數(shù)字直流調速系統(tǒng)的實驗平臺研制及應用

王 巖

（蘭州工業(yè)高等專科學校，甘肅蘭州 730050）

在自動化控制運用系統(tǒng)中，數(shù)字直流調速系統(tǒng)伴隨著電子信息工程的發(fā)展和計算機科學的高效使用，已越來越得到普及和推廣。為了使數(shù)字直流調速系統(tǒng)的應用功能更完善，可操作性更強，大家開始對數(shù)字直流系統(tǒng)的實驗平臺的研究更趨深化，無論是從影響轉速的控制方法，還是從軟硬件的設置和裝配上，步步緊密，以達到數(shù)字直流系統(tǒng)的實驗平臺在現(xiàn)實中的實踐運用。

1 數(shù)字直流系統(tǒng)的實驗平臺研制

1.1 直流調速系統(tǒng)的控制方法

在實驗平臺研制前，必須明確和熟悉直流調速系統(tǒng)的控制方法，由計算公式

可知，調節(jié)U、準和R就可對轉速n進行控制，即通過改變電樞電壓、電機主磁場和電樞電路主磁場改變轉速，從而調節(jié)直流調速系統(tǒng)。

其中，改變電樞電壓的方法較為適用于大范圍的調速，動態(tài)響應效果佳，對細小調節(jié)無法控制；改變電機主磁場的方法為恒功率調速，僅能小幅跳動，動態(tài)效果慢；改變電樞電路主磁場的方法雖為有級調速，但機械性能不好，平滑性差，效率不高。

由此可見，改變轉速的方法雖然多，但僅有綜合使用，才能發(fā)揮最大效能，所以有必要將調壓調速配合使用。

目前看來，改變電樞電壓，在直流調速系統(tǒng)中運用較廣。旋轉變流機組、靜止變流裝置和PWM（脈寬調制變換器）被認為是改變電樞電壓的發(fā)展史上的3種主要裝置。

最初，旋轉變流機組用交流和直流兩種電動機組成機組，以獲得可調直流電壓，簡稱G-M系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有調速性能好的優(yōu)勢，但也具有系統(tǒng)體積大，結構復雜，效率低，運行不方便的劣勢。

后來，在20世紀中期，開始用靜止變流裝置來取代旋轉變流機組，該裝置由晶閘管和汞弧整流器構成，并克服了旋轉變流機組運用的不足，但隨著晶閘管的研發(fā)和使用，V-M系統(tǒng)的經(jīng)濟可靠性又引發(fā)了人們的注意，它通過控制電壓，從而改變由晶閘管觸發(fā)得控制角，隨之改變整流電壓U，整流電壓的可持續(xù)性變化和可調節(jié)性變化，為調節(jié)直流電動機的轉速提供了良好的運行空間。V-M不僅使用經(jīng)濟，且性能好，可靠性高，目前已成為普遍運用的調節(jié)轉速的主要方式。

PWM變換器，亦被稱為直流斬波器，它通過控制功率器件開關來實現(xiàn)通斷，并以此改變通斷的時間，將固定不變的直流電源電壓轉化成為可調的直流電壓，且平均值可變、穩(wěn)定。由此，改變電樞電壓，可作為數(shù)字直流調速系統(tǒng)的實驗平臺研制的主要研制點。

1.2 直流調速系統(tǒng)軟硬件的實現(xiàn)功能

1.2.1 硬件應用功能

硬件系統(tǒng)一般包括數(shù)字同步電路、速度檢測電路、電路檢測和保護電路共4部分。

（1）數(shù)字同步電路。同步電路的設置，是為了控制陽極電壓與各觸發(fā)脈沖之間的對接關系。如圖1所示，主變壓器與同步變壓器的接法，恰到好處地排除了電源干擾，以適應電阻R變動所引起的電壓變化；而圖示的3個同步電壓，經(jīng)過電壓比較器后，分別生成方波信號，繼而產生同步中斷脈沖信息。

圖1 同步電路示意圖

（2）速度檢測電路。在數(shù)字直流調速系統(tǒng)中，脈沖編碼器測速和測速發(fā)電機，被認為是兩種常用的測速方式。其中，測速發(fā)電機是通過直接轉換電壓信號來測量轉速，脈沖編碼器則是通過反饋信號來解決測量問題。

（3）電流檢測。電流互感器、電流采樣和霍爾傳感器被認為是電流檢測的3種主要方式，是電流保護的基本條件。其中，霍爾傳感器因其測量效果好和響應速度快，而得到工業(yè)上的廣泛應用。

（4）保護電路。直流調速系統(tǒng)無法正常運轉的其中一個很重要的原因，就是電路過流和過壓，為了避免此類情況發(fā)生，應適當設置硬件保護裝置，將脈沖信號輸入識別系統(tǒng)中，若出現(xiàn)信號異常，內部控制芯片將自動轉化為高阻態(tài)，從而停止觸發(fā)脈沖，保護電路安全。

1.2.2 軟件應用功能

（1）直流調速系統(tǒng)的軟件結構。直流調速系統(tǒng)常采用的是C語言匯編程序，在其軟件設計中，需要對電流速度等進行相應的測算，以滿足其性能要求，同時需對速度調節(jié)器進行優(yōu)化設計，將轉速控制在定值范圍內，給與一定的外部調節(jié)和穩(wěn)定。一般來說，直流調速系統(tǒng)的軟件程序，包括初始化子程序、模數(shù)轉換子程序、電流環(huán)運算子程序、轉速環(huán)模糊自適應子程序、數(shù)字濾波子程序、觸發(fā)脈沖產生子程序、測速子程序、串行通信子程序等結構。

（2）軟件設計上的優(yōu)化。以組態(tài)王軟件運用為例，只需在硬件配置中按照“設備配置向導”的說明，就可以完成使得硬件驅動程序的配置。

2 數(shù)字直流系統(tǒng)的實驗平臺應用

具體實現(xiàn)步驟如下:首先，建立一個ACCESS數(shù)據(jù)庫，在此命名為“變量數(shù)據(jù)”，并且建立相應的數(shù)據(jù)表“歷史數(shù)據(jù)”，然后在控制面板的ODBC數(shù)據(jù)源中添加一個基于驅動程序ACCESSDrivor的數(shù)據(jù)源，在本系統(tǒng)中取名為“工作站”，并將該數(shù)據(jù)源連接到剛建立的ACCESS數(shù)據(jù)庫“變量數(shù)據(jù)”。在組態(tài)王中用 SQLC0nnect（DevieeID，“dsn=SQL數(shù)據(jù)源；uid=：pwd=”）實現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫的連接。接著在組態(tài)王中建立對應的記錄體，記錄體名應和數(shù)據(jù)表名相同；記錄體中的字段名稱也需和數(shù)據(jù)庫中的字段名稱相同。建立記錄體后，可以在組態(tài)王命令中的“運行時”，使用SQLInsert（DeviceID，“歷史數(shù)據(jù)”，“BIND”）語句將組態(tài)王的數(shù)據(jù)保存到ACCESS數(shù)據(jù)庫中，當系統(tǒng)運行到SQLDieconnect（DeviceID）語句時，斷開和數(shù)據(jù)庫的連接。當我們連接好后，就可對表格進行編輯。

2.1 數(shù)字直流系統(tǒng)實驗平臺的工作過程

實驗平臺的工作過程，主要分為執(zhí)行和控制兩大板塊。執(zhí)行板塊，主要有推動單元和執(zhí)行單元；控制板塊，有輸入單元、邏輯控制單元、顯示輸出單元、檢測、監(jiān)測單元和電源單元。

在執(zhí)行板塊中，推動板是推動單元主要構成部分，其將CPU輸出的數(shù)字量轉化成為模擬量，并將推動功率元件放大，以便工作。晶閘管是執(zhí)行單元中的主要功率元件，作用是根據(jù)CPU的控制，將交流電轉換為適用的直流電。當然，直流調速器是具備主回路及控制回路的，其通過主回路轉速變化，控制電流變化，增加電流內環(huán)和轉速的穩(wěn)定性，在電網(wǎng)電壓發(fā)生變化和波動時，通過主回路反饋，使電流得到及時調節(jié)，以此決定最大電流的輸出值。

在控制板塊中，開關電源在交流電的電流回路中，也起到了電路保護作用，其控制整個調速器的工作，也為控制單元提供電流。接通電源后，CPU首先對外部電路進行掃描式的檢查和監(jiān)測，無論是主回路，還是控制面板，或者是各類路線接口，都在掃描范圍內，當確定是處于正常狀態(tài)后，方可進行內部電路工作。當然，對程序進行初始化和狀態(tài)檢測是CPU接通電源后的首要工作，一般來說，內部設定狀態(tài)、模擬輸入狀態(tài)和數(shù)字輸入狀態(tài)，是常用的4種設置狀態(tài)，邊監(jiān)測邊反饋測速信號，以便根據(jù)正常或異常的指令程序進行輸出或重新設定再輸出。

另外，CPU控制推動板對直流調速器的控制輸出，也是需要通過對晶閘管進行相位角的導通來實現(xiàn)的，移相三相電壓，以便獲取不同取值的直流電壓，從而控制電機的轉速，而電機上的測速發(fā)電機，也會將信號及時反饋到監(jiān)控儀器上，以便對電機速度進行測量和控制，且能排除外部非正常因素引起的負載影響，保持電機的穩(wěn)定和持續(xù)性運轉。

2.2 數(shù)字直流系統(tǒng)實驗平臺的調節(jié)控制

如圖2所示，數(shù)字直流系統(tǒng)實驗平臺通過以下調節(jié)程序進行運轉。

圖2 數(shù)字直流系統(tǒng)實驗平臺通過以下調節(jié)程序

在數(shù)字直流系統(tǒng)實驗平臺運行中，必須注意調節(jié)和控制的嚴謹性。在參數(shù)設置和偏差設計上，對整流裝置額定的直流電壓、電樞電流，電動機額定的直流電壓、電樞電流、電機熱時間常數(shù)等進行設置，以控制模擬系統(tǒng)的基本運行，而其他參數(shù)的設置和偏差的設計，則是在此基礎上更加深化，對電機的正反轉運行進行計算和監(jiān)控，并嚴格控制電流閉環(huán)控制。控制面板在電機運行過程中，起著至關重要的作用。

首先，直流調速器數(shù)據(jù)的輸入輸出，是通過它來進行的，控制面板上也對故障報警顯示代碼和標識，同時，還能調整直流調速器的各項運行數(shù)據(jù)，包括電壓、電壓時間、電流和上升斜率等的最大最小值。

其次，CPU將獲取的電壓信號與輸入的各項參數(shù)進行比較和核定，從而判斷輸出控制的相位，改變導通角來調節(jié)輸出電壓，從而對轉速進行調節(jié)，以達到數(shù)字直流系統(tǒng)實驗平臺的可行性運行。

3 結束語

總之，隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和推廣，而數(shù)字直流調速系統(tǒng)也作為主要方式之一，越來越在現(xiàn)代化生產中發(fā)揮著至關重要的作用，因此，加強對數(shù)字直流系統(tǒng)的實驗平臺的研究，以實現(xiàn)數(shù)字直流系統(tǒng)的實驗平臺在現(xiàn)實中的應用，是我們當前重點的研究課題。

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