KT-DF100A自動(dòng)化系統(tǒng)電機(jī)的控制原理

文｜聶志龍

KT-DF100A自動(dòng)化系統(tǒng)電機(jī)的控制原理

文｜聶志龍

DF100A型100kW短波發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力是由8個(gè)直流電機(jī)提供的，在對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造過程中，這8路馬達(dá)的精確控制方式成為了自動(dòng)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，通過實(shí)踐，我們找到一種只要較小的電路改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制方式，即：計(jì)算機(jī)精確電機(jī)的控制方式。

KT-DF100A自動(dòng)化系統(tǒng)直流電機(jī)硬件控制原理

Df100A型短波發(fā)射機(jī)的調(diào)諧直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是采用大功率集成運(yùn)放電路來實(shí)現(xiàn)的，控制比較簡(jiǎn)單，通過改變電壓便可以成比例的改變電機(jī)速度，改變電壓極性可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。DF100A型100kW短波發(fā)射機(jī)的電機(jī)的控制正是利用了直流有刷電機(jī)控制比較簡(jiǎn)單的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1. DF100A型100kW短波發(fā)射機(jī)電機(jī)控制方法

DF100A型100kW短波發(fā)射機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)放大器、調(diào)諧電位器、隨動(dòng)電位器、傳動(dòng)機(jī)械聯(lián)動(dòng)限位裝置組成，各器件功能如下：

隨動(dòng)電位器：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電位器以一定的比例跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，電位器的中心頭的電壓值也就反映了電機(jī)的位置，提供控制閉環(huán)；

調(diào)諧電位器：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制端，當(dāng)手轉(zhuǎn)動(dòng)電位器時(shí)，其中心頭的電壓值也隨之變化，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)板可使馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)；

驅(qū)動(dòng)放大器：由大功率集成運(yùn)放OPA512及其外圍電路構(gòu)成的雙極性放大器，隨動(dòng)電位器中心頭與調(diào)諧電位器中心頭存在電位差，且允許調(diào)諧被按下時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器會(huì)放大這個(gè)電位差達(dá)到能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，輸出正電壓時(shí)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)電壓時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)動(dòng)，如電位差大，輸出的電壓高，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速快；電位差小，輸出的電壓低，電機(jī)轉(zhuǎn)速慢。

傳動(dòng)機(jī)械聯(lián)動(dòng)限位裝置：是由轉(zhuǎn)動(dòng)撥片構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)定位器和正、負(fù)電壓導(dǎo)向及泄放回路構(gòu)成，其目的是保護(hù)可調(diào)器件的安全，當(dāng)?shù)竭_(dá)限位點(diǎn)時(shí)，機(jī)械限位裝置會(huì)切斷馬達(dá)電源，放大器的輸出電壓不能加到馬達(dá)上，使馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)提供一條泄放通路來保護(hù)放大器。

人工調(diào)諧或倒換頻道的流程圖如圖1所示。從圖中我們知道，DF100A型100kW短波發(fā)射機(jī)的電機(jī)控制方法是：手轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)諧電位器，使調(diào)諧電位器的中心頭的電壓與隨動(dòng)電位器的中心頭的電壓形成電壓差，當(dāng)允許調(diào)諧被按下時(shí)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板放大這個(gè)電壓來驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來減小這個(gè)電壓差從而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)諧器件的控制，倒換頻道時(shí)則是切換不同的預(yù)制好位置的調(diào)諧電位器來實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)的控制。這就是手動(dòng)控制方式，其判斷的主體是人。

2. KT-DF100A自動(dòng)化系統(tǒng)馬達(dá)控制硬件實(shí)現(xiàn)方法

KT-DF100A自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一就是電機(jī)的自動(dòng)控制方式了，其原因是要在不取消發(fā)射機(jī)的手動(dòng)調(diào)諧功能的前提實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，而且在安裝時(shí)間上要求不能有太長的停機(jī)時(shí)間，換言之就是不能更換發(fā)射機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，研發(fā)過程經(jīng)過大量的試驗(yàn)，確定了計(jì)算機(jī)精確控制馬達(dá)的解決方案，其硬件設(shè)計(jì)了一塊馬達(dá)緩沖切換板，將其嵌入原電路中通過自動(dòng)與手動(dòng)的控制來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)方式的切換。電路原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1

圖2

圖3中我們可以看出，當(dāng)自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)切到手動(dòng)時(shí)，基本上和原來的圖紙相同，只是同時(shí)將馬達(dá)位置信號(hào)送給了計(jì)算機(jī)，這保留了發(fā)射機(jī)原來的手動(dòng)調(diào)諧功能；當(dāng)自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)切到自動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器的輸入端信號(hào)就發(fā)生了變化，由原來的隨動(dòng)電位器中心引線電位信號(hào)和調(diào)諧電位器中心引線電位信號(hào)，改成了地信號(hào)與計(jì)算機(jī)D/A輸出卡送出的電壓信號(hào)。當(dāng)輸出電壓為0時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器輸出電壓也為0，馬達(dá)不轉(zhuǎn)；輸出電壓大于0，驅(qū)動(dòng)放大器輸出正電壓，馬達(dá)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，反之馬達(dá)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，其原理與手動(dòng)時(shí)相同。不同的地方是：手動(dòng)控制時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器直接比較隨動(dòng)電位器中心引線電位和調(diào)諧電位器中心引線電位的差值，到不到位由放大器自己控制，當(dāng)電位差為0時(shí)，表示馬達(dá)驅(qū)動(dòng)已到位；而自動(dòng)控制時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器并不知道馬達(dá)位置，其控制由計(jì)算機(jī)完成。具體軟件控制實(shí)現(xiàn)方法將在下面說明。

馬達(dá)控制的軟件實(shí)現(xiàn)方法

前面主要介紹了KT-DF100A自動(dòng)化系統(tǒng)控制馬達(dá)的硬件實(shí)現(xiàn)原理，軟件對(duì)馬達(dá)的控制是如何實(shí)現(xiàn)的呢？分析得知，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制主體是計(jì)算機(jī)，在半自動(dòng)方式下人工在自動(dòng)化界面輸入要播出的頻率，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的頻率與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和計(jì)算得出各馬達(dá)的預(yù)定位置，并與現(xiàn)在馬達(dá)的位置進(jìn)行比較有差值則控D/A卡輸出相應(yīng)電壓給馬達(dá)驅(qū)動(dòng)放大板，放大板把放大的電壓送給電機(jī)，使電機(jī)按照電壓的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)計(jì)算機(jī)隨動(dòng)電位器的A/D值來判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，如已到位則使D/A卡輸出零電壓使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，不到位則重復(fù)上述過程；全自動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)從數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行圖中查出該時(shí)段要播出的頻率，其他與半自動(dòng)相同。在實(shí)際的控制過程中，并不簡(jiǎn)單，為了達(dá)到快速高精度的控制目的，在軟件中我們?cè)O(shè)計(jì)了三種控制電機(jī)的方式：連續(xù)快速驅(qū)動(dòng)、連續(xù)慢速驅(qū)動(dòng)和脈沖驅(qū)動(dòng)（模擬步進(jìn)電機(jī)的控制方式）。

1. 連續(xù)快速驅(qū)動(dòng)

連續(xù)塊速驅(qū)動(dòng)是在目標(biāo)位置與現(xiàn)在位置相差較大時(shí)使用的一種馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，用于長距離驅(qū)動(dòng)，例如倒頻，當(dāng)頻率相差較遠(yuǎn)使得位置相差較大時(shí)會(huì)先用快速驅(qū)動(dòng)到預(yù)定位置附近。這種方式下計(jì)算機(jī)通過D/A輸出卡輸出一個(gè)較高的連續(xù)固定電平，經(jīng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板放大后驅(qū)動(dòng)馬快速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)調(diào)諧器件快速達(dá)到預(yù)定點(diǎn)附近。方法是：計(jì)算機(jī)讀取馬達(dá)當(dāng)前位置與相應(yīng)頻率計(jì)算出的需要到達(dá)位置進(jìn)行比較，當(dāng)差較大時(shí)，由計(jì)算機(jī)控制馬達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng)；通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)調(diào)諧器件，并同時(shí)不斷檢測(cè)馬達(dá)位置，當(dāng)與需要到達(dá)位置在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，立刻控制馬達(dá)停轉(zhuǎn)。

2. 連續(xù)慢速驅(qū)動(dòng)

連續(xù)慢速驅(qū)動(dòng)是一種特殊的驅(qū)動(dòng)方式，只在末前調(diào)諧的粗調(diào)時(shí)使用，這是因?yàn)槟┣暗膫鲃?dòng)機(jī)構(gòu)是變速箱，啟動(dòng)阻力小，而其他馬達(dá)的傳動(dòng)都是齒輪，啟動(dòng)阻力較大，時(shí)間長還會(huì)造成馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板燒壞。使用在末前調(diào)諧的初期，及粗調(diào)階段，方法是：當(dāng)進(jìn)入末前粗調(diào)流程時(shí)，計(jì)算機(jī)讀取高末柵流，并判斷是否大于0．3A，大于流程結(jié)束，小于計(jì)算機(jī)就控制馬達(dá)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)不斷檢測(cè)高末柵流直到滿足條件或超時(shí)退出。

3. 脈沖驅(qū)動(dòng)

脈沖驅(qū)動(dòng)是在目標(biāo)位置與現(xiàn)在位置相差較小時(shí)使用的一種馬達(dá)精確驅(qū)動(dòng)方式，用于需要精確控制馬達(dá)位置時(shí)使用，主要有兩種情況使用，一是倒頻操作的后期，二是自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行模擬人工調(diào)諧時(shí)，他們判斷到位的依據(jù)也不同，倒頻操作的后期是以目標(biāo)位置與現(xiàn)在位置差來判斷，自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行模擬人工調(diào)諧是以發(fā)射機(jī)與調(diào)諧相關(guān)的表值來判斷。

具體實(shí)現(xiàn)流程：

A、 倒頻后期流程：快速驅(qū)動(dòng)完成后進(jìn)入脈沖驅(qū)動(dòng)方式，計(jì)算機(jī)讀取馬達(dá)當(dāng)前位置AD值并與需要到達(dá)位置AD值進(jìn)行比較判斷是否到達(dá)目標(biāo)，沒到控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)步進(jìn)一次，再檢測(cè)是否到達(dá)目標(biāo)，沒到重復(fù)上述過程，直到完成目標(biāo)，但在時(shí)間上也不能無限期，軟件中也做了防錯(cuò)處理。

B、 模擬人工自動(dòng)調(diào)諧流程：df100a短波發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力是由8個(gè)直流電機(jī)來控制的，調(diào)諧時(shí)各電機(jī)判斷的依據(jù)不同，如高前調(diào)諧對(duì)應(yīng)的表值是末前陰流和高末柵流，高末調(diào)諧對(duì)應(yīng)的是高末簾柵流和高末屏流，高末負(fù)載對(duì)應(yīng)高末屏流，平衡轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)反射功率；判斷方法都較為復(fù)雜不在這詳述，舉例做一簡(jiǎn)單說明，例如高前調(diào)諧到位的判斷依據(jù)是高末柵流最大而末前陰流最小。

（作者單位：國家新聞出版廣電總局561臺(tái)）