【文章內(nèi)容簡介】 橋式（亦稱 H形）電路，電動機(jī) M 兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，考慮到精密加工對性能要求很高，采用雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器，雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器具有電流一定連續(xù)；可使電機(jī)在四象限運行；電機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1:20200 左右；低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通 [1]。綜上所述 選雙極式控制的橋式可逆 PWM變換器電路供電方案。 MU dUcR bVT 1VT 2VT 3+ VT 4VD 1VD 2VD 3VD 4PW M 控制VTb+ 圖 PWM 系統(tǒng)的原理圖 6 系統(tǒng)控制方案選擇 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，在整個系統(tǒng)中，主要包括轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)，其中外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。在設(shè)計過程中，主要是設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器可以分為模擬的和數(shù)字式的，模擬調(diào)節(jié)器一般都是用運算放大器實現(xiàn)，在物理概念上比較清晰，控制信號流向也比較直觀，一般適合于學(xué)習(xí)入門，但模擬控制系 統(tǒng)的控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性較差，其控制效果往往受到器件性能和溫度等因素的影響。 RβαU n *+U n+U i *U iI dU d 0I d REU cKs1Ce+電 流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器n 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 由于模擬控制系統(tǒng)存在這些缺點，并且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是在計算機(jī)控制技術(shù)方面，使得運用微型計算機(jī)實現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計成為可能，并且可以達(dá)到比模擬控制系統(tǒng)更優(yōu)的控制效果。 n * di g++Ks1Ce電 流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器nn di gI * ddi gI ddi gK βK α微處理器 圖 采用微處理器后的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 如圖 。在圖中可 7 以看出，運用了微處理器的系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上得到了很大的簡化，這樣可以使制作成本降低。微機(jī)控制系統(tǒng)不受器件溫度漂移的影響、穩(wěn)定性好、可靠性高，提高了控制性能。通過軟件編程，進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，更改起來靈活方便。 現(xiàn)在微處理技術(shù)發(fā)展相當(dāng)快，生產(chǎn)微處理器的生產(chǎn)廠商也很多，微處理器的型號層出不窮，他們性能各異，有通用型 的，也有一些專用型的。如德州公司生產(chǎn)的的TMS320LF240X 系列 DSP 芯片都是專用在控制電機(jī)方面的。在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用不同的微處理器，有不一樣的方案，下面進(jìn)行討論，并最終選擇一種最適合的方案。 8051是 MCS51系列單片機(jī)中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、 21 個專用控制寄存器、 4kB的程序存儲器、 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、 4 組 8位的并行口、兩個 16 位的可編程定時 /計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器 [2]。 三相電壓三相整流器H 型 P WM變換器顯示鍵盤I / O8051 單片機(jī)A / DP W M生成電流檢測數(shù)字測速M 圖 采用 8051 處理器控制的原理框圖 如圖 所以是采用 8051 處理器設(shè)計雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。本方案的優(yōu)點是選用了簡單的處理器，資源得到了充分的利用，不會造成太大的浪費，成本比較低。在檢修方面也有一定的優(yōu)勢，當(dāng)電路中的某一個模塊出了問題，只要對該模塊進(jìn)行修理或更換即可，其它的硬件可以繼續(xù)使用。該方案的主要不足是設(shè)計電路相對比較復(fù)雜，以軟件編程為代價實現(xiàn)調(diào)速。 采用 TMS320LF2407控制設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 。由圖中 可看出， DSP 處理器的集成程度較高，在這里用到了 PWM、 ADC、 SPI 和正交編碼脈沖電路，省去了很多外設(shè)。 PWM 直接輸出到 H型 PWM 變換器， 得以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；通過光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，測得的數(shù)據(jù)直接送到 8 三相電壓三相整流器H 型 P WM變換器顯示鍵盤SPI外設(shè)DSP 處理器電流檢測編碼器SPI P WMADC正交編碼脈沖電路M 圖 采用 DSP處理器控制的原理框圖 DSP處理器的正交編碼器進(jìn)行處理；利用霍爾傳感器主電路的電流，送到 DSP 處理器上集成的 ADC， A/D 轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量，由 DSP 處理器進(jìn)行處理；可以用帶 SPI 技術(shù)的接 口鍵盤和數(shù)碼管顯示芯片與 DSP處理器的 SPI外設(shè)接口相接，進(jìn)而可以通過鍵盤給定速度，也可以進(jìn)行調(diào)速等操作，數(shù)碼管用來顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣的設(shè)計方案在硬件結(jié)構(gòu)上得到了很大的簡化，而且在軟件編程方面也帶來很大的方便，只須對一處理器內(nèi)部的一些寄存器進(jìn)行編程即可，大大縮短了開發(fā)流程。這與方案一相比主要是少了一些外設(shè)，不用設(shè)計專門的 PWM 控制電路，不需要選擇一個分辨率滿足系統(tǒng)要求的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及對速度檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蔚?[3]。 綜上所述的兩個方案，從控制的精確、快速、簡單和題目的要求方面考慮，對雙閉環(huán)直 流控制系統(tǒng)，選擇方案二進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī) 轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充 9 分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流 負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能 [4]。 與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。 綜上所述，本系統(tǒng)用一臺 DSP 及外部擴(kuò)展設(shè)備代替模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn) DSP 的控制。其硬件結(jié)構(gòu)如圖 。 10 A / D+? ? ??? ST?? ??? LT???????????DS P ???????M???? 圖 DSP 控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的工作原理 在此 DSP控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、 A/D 轉(zhuǎn)換器送入計算機(jī)，計算機(jī)按照已定的控制算法計算產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光 電隔離器、功率放大器送到直流 PWM 變換器的控制級，從而可以改變平均輸出電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。 IGBT 正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。 11 第三章硬件電路設(shè)計 硬件結(jié)構(gòu)由主電路和控制電路兩部分組成。主電路由三相不可控整流、 H橋雙極性 PWM 電路、泵升電壓電路與直流電機(jī)構(gòu)成。 H 橋雙極性 PWM 電路驅(qū)動信號的產(chǎn)生由DSPTMS320LF2407A 控制輸出。轉(zhuǎn)速的檢測采用數(shù)字測速器。它是用 DSP 讀取與電動機(jī)聯(lián)軸的光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，經(jīng) DSP 計算后得出轉(zhuǎn)速值。泵升電壓的控 制經(jīng)與事先設(shè)定值比較后由 DSP 發(fā)出控制信號控制啟動泵升電壓電路，進(jìn)行能量泄放，保護(hù)主電路。系統(tǒng)利用故障保護(hù)引腳 PDPINTA 產(chǎn)生的信號，及時封鎖 4路 PWM 信號。該DSP控制系統(tǒng)有完善的保護(hù)體系。 12 電壓檢測電流檢測溫度檢測電壓檢測MR0R1R2VbRbK2K1C0+故障綜合故障保護(hù)泵升限制I/O通 信 接 口數(shù)字測速顯 示 鍵 盤 上 位 機(jī) 其 它 外 設(shè)A/DPWM生成中央 處理器驅(qū)動電路脈沖整形FBS+V轉(zhuǎn)速檢測+ 圖2.7DSP控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖(TMS320LF2407A DSP) 電壓檢測電流檢測溫度檢測電壓檢測MR0R1R2VbRbK2K1C0+故障綜合故障保護(hù)泵升限制I/O通 信 接 口數(shù)字測速顯 示 鍵 盤 上 位 機(jī) 其 它 外 設(shè)A/DPWM生成中央 處理器驅(qū)動電路脈沖整形FBS+V轉(zhuǎn)速檢測+ 圖2.7DSP控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖(TMS320LF2407A DSP) 圖 DSP控制雙閉環(huán)直流 PWM調(diào) 速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 主電路選型 電動機(jī)的額定電壓為 15V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用 D/Y 聯(lián)結(jié)。 13 整流電路選擇 整流電路是電力電子中出現(xiàn)的最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。主要分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)分橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路 [5]。 由于工廠為三相交流電源 ，這里選用三相橋式電路，三相橋式中有全控和不可控，雖然全控的性能好，單需要觸發(fā)電路，勢必會增加成本，在這里為了減少設(shè)計的成本和減少程序的編寫，在這里選用三相橋式不可控整流電路，電路圖如圖 。 RCVD 1 VD 3 VD 5VD 4 VD 6 VD 2abcT 圖 電容濾波的三相橋式不可控整流電路 PWM 變換器設(shè)計 可逆 PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 形）電路。其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式。在第 1 章中已經(jīng)介紹了，這里選用雙極性，雙極性驅(qū)動 是指在一個 PWM周期內(nèi)，電動機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。 14 M4 213A BV 1V 2V 3V 4VD 1VD 2 VD 4VD 3UsU i 1U i 2 U i 1U i 2 圖 H 型雙極可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng) 圖 是 H 型雙極性可逆 PWM 的工作電路原理圖。 4 個開關(guān)組分成兩組， V V4為一組， V V3為另一組。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或通斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。使用時要注意加“死區(qū)”，避免同一橋臂的開關(guān)管發(fā)生直通短路。 在每個 PWM 周期里，當(dāng)控制信號 Ui1高電平時，開關(guān)管 V V4導(dǎo)通，此時 Ui2為低電平，因此 V V3截止，電樞繞組承受從 A 到 B 的正向電壓；當(dāng)控制信號 Ui1低電平時，開關(guān)管 V V4截止，此時 Ui2為高電平，因此 V V3導(dǎo)通，電樞繞組承受從 B 到 A的方向電壓，這就是所謂“雙極”。由于在一個 PWM 周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，因此雙極性控制可逆 PW