【文章內(nèi)容簡介】 。 36 III 雙閉環(huán)直流調(diào)速 系統(tǒng) 控制 器 的設(shè)計 摘 要 本文對微機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)的原理 出發(fā)，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用 MATLAB進行系統(tǒng)仿真，實現(xiàn)了控制器參數(shù)整定。在此基礎(chǔ)上以數(shù)字信號處理器 (DSP)為控制器，通過對系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計實現(xiàn)了直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。結(jié)果表明， 此調(diào)速系統(tǒng) 具有較強的魯棒性 。 關(guān)鍵詞： 微機控制，雙閉環(huán)，直流調(diào)速，數(shù)字信號處理 器 The Design of the Double Closed Loops DC Timing System Controller Abstract In this paper, DC timing system controlled by microputer had been researched deeply. Beginning with the theory of the DC timing system, the math model of the double closed loops DC timing system had been build up, the controller parameter had been adjusted after the system had been simulated with MATLAB, Based on the result of the simulation, digital signal processor (DSP) is taken as the controller, the design of the double closed loops timing system of the DC motor has been realized through the design of the system’s hardware and software. The result shows that this timing system has strong robust. Keywords: microputer control, double closed loops, DC timing, DSP 1 第一章 緒論 研究背景和意義 [1] 計算機技術(shù)的發(fā)展正在影響著人類生活的各個方面。計算機的應(yīng)用隨著軟件和硬件技術(shù)日益發(fā)展，出現(xiàn)了前所未有的繁榮。特別是一些具有新技術(shù)的計算機芯片的出現(xiàn)，給計算機技術(shù)在工業(yè)控制方面的應(yīng)用提供了新的開發(fā)環(huán) 境。例如： C8051單片機就比以前的 8051單片機增加了許多功能，特別是使用了流水線指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)，速度很快； 數(shù)字信號處理器 DSP的出現(xiàn)和新功能的不斷開發(fā)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用有后來居上的勢頭。 DSP與其它單片機相比較，具有明顯的優(yōu)點，它在芯片結(jié)構(gòu)上采用了哈佛結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)使用流水線指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)，增加的事件管理器功能和 PWM輸出，給控制的實現(xiàn)提供了有力的支持。因此，在這樣的技術(shù)環(huán)境下，有越來越多的研究者用 DSP作為控制手段，實現(xiàn)對工業(yè)控制對象的控制。 用計算機控制電力拖動控制系統(tǒng)是計算機應(yīng)用的一個重要內(nèi)容。直 流調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，兩者的有機結(jié)合使電力拖動控制產(chǎn)生了新的變化。計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和直流拖動技術(shù)的組合是技術(shù)領(lǐng)域的交叉，具有廣泛的應(yīng)用前景。直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方法經(jīng)歷了機械式的、雙機組式的、分立元件電路式的、集成電路式的、單片機式的發(fā)展過程。隨著數(shù)字信號處理器 DSP的出現(xiàn)，給直流調(diào)速控制提供了新的手段和方法。將計算機技術(shù)的最新發(fā)展成果運用在直流調(diào)速系統(tǒng)中，在經(jīng)典控制的基礎(chǔ)之上探討一種新的控制方法，為計算機技術(shù)在電力拖動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做些 研究性的工作。 用計算機技術(shù)實現(xiàn)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，計算機的選型很多。經(jīng)過選擇，選取 DSP芯片作為控制器。直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容十分豐富，有開環(huán)控制系統(tǒng)，有閉環(huán)控制系統(tǒng)：有單閉環(huán)控制系統(tǒng)，有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)；有可逆調(diào)速系統(tǒng)，有不可逆調(diào)速系統(tǒng)等。 目前，對于控制對象的研究和討論很多，有比較成熟的理論，但實現(xiàn)控制的方法和手段隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，不斷地進行技術(shù)升級。這個過程經(jīng)歷了從分立元件控制，集成電路控制和單片計算機控制等過程。每一次的技術(shù)升級都 使 控制系統(tǒng)的性能有較大地提高和改進。隨 著新的控制芯片的出現(xiàn)，給技術(shù)升級提供了新的可能。經(jīng)過文獻檢索，目前己經(jīng)有不少科技工作者開展了將 DSP芯片用于電機控制方面的研究，但現(xiàn)在應(yīng)用的例子較少，大部分還處于可行性研究階段。 本研究的理論基礎(chǔ)有電機控制、電力電子技術(shù)、自動控制原理、計算機控制技術(shù)等 2 理論。研究設(shè)想是：通過研究提出合理的硬件方案和算法，主要進行的是理想情況下的可行性研究，具有工程應(yīng)用的可能和超前性。由于不具備實現(xiàn)條件，在系統(tǒng)參數(shù)選擇和調(diào)試方法上，運用 MATLAB軟件進行了仿真。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景 [2] 我國直流調(diào)速傳動裝置經(jīng) 歷了三個發(fā)展階段 :第一階段， 66年 ~76年可控硅直流調(diào)速傳動裝置應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)始階段。第二階段， 78年 ~92年，不少設(shè)計、研究、制造單位吸取了前一階段的經(jīng)驗教訓(xùn)，學(xué)習(xí)和借鑒國外廠家先進設(shè)計經(jīng)驗，表現(xiàn)在三個方面， 統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)德國西門子公司雙環(huán)理論及開發(fā) MODULPACC系列先進設(shè)計方法。 選及選用上注意了半導(dǎo)體元件質(zhì)量 (特別是印板工藝進行了改革一大板結(jié)構(gòu) )， 控制系統(tǒng)的可靠性大大提高。 。第三階段， 92~03年，世界各國的外商向開放的中國市場推銷技術(shù)先進、性能良好的全數(shù)字直流 調(diào)速傳動裝置，比較典型的是西門子公司 6R24~27系列的直流調(diào)速傳動裝置及 ABB公司推出的 DCV700系列和英國歐陸公司 SSD590系列。 目前，國內(nèi)外一些公司的 6RM系列、 AVTRON公司的 ADD32系列、 ABB公司的 DCS系列、 GE公司的 DC系列、 CT公司的 MENTOR、西門子公司 6R24~27系列、英國歐陸公司 SSD590系列數(shù)字直流調(diào)速裝置，廣泛應(yīng)用于制糖機、橡塑機械、冶金系統(tǒng)的軋制、拉鋼、輥道，輕工、化工、紡織系統(tǒng)的單傳動裝置。 本研究課題的主要研究內(nèi)容 本研究課題 主要研究 基于 TMS320CF240DSP控制器 的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán) 控制系統(tǒng) 。對系統(tǒng)進行 MATLAB仿真，進行參數(shù)整定。在仿真的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的軟、硬件進行了設(shè)計。 本章小結(jié) 本章對計算機控制的對象進行了綜述，全面對直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和控制要求做了總結(jié)，為將要進行的計算機控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供基本的準(zhǔn)備，打下了基 礎(chǔ)。在下面的研究中就以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路為控制對象展開的。 3 第 二 章 控制原理與方案確定 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念 [3][4] 在工程實踐中，有許多生產(chǎn)機械要求在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且 要求有良好的靜、動態(tài)性能。由于直流電動機具有極好的運行性能和控制特性。盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當(dāng)然，近年來，隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技 術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢，由于微機控制的 直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且 ，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有實際意義。 直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方案 直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩的大小常用下式表示： ate ICT ?? （ 21） 式中， eT —— 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，單位為 N m； Ф—— 勵磁磁通，單位為 Wb； aI —— 電樞 電流，單位為 A； tC —— 由電機結(jié)構(gòu)決定的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 以上分析表明，直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個可控參量和 aI 是互相獨立的，可以非常方便地分別調(diào)節(jié)，這種機理使直流電動機具有良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，從而有優(yōu)良的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。 由直流電動機的轉(zhuǎn)速特性知道，直流電動機的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可用下式表示： ??? e aC RIUn （ 22） 式中， n—— 電動機轉(zhuǎn) 速，單位為 r/min； U—— 電樞供電電壓，單位為 v； eC —— 由電機結(jié)構(gòu)決定的電勢常數(shù)， tC = eC 在式 (22)中， eC 為常數(shù)， aI 的大小取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此可知，直流電動機的調(diào)速方 4 法有三種 ： 1. 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn) 速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法 .對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 aI變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 2. 改變電動機主磁通 Ф 改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法， fI 變化時遇到的時間常數(shù)同 aI 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 3. 改變電樞回路電阻 R 在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用。 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 改變電樞電壓調(diào)速 是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： 1. 旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 2. 靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。 3. 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。 下面分別對各種可控直流電源以及由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)作概括性介紹。 1. 旋轉(zhuǎn)變流機組 以旋轉(zhuǎn) 變流機組作為可調(diào)電源的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖 。 5 圖 旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng) 由交流電動機 (稱原動機，通常采用三相交流異步電動機 )拖動直流發(fā)電機 G實現(xiàn)變流，由 G給需要調(diào)速的直流電動機 M供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流 i 的大小，就能夠方便地改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 n。這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電機 — 電動機系統(tǒng)，簡稱 GM系統(tǒng)，國際上通稱 WardLeonard系統(tǒng)。為了供給直流 發(fā)電機 G和電動機 M的勵磁，還需專門設(shè)置一臺并勵的直流勵磁發(fā)電機 GE，可裝在變流機組同軸上由原動機拖動，也可另外單用一臺交流電動機拖動。 對系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時， i 可直接由勵磁電源供電，要求較高的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一般都通過放大裝置 (GM系統(tǒng)的放大裝置多采用交磁放大機或磁放大器 )進行控制。如果改變 i 的方向，則 U的極性和 n的轉(zhuǎn)向都跟著改變，因此 GM系統(tǒng)的可逆運行是很容易的，圖 運行的機械特性，它們基本上都是相互平行的直線，由圖 ， GM系統(tǒng)可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)實現(xiàn)四象限運行。 圖 GM系統(tǒng)的機械特性 GM系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，在 20世紀(jì) 50年代曾廣泛地使用，至今在尚未進行設(shè)備更新的地方仍然使用這種系統(tǒng)。但是這種由機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組，至少包含兩臺與調(diào)速直流電動機容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機（原動機和直流發(fā)電機）和一臺容量小一些的勵磁發(fā)電機，因而設(shè)備多、體積大、效率低、安裝需打地基、運行有噪第 I象限 第 IV象限 O Te TL TL n0 n1 n2 第 II象限 第 III象限 n 6 音、 維護不方便。為了克服這些缺點，在 20世紀(jì) 50年代開始采用靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機組，直流調(diào)速系統(tǒng)進入了由靜止變流裝置供電的時代。 2. 靜止可控整流器 在 20世紀(jì) 50年代，開始采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服了旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且縮短了響應(yīng)時間，但是由于汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。因此，應(yīng)用時間不長，到了 20世紀(jì)60年代又讓位給更 經(jīng)濟可靠的晶閘管整流器。 1957年，晶閘管問世，它是一種大功率半導(dǎo)體可控整流元件，俗稱可控硅整流元件，簡稱“可控硅”， 20世紀(jì) 60年代起就已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置。晶閘管問世以來，變流技術(shù)出現(xiàn)了根本性的變革。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng) (即晶閘管 — 電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱 VM系統(tǒng)，又稱靜止的 WardLeonard系統(tǒng) )己經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖 VM系統(tǒng)的原理框圖。 圖 VM系統(tǒng)的原理框圖 圖 VT是晶閘管可控整流器，它可以 是任意一種整流電路，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流輸出電壓平均值 dU ，實現(xiàn)電動機的平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的控制功率小，有利于微電子技術(shù)引入到強電領(lǐng)域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是，晶閘管整流器也有它的缺點，主要表現(xiàn)在以下方面： 1) 晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，晶閘管整流器 的電流是不允許反向的，這給電動機實現(xiàn)可逆運行造成困難。必須實現(xiàn)四象限可逆運行時，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成 VM可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。 2) 晶閘管元件對于過電壓、過電流以及過高的 dtdu 和 dtdi 十分敏感，其中任一指 7 標(biāo)超過允許值都可能在很短時間內(nèi)使元件損壞，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應(yīng)保留有足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運行。 3) 晶閘管的控制原 理決定了只能滯后觸發(fā)，因此晶閘管可控整流器對交流電源來說相當(dāng)于一個感性負(fù)載，吸取滯后的無功電流 ， 因此功率因數(shù)低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無功補償、濾波和高次諧波的抑制措施。 4) 晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，而且脈波數(shù)總是有限的，如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連 續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。 3. 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流 — 直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。 圖 波器的原理電路和輸出電壓波形，圖中 VT代表開關(guān)器件。當(dāng)開關(guān) VT接通時，電源電壓 sU 加到電動機上；當(dāng) VT斷開時，直流電源與電動機斷開，電動機電樞端電壓為零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖 (b)所示。 a）原理圖 b）電壓波形圖 圖 直流斬波器電路和輸出電壓波形 這樣，電動機電樞端電壓的平均值為 ： M++_ _VDVTUst O U Us Ud T ton 控制電路 M 8 ssond UUTtU ??? (23) 式中， T—— 開關(guān)器件的通斷周期； ont —— 開關(guān)器件的導(dǎo)通時間 。 ftTt onon ??? 占空比 ； f —— 開關(guān)頻率。 由式 (23)可知，直流斬波器的輸出電壓平均值 dU 可以通過改變占空比即通過改變開關(guān)器件導(dǎo)通和（或）關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三種： 1) 脈沖寬度調(diào)制 (pulse width modulation，簡稱 PWM)。開關(guān)器件的通斷周期 T保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時間 ont ，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬，稱為脈沖調(diào)寬。 2) 脈沖頻率調(diào)制 (pulse frequency modulation，簡稱 PFM)。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時間 ont 不變，只改變通斷周期 T或開關(guān)頻率 f ，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時間，即定寬調(diào)頻，稱為調(diào)頻。 3) 兩點式控制。開關(guān)器件的通斷周期 T和導(dǎo)通時間 ont 均可變，即調(diào)寬調(diào)頻，亦可稱為混合調(diào)制。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓高于某一最大值時，使開關(guān)器件關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時間以及通斷周期都是不確定的。 構(gòu)成直流斬波器的開關(guān)器件過去用得較多的是普通晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身沒有自關(guān)斷能力，必須有附加的強迫關(guān)斷電路，增加了裝置的體積和復(fù)雜性，增加了損耗，而且由它們組成的斬波器開關(guān)頻率低，輸出電流脈動較大，調(diào)速范圍有限。自 20世紀(jì) 70年代以來，電 力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)出多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)，電力晶體管 (GTR)、電力場效應(yīng)管(PMOSFET)、絕緣柵極雙極型晶體管 (IGBT)等，這些