流电机的可逆运行， 需要使用两组晶闸管 并联的结构，常用的电枢可逆电路。使用线路会有环流的问题，为了保护用电设备，我们需要对两 组晶闸管加以控制， 使其每个时刻只能导通一组， 实现逻辑无环流控 制。在系统中我们设置了逻辑无环流控制器DLC它根据系统的运行状态，指挥正反晶闸管的通断。在控制方法上，使用转速、电流双 闭环控制能够保证调节电机

4、电流既满足以较快的速度跟进电机的速 度设定值， 又不至于产生过大的电流损坏电机。 这种结构为工程设计 和调试工作带来极大的便利。1.2 电机驱动电路设计他励直流电机主要有三种调速方式 : 调节电枢电压调速、 改变电 枢同路电阻调速、 弱磁升速。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的 系统来说，调压调速的方式最好。因此，直流调速系统以调压调速为 主。对直流电机调压调速的方式，应用中普遍采用控制晶闸管的移 相触发，调整前端整流电路中电压的输出，来控制电机的转速，与此 同时直流电机的励磁控制也是通过晶闸管移相触发来调整励磁电压， 以达到控制励磁电流的目的， 工业中对于直流电机速度和励磁分别采 用三相全

5、控桥和单相桥式半控整流电路来提供直流电压。2 硬件系统的设计 为了系统扩展升级的便利性以及保证控制性能，本系统采用了 ARM+CPL为核心的控制方式，辅以一些外围电电路，例如电流检测、 电压检测，脉冲触发电路等，实现了直流调速系统的设计，采用 ARM 和可编程器件的混合方式， 使系统的性能得到大大的提局， 它们的分 工如下:ARM主要负责控制流程的监控以及数值运算，CPLD主要完成各 种逻辑电路的设计， 包括逻辑控制器的实现、 三相过零触发鉴别、 A/D 的采样时序电路 ,12 相晶闸管脉冲电路时序电路等、转速、电流、速 度设定值等检测信号由模拟开关输入，经调理后进行 A/D 转换并由 CPL

6、D保存AD值;过零触发触电开关信号等均由 CPLD采集，然后通过 与ARM进行通信，将这些数据送入 ARM进行计算；控制器通过双闭环 PID 计算，计算出电枢和励磁的触发时间然后把触发时间送入 CPLD 的定时器巾在定时时间到的时候,CPLD可向晶闸管发送脉冲信号，导 通相应的晶闸管；大机交互则由LCD和键盘电路完成；485通信电路主 要完成后期的功能扩展。3 控制算法设计3.1 电机的运行状态 在电机控制算法方面，采用双闭环控制，外环为速度环ASR，内环为电流环ACR电流环接受速度环的输出作为控制目标，调节电机电流既满足以较快的速度跟进电机的速度设定值， 又不至于产生过大 的电流损坏电机。这

7、种结构为工程设计和调试工作带来极大的便利。 因为实现电机的可逆运行， 需要控制两组晶闸管， 因此在控制算法上 一定要根据电机的各种运行状态， 正确的控制两组晶闸管的触发脉冲 的封锁和开放。3.2 电机控制算法实现在采用电机双闭环的控制系统中，电流环和速度环一般使用 PI 算法实现 ,PID 控制在工业应用上已经非常成熟， 并且控制精度较局， 参数调整也比较简单，鲁棒性好。单纯使用 PID 会有很多缺点，并且在实际的双闭环控制模型中， 实际的控制量输出是受到三相桥式全控整流带负载情况限制的， 并且 三相电源的输出控制角为 0到 900，为了保证有一定的安全裕度，我 们需要把整流角和逆变角限制在

8、30到 900,因此需要对每个控制器的 输出加上限幅。在一般的 PID 算法中，若积分作用太强，会导致积分饱和现象 而使系统产生过大的超调量， 因此需要根据情况削弱积分项， 常用的 方法是采用积分分离来实现。3.3 晶闸管换向的实现 由于电机正向运行的和反向制动的时候，转知方向为正，即电 流为正 ; 电机反向运行和正向制动的时候，转知为负，即电流为负。因此我们选用转知信号作为 DLC的输入信号，转知极性的真正变化还 要延迟一段时间， 以防止逆变颠覆、 只有电流真正过零之后才能切换晶闸管，因此需要测量零电流信号作为 DLC的输入。4 软件设计系统采用嵌入式C/OS实时操作系统，每项功能都设计成一个任 务，在操作系统中统一调度运行、 这就使得应用程序的设计和扩展变 得容易，无需大的改动就可以增加新的功能、在操作系统上，可将软 件设计主要分为以下几个模块 :1) 控制传输模块，负责整个系统的调度，与 CPLD进行通信，完 成所需数据的传递。2) 计算模块，负责对所采集数据进行处理。3) 中断，三相过零信号触发中断，送出晶闸管控制信号、