數字化相控直流調速實驗系統研究

張 鵬，蘇建徽

（合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009）

直流調速系統實驗是電力傳動專業、自動化專業本科實驗教學的重要實驗。我校原有的直流調速系統實驗裝置運行已有20余年，系統控制器的構成采用的是分立元件，故障率高、穩定性差，已經遠不能滿足當前專業技術實驗教學的發展需要。目前市場上直流調速控制器一般采用的是專用集成電路，或采用進口整機集成構成[1－2]，這些設備的可靠性和穩定型有保障，但實驗的開放性和靈活性較弱。為此，決定研制全數字化直流調速實驗教學裝置[3－4]，采用電機專用的DSP作為主控制芯片，實現直流電機的晶閘管相控調速的數字化控制[5]，可避免模擬器件因溫漂而產生的運算誤差。該系統控制器參數可調，控制模式組態靈活多樣，軟件開放，具有完善、全面的關鍵波形測量接口。針對晶閘管的誤觸發引起的故障[6－7]，本系統設計了偽故障發生功能，通過輸出故障波形，培養學生的故障分析和故障解決能力。

1 系統結構及原理

1.1 主電路拓撲

系統硬件電路包含功率主電路和控制電路。供電主電路如圖1所示，含有四象限三相全橋SCR相控單元和單相半控橋勵磁單元。

三相380V電壓經過變壓器隔離后接到端子A、B、C，實現系統動力供電與電網隔離，操作安全且維修方便。VT11—VT16和VT21—VT26兩組三相全控橋構成反并聯整流電路，DA、DB為主電路直流電壓輸出，接入電機電樞繞組，使電機M既可運行在發電狀態，又可運行在電動狀態。VT31、VT33、D32、D34構成的單相半控整流電路，EA、EB為勵磁電壓輸出，接入電機勵磁繞組，可用于弱磁調速。圖1中TG為測速發電機。

圖1 主電路圖

該系統技術參數如下：

（1）額定輸入：三相380V／50Hz，10A；

（2）額定輸出：DC 220V，10A；

（3）電機額定參數：DC 220V，10A，1500 r／min；

（4）邏輯無環流工作方式；

（5）額定勵磁電壓220V，最大勵磁電流5A；

（6）具有電機轉速光柵編碼反饋、測速發電機反饋接口。

1.2 整體結構及原理

圖2是系統整體結構框圖。

圖2 系統整體結構框圖

為了簡化系統的控制電路硬件結構[8－9]，提高可靠性、一致性和穩定性，控制系統設計采用全數字化控制方案，即多個參數的采樣、轉速電流雙閉環跟蹤控制、多路觸發脈沖、通信和各種保護等均由數字信號處理器（DSP）完成。本系統選用TI公司的電機專用DSP數據處理芯片TMS320LF2406A作為控制核心。圖3為控制電路的實物圖。

圖3 控制電路的實物圖

為便于操作和系統管理，系統設置了鍵盤和液晶顯示單元作為人機接口，以RS485方式與DSP通信。該單元采用飛利浦的P89C669單片機控制，減輕了DSP程序負擔，具有良好的靈活性且擴展性強。該單元的主要功能有：實時顯示系統工作狀態及采樣參數，如電網電壓、電樞電壓、直流電壓、溫度和報警信息等；在線設定各項參數，如設定電壓／轉速環PI參數、電流環PI參數等，該部分參數是由學生按系統模型設計好后再通過液晶鍵盤設定。

2 數字控制結構及功能參數選擇

相對以前的模擬直流調速實驗裝置，本數字化實驗裝置集成度更高。為便于學生建立實驗裝置的系統概念，在實驗指導書上為學生給出系統控制框圖，各部分參數均可進行數字設定，可以根據用戶的需要組態構成，所有操作選擇均由液晶鍵盤輸入，構筑所需的控制結構。

2.1 直流調速方法

直流電機的轉速n方程為

式中：U 為電樞電壓；Ia為電樞電流；R為電樞回路總電阻；Φ為每極磁通；Ce為電樞電動勢系數，與電動機的結構有關，是個常數。

由式（1）可知，通過改變電樞電壓U、電樞電阻R和勵磁磁通Φ3個電路參數可以對直流電機進行調速。

在負載不變的情況下，保持勵磁與電樞電阻不變，電樞電壓調速方法的調速范圍較大，且機械特性曲線不變，電機的運行特性良好，能在低速下運行，當電源電壓平滑調節時，還可實現無級調速。本系統采用電樞電壓調速方法，直流調速的控制策略如圖4所示。

由圖4可知，系統采用轉速外環和電流內環雙環控制。n′為給定轉速，n為測速發電機實時檢測出的電機轉速。數字化PI調節器是目前最為成熟的一項技術，已經在調速系統中得到了很好的應用。本系統的轉速環調節器和電流環調節器采用PI調節器[10－12]。隨著電機控制的數字化，一些新的控制方式，如神經網絡控制、模型參考自適應控制、滑模變結構控制、模糊控制等也逐漸進入電機控制領域，因此，考慮日后進一步加強實驗的開放性，可將調節器模塊的接口參數定義成公共變量，屆時學生可編寫不同控制策略的調節器程序，更深入了解各種控制策略對調速性能的影響。

轉速調節器的輸出為經限幅值為1后作為給定I′電流。為滿足系統的快速調節性要求及過流保護，設計電流內環，電流調節器的輸出作為觸發角α，參考電網同步信號，再與邏輯無環流控制（DLC）結合，產生如圖5（a）所示的觸發脈沖，實現移相電流的快速跟蹤控制。

由于觸發角分區移相是以電網同步電路產生的同步脈沖序列基本均勻（脈沖間隔60°）為前提的，當同步電路參數不一致而造成同步脈沖間隔發生偏差時，便會出現漏觸發現象，直接影響系統的調速性能。因此，對觸發脈沖要進行補發，見圖5（a），以消除漏觸發現象。圖5（b）顯示了SCR相控空載時反轉啟動及停機過程，可以看出，轉速響應快，超調小，停機過程平緩。

2.2 給定值數字選擇

圖6為給定值模塊，在給定值選擇模塊中，主要完成系統給定值的選擇和軟啟動時間設置。

為滿足不同用戶要求，系統的給定值分鍵盤操作的轉速給定和電位器輸入的速度給定，用戶可通過液晶選單（菜單）“給定1選擇”進行設定。其實，該參數也可用于電樞電壓的設定，這取決于外環反饋量的選擇。該模塊還與轉速方向操作有聯系，可通過硬件正轉開關和反轉開關選擇正轉模式、反轉模式或者停機模式。另外，還對外環給定值進行軟啟動，軟啟動時間也由液晶選單設定，軟啟動環節的最終輸出為圖4中外環調節器的給定n′。

2.3 反饋值數字選擇

反饋值選擇模塊如圖7所示，該模塊包含反饋值的選擇和該值的濾波處理，用戶根據控制要求選擇反饋方式。該模塊的反饋量可以選擇4種方式：（1）測速發電機的模擬電壓反饋；（2）電機增量式光電碼盤反饋；（3）電機反電勢反饋；（4）其他模擬變量反饋。

反電勢反饋（或電樞電壓反饋）提供電流補償控制，該補償方式可以提高系統調速精度和機械特性。電流補償系數由電機電樞電阻的大小確定。根據公式E＝Ud－IR（E為電機電動勢，Ud為電樞電壓，I為電樞電流），電樞電阻R越大，則補償系數越大；但值得注意的是，不能過補償，否則，隨著負載增加，負載轉速特性曲線會上翹。

濾波模塊提供對反饋變量的濾波處理，有利于系統的穩定控制，濾波參數可以通過液晶選單設定。該模塊的最終輸出為圖4中外環調節器的反饋n。

2.4 速度調節器參數設定

圖8為速度調節器模塊，含有調節器的結構和參數選擇。

速度調節器基本結構為比例積分PI結構，也可以采用分段式的積分分離非線性PI調節器，以獲得比線性PI調節器更好的控制特性。速度調節器的限幅值來源通過參數“給定2選擇”設定，可以選擇數字設定或外部電位器模擬量設定。這種選擇方式為系統的電壓或電流控制提供了靈活性，例如：如選擇外部電位器設定限幅，在本裝置與另外一套同樣裝置進行電封閉運行時，電機的電流加載控制十分方便，也可以方便與外部系統構成力矩閉環控制。

2.5 偽故障數字發生

該系統的偽故障發生模塊可以人為設置晶閘管的控制脈沖觸發故障（如相序錯誤、脈沖丟失、觸發不對稱和錯誤等），通過示波器觀測相關波形，分析找出故障發生原因。該功能是專為教學實驗服務的，一般情況下不使用。

在液晶選單中的“偽故障碼”單元一般設置為“0”，此時偽故障發生功能不動作；當偽故障碼設置數據不為“0”時，偽故障發生預備動作。不同的偽故障碼對應不同的晶閘管相控故障類型，具體故障類型見表1。

表1 偽故障碼對應故障類型

在進行偽故障發生實驗時，只有一組相控整流運行，負載應選擇電阻。本實驗的目的是讓學生測試輸出電壓波形，并分析故障原因，因此，實驗時負載不需太大，負載電流大于晶閘管維持電流即可，可選擇阻值R＞30Ω。

3 可進行的實驗教學

本系統的實驗原理直觀、清晰，對培養學生認識整個系統非常有利，其接線和操作也很方便，為配合課程教學，可開出以下實驗：

（1）晶閘管相控整流開環系統實驗；

（2）晶閘管相控整流故障分析實驗；

（3）晶閘管相控單閉環系統實驗；

（4）晶閘管相控轉速電流雙閉環系統實驗；

（5）晶閘管相控反電勢電流雙閉環系統實驗。

4 結束語

本實驗系統具有4個鮮明的特點：（1）通過提供各關鍵信號的測試點，可使學生熟悉相控整流電源的器件特性和基本工作原理；（2）通過進行直流機組的調節器參數設計，使學生了解自動控制系統的調節原理、特點及基于DSP的數字化控制器的實現，掌握數字調速系統的控制基本結構和方法；（3）通過相控故障輸出波形分析，進行正確的故障識別，增強學生的基本理論知識和故障分析判斷能力。

本實驗系統采用DSP數字化設計、偽故障發生等特點，方便于實驗和教學，實驗教學效果良好，適用于高校直流傳動控制系統的有關實驗。

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