基于PowerPC+FPGA平臺(tái)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

徐小方，馮 俊，孫新志，解建偉

（中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州510860）

0 引言

20世紀(jì)中后期，直流調(diào)速一直占據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的主流地位，近年來(lái)，隨著電機(jī)制造技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及微處理器運(yùn)算能力的大幅提高，交流調(diào)速技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在一些領(lǐng)域交流調(diào)速已逐漸取代了直流調(diào)速。但在某些功率較大，精度要求較高的場(chǎng)合，如重型機(jī)械、鋼鐵、礦山、冶金、石油、化工等領(lǐng)域，直流調(diào)速還有較多的應(yīng)用，因此對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究仍有十分重要的意義。

本文根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械和電氣特性，設(shè)計(jì)了帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，同時(shí)基于PowerPC+FPGA控制平臺(tái)對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟、硬件實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)機(jī)組，取得了較好的控制效果。

1 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及模型介紹

1.1 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)室中同步發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器一般由直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)組成，如圖1示。

圖1中，TM1為電樞繞組整流變壓器，TM2為勵(lì)磁繞組整流變壓器，ZL1為三相全控整流橋，ZL2為三相不可控整流橋，M為直流電動(dòng)機(jī)，G為同步發(fā)電機(jī)，其中直流電動(dòng)機(jī)和同步發(fā)電機(jī)同軸。

由圖1可見(jiàn)，直流電動(dòng)機(jī)采用他勵(lì)方式，其勵(lì)磁繞組由TM2整流變壓器經(jīng)三相不可控整流橋供電，整流橋的輸出通過(guò)分流器FL2接至直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，其電樞繞組由TM1整流變壓器經(jīng)三相全控整流橋供電，整流橋的輸出經(jīng)分流器FL1接直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組。

圖1 直流電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)框圖

1.2 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型[1]

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路圖如圖2所示。

圖2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路圖

假定主電路電流連續(xù)，則主電路電壓的微分方程為：

其中R為電樞主回路的電阻，L為電樞主回路的電感，E為直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓。

在零初始條件下對(duì)式（1）取拉普拉斯（LPLS）變換，可得

簡(jiǎn)化后可得

其中Tl為電樞繞組的時(shí)間常數(shù)

在額定勵(lì)磁下，忽略摩擦力及彈性變形，直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程如下：

其中

Te為電磁轉(zhuǎn)矩（N·m），

TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m），

Cm為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（N·m2），

n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，

Ce為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，

GD2為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，

由式（5）～（8）可得：

經(jīng)過(guò)LPLS變換后，經(jīng)簡(jiǎn)化得

其中：

由式（3）和式（10）可得直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（圖 3）。

圖3 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1.3 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿(mǎn)足要求[2]。為了獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，通常轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，并且兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出均帶限幅。

采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電流截止負(fù)反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，不足之處就是轉(zhuǎn)速必然會(huì)有一定的超調(diào)，對(duì)抗擾性能的提高也有所限制。因此有必要在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋達(dá)到改善系統(tǒng)性能的目的。帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖4所示。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR，分別對(duì)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定輸入信號(hào)，電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制三相全控橋。三相全控整流橋的輸出接直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組。從結(jié)構(gòu)上看，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，電流環(huán)在里面，這樣便構(gòu)成了帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。

其中：

Tfn：轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)濾波時(shí)間常數(shù)；

Tfi：電流反饋環(huán)節(jié)濾波時(shí)間常數(shù)；

Td：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋系數(shù)；

Ts：可控硅整流橋電路的失控時(shí)間；

Tl：直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組時(shí)間常數(shù)；

α：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；

β：電流反饋系數(shù)；

圖4 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖

1.4 調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)模型

如上所述，速度環(huán)和電流環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作為調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，使實(shí)際轉(zhuǎn)速快速跟隨給定轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)限幅輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，使輸出電流跟隨給定值的變化而變化，同時(shí)確保在電動(dòng)機(jī)過(guò)載或者堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起到快速自動(dòng)保護(hù)的作用。PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)

其中

G（s）：PI調(diào)節(jié)器

R（s）：PI調(diào)節(jié)器的輸出

E（s）：PI調(diào)節(jié)器的輸入

K：PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)

：PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)

2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于PowerPC+FPGA的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要由PowerPC+FPGA控制平臺(tái)和功率單元兩部分組成。

2.1 PowerPC+FPGA硬件控制平臺(tái)

硬件控制平臺(tái)框圖如圖6所示。

圖6 硬件控制平臺(tái)框圖

硬件控制平臺(tái)采用主流PowerPC+FPGA的嵌入式精簡(jiǎn)系統(tǒng)。其中FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）采用Xilinx公司的Spartan6系列FPGA，內(nèi)部邏輯可以自由編程定義，具有精確時(shí)序和同步、快速?zèng)Q策及并行任務(wù)同時(shí)執(zhí)行等優(yōu)點(diǎn)。采用NXP的PowerPC微處理器作為主CPU，具有高速、低功耗，體積小、高性能，具有嵌入式ICE邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。

在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電壓、電樞電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等模擬量數(shù)據(jù)采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元脈沖觸發(fā)和開(kāi)/停機(jī)、失磁保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)速保護(hù)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入/輸出功能。FPGA把采集到的模擬量和開(kāi)關(guān)量通過(guò)總線(xiàn)的方式送至PowerPC， PowerPC轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)由PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。

2.2 功率單元

功率單元主要由圖1中的ZL1和ZL2組成。

ZL2采用整流二極管，對(duì)外部輸入的交流電進(jìn)行整流，把整流輸出的結(jié)果接入直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組。

ZL1采用三相全控橋整流電路。PowerPC+FPGA控制平臺(tái)的主要功能是根據(jù)同步電路獲得的同步信號(hào)及可控硅觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相全控橋可控硅的移相觸發(fā)控制，把三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸出。三相橋式全控整流電路的原理圖如圖7所示。UA、UB、UC為三相交流電壓輸入，負(fù)載為電動(dòng)機(jī)的電樞繞組。從圖7中可以看出，此整流電路由6只可控硅組成，其中共陰極組由VT1、VT3、VT5組成，共陽(yáng)極組由 VT4、VT6、VT2 組成[3，4]。

圖7 三相全控整流電路原理圖

3 仿真研究

我公司動(dòng)模機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)額定功率30kW，額定電樞電壓220VDC，額定電樞電流156.9A，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定勵(lì)磁電壓220VDC，額定勵(lì)磁電流2.4A。采用MATLAB搭建的直流電機(jī)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖8所示。采用外轉(zhuǎn)速環(huán)和內(nèi)電流環(huán)的模式，直流電機(jī)模型采用simulink模塊DC Machine模塊，勵(lì)磁繞組接外部220V直流電源，三相全控橋的輸出接電動(dòng)機(jī)的電樞繞組。仿真波形如圖9所示，仿真過(guò)程中，在2.3s時(shí)把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由50變?yōu)?50。從仿真波形中可以看出，在電機(jī)啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)速環(huán)輸出飽合，電流環(huán)的給定值為額定電樞電流，直流電動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速有超調(diào)時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)輸出退飽合。在2.3s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生突變，隨之又很快調(diào)節(jié)到額定轉(zhuǎn)速。由仿真波形可知，采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力。

圖8 MATLAB仿真框圖

圖9 直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程

4 動(dòng)態(tài)測(cè)試

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有2種工作模式：恒電樞電流工作模式（恒功率模式）和恒轉(zhuǎn)速模式。

4.1 恒電樞電流工作模式下的動(dòng)態(tài)測(cè)試

針對(duì)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室直流電動(dòng)機(jī)，采用恒電樞電流工作模式，啟動(dòng)過(guò)程采用軟件錄得波形如圖10所示（圖中的縱坐標(biāo)100表示額定值）。Igd表示電樞電流給定值，IL表示實(shí)際電樞電流（和給定值Igd重合），Uk表示電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出，N表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由圖可知，在恒電樞電流工作模式，當(dāng)電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，電樞電流的實(shí)際值能夠很好的跟蹤給定值，并且在給定電流階躍時(shí)，控制信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化比較平滑。

4.2 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖4所示。由于實(shí)驗(yàn)室直流電動(dòng)機(jī)不需要在額定電樞電流下快速啟動(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速環(huán)ASR的限幅輸出為0.15，即當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽合時(shí)，ACR調(diào)節(jié)器的輸入限幅為0.15。由圖11可知，在電機(jī)啟動(dòng)初始階段轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出Avr1迅速處于飽合狀態(tài)，電流環(huán)的輸入以0.15（即額定值的15%）作為給定值，當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速N超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)輸出退飽合，完成啟動(dòng)過(guò)程，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

圖10 恒電樞電流方式下轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系

在調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，給電機(jī)轉(zhuǎn)速以5%階躍干擾信號(hào)，從圖11中可以看出機(jī)組具有較好的抗干擾性能。

圖11 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PowerPC+FPGA控制平臺(tái)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。首先介紹了直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)基本組成，對(duì)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究，其次介紹了PowerPC+FPGA控制平臺(tái)。采用MATLAB軟件搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。最終在PowerPC+FPGA控制平臺(tái)上對(duì)帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并把該雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用于廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司動(dòng)模試驗(yàn)機(jī)組的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速中。試驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。