旋轉變壓器實驗教學裝置設計

呂淑平, 張 強, 王 珅, 張 煒

(哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

自動控制元件課程作為工科高等院校自動化專業重要的專業基礎課,可使學生掌握控制系統中作為執行、測量、放大、校正等元件的結構和原理,為學生進行控制系統設計打下基礎[1]。實驗內容主要包括對直流電機、交流電機、步進電機、自整角機、旋轉變壓器等元件的工作特性及技術數據測定[2],訓練學生應用理論知識分析實驗現象的能力。旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件,當激磁繞組以一定頻率的交流電激勵時,輸出繞組電壓與轉角成正弦、余弦函數關系,或在一定范圍內成線性關系。它被廣泛應用于自動控制系統中的三角運算、角度數據傳輸等[3-4]。

本文就旋轉變壓器實驗教學需求,設計開發了一套旋轉變壓器實驗教學裝置。該裝置不但可以很好地完成外購設備常規的實驗項目,如正/余弦旋轉變壓器空載和負載輸出特性測定，副邊補償、原邊補償后的負載輸出特性測定，線性旋轉變壓器空載和負載工作特性測定，旋轉變壓器角和或角差測量等,同時還可以完成用旋轉變壓器求反三角函數實驗項目,使學生更好地掌握角度測量原理。

1 系統總體設計

1.1 實驗裝置組成

如圖1所示,實驗裝置由中頻電源和實驗臺架兩部分組成。

圖1 旋轉變壓器實驗裝置

實驗臺架上裝有型號為36xz10-5旋轉變壓器元件,中頻電源通過交-直-交電力變換方式將市電轉換為0～70 V可調的、頻率為400 Hz電壓,為旋轉變壓器元件提供電源。為完成用旋轉變壓器求反三角函數實驗項目,中頻電源設計了兩路輸出；為使輸出正弦波電壓有效值能快速準確跟蹤給定值,中頻電源工作在閉環狀態,控制框圖如圖2所示。

圖2 中頻電源控制框圖

1.2 中頻電源組成

中頻電源由整流橋電路、逆變橋電路、LC濾波電路、信號調理電路及控制電路組成,其結構如圖3所示。

圖3 中頻電源結構

220 V/50 Hz市電經變壓器變壓、不可控整流橋整流得到100 Hz正弦半波,經電容濾波后近似成為直流電；直流電經逆變橋輸出一系列單極性方波,該方波經LC濾波后即可得到所需的正弦波電壓；該正弦波電壓經電壓檢測電路將其轉換為有效值,反饋給DSP控制器,與給定值進行比較得到偏差；經PI控制器運算,輸出SPWM波控制逆變橋上的IGBT開關通斷,從而調整其電壓輸出值。

本裝置輸出電壓控制采用的是比例積分控制算法,比例控制能迅速響應控制作用,積分控制則能消除穩態誤差。

2 中頻電源硬件設計

如圖3所示,中頻電源電路分控制電路和主電路兩部分。控制電路主要包括TMS320F28335最小系統模塊(DSP核心板)、電壓檢測模塊、電源模塊等。控制電路板設計如圖4所示；主電路主要包括整流橋電路、逆變橋電路、LC濾波電路等。電路板設計如圖5所示。

圖4 控制電路電路板設計

圖5 主電路電路板設計

2.1 控制電路

2.1.1 DSP核心板

最小系統核心芯片選用DSP TMS320f28335。該器件與以往定點型DSP相比,具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據及程序存儲量大、A/D轉換精確及快速等特點[5],同時150 MHz的高速處理能力,能夠滿足本裝置生成400 Hz的SPWM控制脈沖需求。該款DSP控制器被廣泛應用于電機控制、變頻電源、光伏并網逆變器、風力發電并網變流器等領域[6-7],獲得了很高的市場認可度。DSP TMS320F28335最小系統板如圖6所示。

圖6 DSP TMS320F28335最小系統板

2.1.2 電壓檢測電路

為實現電源輸出電壓能快速、穩定、準確地跟蹤系統輸入,減小負載擾動帶來的波動,設計了輸出電壓檢測電路,對輸出電壓進行實時采樣并反饋。

電壓檢測電路主要由LEM LV25-P型電壓傳感器和AD637轉換器組成,LV25-P型電壓傳感器具有測量精度高、抗擾能力強、線性度好、反應時間短等優點[8]；AD637轉換器能計算任何復雜波形的有效值、平方值、均方值及絕對值[9]。在本實驗裝置中LV25-P測量系統輸出的正弦交流電壓值,AD637將正弦交流電壓值轉化為有效值,再經電壓跟隨器反饋給DSP控制器,實現閉環控制。電壓檢測電路如圖7所示。

圖7 電壓檢測電路

2.1.3 供電系統

根據不同芯片對電源的需求,設計了一套供電系統。采用URA2415YMD-6WR3型DC-DC模塊將12 V電壓轉換成±15 V電壓,為電壓檢測電路供電；采用VRB1215YMD-6WR2型DC-DC模塊將12 V電壓轉換成15 V電壓,為逆變橋驅動供電；采用L7805CV穩壓芯片將15 V電壓轉換成5 V電壓,為液晶顯示屏和光耦隔離電路供電；采用AS1117穩壓芯片將5 V電壓轉換為3.3 V電壓,為TMS320F28335最小系統核心板供電。供電系統電路如圖8所示。

圖8 供電系統電路

2.2 主電路

2.2.1 整流電路

該電路將50 Hz市電整流成穩定的直流電壓,作為逆變電路輸入。整流橋采用D25SBA80,其耐壓800 V,額定電流25 A,能滿足本裝置設計需求。整流電路如圖9所示,P6接線端子輸入50 Hz市電,經D25SBA80整流后輸出100 Hz正弦半波,再經電容濾波,得到穩定的直流電。右側電解電容為2 200 μF濾波電容,左側電容為浪涌電壓保護電容。

2.2.2 逆變電路

該電路將直流電逆變為一系列單極性方波,經LC濾波后得到正弦波。為有效減少電源體積、縮短開發時間,逆變器采用三菱公司的智能功率模塊PS21765,外圍電路如圖10所示。其內部集成了IGBT硅片、IGBT驅動和保護電路,最大輸出電壓為600 V,最大輸出電流為20 A,輸出范圍廣,能夠滿足本裝置的技術要求。

圖9 整流電路

圖10 PS21765外圍電路

PS21765接線示意如圖11所示,左側為控制信號和驅動供電端,右側為主電路端,其中P為整流電路的正極,L1為交流濾波電感,控制脈沖信號通過Up、Un、Vp、Vn 4個管腳輸入。為保證控制電路安全,減小主電路對控制電路的干擾,控制脈沖信號經光耦隔離與互鎖電路后輸入到智能功率模塊,光耦隔離與互鎖電路如圖12所示。同時為保護IGBT不被電壓尖峰擊穿,設計了RC吸收電路,用于吸收雜散電感產生的電壓尖峰[10-11]。

3 中頻電源軟件設計

中頻電源軟件主要包括主程序與PWM中斷產生程序設計。

3.1 主程序

主程序流程圖如圖13所示,其主要功能是完成DSP28335系統初始化、相關寄存器和I/O管腳配置、循環刷新LCD12864液晶顯示屏、等待SPWM中斷等。系統配置的載波頻率為20 kHz,SPWM信號的頻率與載波頻率相同,由SPWM信號觸發AD采樣信號,采樣頻率同樣為20 kHz。

圖11 PS21765接線示意圖

圖12 光耦隔離與互鎖電路

圖13 主程序流程圖

3.2 中斷服務程序

中斷服務程序主要完成對系統輸出電壓進行采樣、處理和分析,以及實現過壓保護和閉環控制。其中數字濾波采用限幅消抖濾波算法,有效屏蔽了誤采樣和尖峰信號的干擾；同時采取對電壓信號進行過壓判斷,有效防止了智能功率模塊因過壓被燒毀的情況。當電壓采樣值在合理的范圍內時,與給定值比較得到偏差再經PI調節,改變SPWM占空比,使系統輸出有效跟蹤輸入[12]。中斷服務程序流程圖如圖14所示。

圖14 中斷服務程序圖

4 結論

本文基于自動控制元件課程實驗教學需求,研制開發了旋轉變壓器實驗教學裝置。該裝置能夠完成正、余弦旋轉變壓器空載工作特性和負載引起的畸變測試,研究正、余弦旋轉變壓器的畸變補償方法和效果；實現了線性旋轉變壓器的空載和負載工作特性測試,研究線性旋轉變壓器的工作原理；學生可自己設計線路,構成旋轉變壓器測量角和或角差系統，能實現旋轉變壓器反三角函數變換等。該裝置彌補了外購設備的不足,經實際教學應用,系統安全穩定、可靠性高,適合大規模實驗教學。