数字式直流调速器（共8篇）
数字式直流调速器 篇1
双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一, 广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电, 从而控制电动机的转速。传统的控制系统采用模拟元件, 易老化并在使用中易受外界干扰影响, 系统的运行可靠性及准确性得不到保证, 甚至出现事故。因此, 建立一款有效的数字式直流调速系统非常重要。
1、数字式直流调速系统总体设计方案
本系统以单片机为核心, 速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机, 计算机按照已定的控制算法计算产生双脉冲, 经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级, 以控制晶闸管输出整流电压的大小, 平稳的调节电动机的速度。晶闸管正反组切换由数字逻辑切换单元来完成, 其整个系统结构框图如图1所示。
2、系统设计
硬件电路设计主要有主电路和控制回路。主回路由晶闸管构成, 控制回路主要由单片机, 检测电路, 驱动电路, 按键输入, 数码显示等构成, 检测电路又包括电流检测, 转速检测, 电源逻辑状态检测等部分。
2.1 晶闸管触发控制电路设计
2.1.1 晶闸管触发方法
晶闸管三相全控桥式整流电路在触发时, 采用双脉冲触发方式, 每次两组各有一个晶闸管导通。单片机在触发晶闸管时, 根据电流控制器的输出控制值uk, 以同步基准点位参考点, 算出晶闸管控制角α的大小, 再通过定时器按控制角的大小以及触发顺序, 准确地向各个晶闸管发出触发脉冲。
2.1.2 控制算法
设相邻控硅之间触发脉冲间距角为Δ。在稳定情况下, Δ=600。当α由αk-1变为αk时, 应有:
在控制时, 一般均使用单片机的定时器来完成触发脉冲输出。这样, 须把角度转换成时间值。交流电的一个周期 (对频率为50Hz为20ms) 对应于3600, 故600对应于10/3ms。为了避免触发错误, 必须加入同步校正。每隔3600来一个同步脉冲 (取自线电压uac的过零点) , 以此为基准点, 校正触发第一对晶闸管SCR1.6的控制角。这可采用在每个周期用定时器计数同步脉冲发生时刻与实际同步脉冲发生时刻之差Te, 触发间距时间TΔ可表示为:
2.2 调节器的设计
为了实现转速、电流两种负反馈分别起作用, 在系统中设置了两个调节器, 分别对电流和转速实行调节, 二者之间实行串级调速。这就是说, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入, 再用电流调节器的输出去控制可控硅等整流器的触发装置。从闭环结构上看, 电流调节器在里面, 叫内环;转速调节器在外面, 叫外环。这样就形成了转速、电流比闭环调节系统。
2.3 单片机系统设计
2.3.1 数字触发
本系统采用Inter的MCS-51中的80C31单片机, 在其触发、显示电路中, 同步电压信号由一只△/Y-1接法之变压器取出Uao (其相位和线电压Uao相同) , 经过二极管、电阻、电压过零比较器LM324和反相器74LS04组成之整形电路输出标准的5V方波, 在同步信号未到时, 软件使7474触发器Q=“1”, 同步信号到来时, 7474的CK端得到正的5V方波, 使7474翻转为Q=“0”, 该负跳向CPU申请中断。CPU接到中断请求信号, 立即转向中断处理程序, 在中断处理程序中, 按照设计的定时间隔, 通过扩展接口8255发6组双窄脉冲, 脉冲经隔离放大加在三相桥的6只可控硅的控制端。
2.3.2 速度检测电路的设计
采用M/T法进行速度测量, 扩展的可编程计数器8253的CLK0, CLK1同用一个参考时钟fc, fc用单片机8031的ALE输出值1M频率, 在利用分频器进行二分频。CLK0为定时器时钟, CLK1为参考计数时钟, CLK2为实际转速计数时钟, 只要8253被单片机选中, 然后各通道送相应的控制字, 一旦作为定时器0#通道工作方式一建立, OUT0由高电平变低, 该低电平在触发器的D端, 第一个代表转速的脉冲到来, Q就翻转到“1”, 该高电平同时启动0#, 1#, 2#通道同时开始减1计数。
2.4 软件设计
在该调速系统中控制部分的软件包括主程序和INT0、T0、T1、T2四个中断处理程序。主程序主要完成各种初始化操作, 然后循环定时完成速度环和电流环的采样和各种计算以及键盘输入和显示扫描等各种功能, 其主程序流程图如图2所示。
3、结语
本设计针对制造业设备改造中采用先进的数字式技术的要求, 设计了一款数字式直流调速系统。该系统以80C31单片机为中央处理器, 设计了合理的触发电路、显示电路、速度检测电路以及控制回路, 通过硬件和软件的相结合, 实现了直流电机的数字式调速功能, 改善了原模拟式直流调速的不足, 更好的满足了工业的需要。
摘要：针对制造业设备改造中采用先进的数字式技术的要求, 对BZ151、B2152型龙门刨床主拖动电机直流调速控制系统进行了改进设计, 经过综合论证, 提出了一种直流调速控制系统的设计方案。以单片机作为中央处理器, 通过触发电路、速度检测电路和控制电路等外扩电路, 实现了直流电机的数字式调速。
关键词：直流调速控制器,双闭环调速系统,单片机
参考文献
[1]陈伯石.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2003:25-38.
[2]顾绳谷.电机及拖动基础上册[M].北京:机械工业出版社, 2000:77-91.
[3]陈治明.电力电子器件[M].北京:机械工业出版社, 1992:52-89.
[4]王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社, 2003:12-55.
[5]张明勋.电力电子设备和应用手册[M].北京:机械工业出版社, 1992:33-47.
[6]顾绳谷.电机及拖动基础下册[M].北京:机械工业出版社, 2000:67-68.
[7]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社, 1996:5-110.
[8]何利民.单片机中级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000:43-98.
[9]徐维祥.单片机原理及应用[M].大连:大连理工大学出版社, 1996:17-105.
数字式直流调速器 篇2
1：列写SPWM控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形和电机工作情况
SPWM
30HZ
同步调制
CH1=20.0mv
CH1/23.2mv
CH1=50.0mv
CH1/314mv
CH1=200mv
CH1/1.15v
SPWM
30HZ
异步调制
CH1=20.0mv
CH1/124mv
CH1=200mv
CH1/1.12v
CH1=5.00v
CH1/31.4v
SPWM
30HZ
混合调制
CH1=10.0mv
CH1/62.8mv
CH1=100mv
CH1/628mv
CH1=100mv
CH1/31.2v
2：列写电压空间矢量控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形和电机工作情况
SVPWM
50HZ
同步调制
CH1=10.0mv
CH1/62.8mv
CH1=10.0mv
CH1/31.2v
CH1=5v
CH1/27.4v
SVPWM
50HZ
异步调制
CH1=10.0mv
CH1/62.8mv
CH1=100mv
CH1/560mv
CH1=5.00v
CH1/27.2v
SVPWM
50HZ
混合调制
CH1=10.0mv
CH1/62.8mv
CH1=50.0mv
CH1/27.2v
CH1=5.00v
CH1/27.2v
SVPWM
30HZ
同步调制
CH1=10.0mv
CH1/65.2mv
CH1=50.0mv
CH1=100mv
CH1/652mv
SVPWM
30HZ
异步调制
CH1=10.0mv
CH1/65.2mv
CH1=50.0mv
CH1/326mv
CH1=5.00v
CH1/27.2v
SVPWM
30HZ
混合调制
CH1=20.0mv
CH1/130mv
CH1=50.0mv
CH1/326mv
CH1=5.00v
CH1/27.2v
3．调节低频补偿度，列出电机能均匀旋转的最低工作频率。
0.2Hz,0.12Hz 4．SPWM控制，电压空间矢量控制，不同调制方式时的电机气隙磁通轨迹，定子电流及电机平稳性与噪声比较。
电压空间矢量控制与SPWM控制相比较，电机气隙磁通轨迹，效果更加的明显，电机更加的平稳，噪声更小。同步调制，异步调制，混合调制定子电流越来越小，电机越来越平稳，噪声越来越小。
七．思考题
1．低频时定子压降的补偿度是否越大越好？过大了会造成何种不良结果？应该如何调节才算恰到好处？
不是越大越好。端电压提高过大，会使转矩过大，使得磁通太强，使铁芯饱和，导致励磁电流过大，严重时因绕组过热会孙桓电机。2．SPWM控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，那么电压空间矢量控制的目标是什么？它与SPWM控制相比，有哪些特点？ SVPWM的目标是电动机空间形成圆形旋转磁场，能产生恒定的电磁转矩。在每个小区间虽然有多次开关切换，但但是每次开关切换仅涉及一个器件，所以开关损耗小；利用SVPWM直接生成三相PWM波，计算简单；逆变器输出电压基波最大值比PWM的输出电压高15%。3．设单相输入的交-直-交变频调速系统的直流母线电压为310V，按SPWM控制时电机线电压的最大值为几伏？如要达到电机线电压为220V有否可能？如何实现？
数字式直流调速器 篇3
国内某大型空气压缩机站共有10台10kV、12MW同步电机,它们由旋转变频系统进行软起动。通过用数字直流调速器对旋转变频系统中的调速稳速装置进行改造,显著提高了该系统变频软起动的可靠性和稳定性,降低了操作难度和试验风险,取得了很好的效果。
1 旋转变频系统简介
1.1 旋转变频系统结构
旋转变频系统电气原理如图1所示。系统由1套变流机组、1套变频机组、2套调速稳速装置(即KG)及其它辅助设备构成。变流机组由1台10kV、5MW同步电机(即TD)带动同轴联接的2台单机容量为2 200kW的直流发电机(即1ZF、2ZF);变频机组由2台单机容量为2 070kW的直流电机(即1ZD、2ZD)带动同轴联接的1台10kV、5MW的同步发电机(即TF,额定转速为750r/min)。该变频系统用于10台10kV、12MW同步电机(即TD2)的软起动。
1.2 旋转变频系统原理
根据电力拖动原理,旋转变频系统本质上属于直流调速中的直流发电机—直流电机系统(即G-M系统)。机组的变频原理为:保持ΦD为给定常量(一般1ZD、2ZD的励磁电流设定在65A),通过调节1ZF、2ZF的励磁电流If,改变TF的输出频率fTF,最终使变频系统满足负载并网(另外还需要对TF的励磁电流进行调节,以使其输出电压与工频电网电压一致)或调速稳速要求。因此,调速稳速装置对旋转变频系统的控制起着重要作用。
1.3 旋转变频系统的输出范围及特点
旋转变频系统的交流输出范围为:电压200V～11kV,频率0.8～50Hz。当调速稳速装置输出为零时,1ZF、2ZF靠“剩磁”发电,变频机组的转速约为12r/min。旋转变频系统具有以下特点:
(1)可以实现超低频(0.8Hz)起动,起动冲击电流不到负载同步电机额定电流的40%。
(2)对被起动的同步电机无特殊要求,对工频电网及其它并联电气设备无谐波影响。
(3)可以依次、连续起动多台同步电机。
(4)可用于同步电机调速。
1.4 模拟式调速稳速装置存在的问题
旋转变频系统原有2套模拟式调速稳速装置(1KG、2KG互为备用),由大量的分立电子元件集成插件式控制单元,功率部分为6个可控硅构成的三相全控桥。1KG和2KG共用1台整流变压器和1套齿盘式转速反馈器件。由于模拟式装置中的电子元器件参数性能易受环境因素影响,且反馈元件性能不高,因此系统的响应速度、控制稳定性都不高。随着使用时间增长,1KG、2KG性能下降,故障率增加,排故周期长,给设备正常运行带来较大隐患。
2 数字直流调速器简介
2.1 数字直流调速器的发展及现状
数字直流调速器由三相交流电源直接供电输出直流,用于为直流电机电枢和励磁供电,完成调速任务,所有的控制、调节、监控及附加功能都由微处理器来实现。以微处理器为核心的数字直流调速器在硬件上不受器件温度漂移的影响,全部控制在VLSI技术和微机化硬件环境下由程序软件完成,系统内部信息交换以数字方式进行,能够进行逻辑判断和复杂计算,更改灵活方便。数字直流调速器具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力,广泛应用于直流调速以及电机励磁领域。
2.2 数字直流调速器的特点
(1)自带参数设定单元,不需要其它任何附加设备便可完成参数的设定。
(2)给定值和反馈值的输入既可采用数字量也可采用模拟量。
(3)高性能的16位(也有32位的)微处理器负责电枢和励磁回路所有的调节和传动控制,调节功能由软件中参数构成的程序块来实现。
(4)功率单元模块化,结构紧凑,便于系统集成。
(5)具有完善的参数及状态显示、监控报警、故障诊断以及自适应、自学习等功能。
(6)通过PC机和调试软件,能方便地实现远距离的参数设定、修改、显示、监控等功能,对系统调试非常有利。
(7)使用通信选件,既可实现本装置与其它调速装置间的对等通信,也可实现本装置与PLC和上位PC机间的实时通信。
3 数字直流调速器在旋转变频系统中的应用
3.1 6RA70数字直流调速器简介
6RA70数字直流调速器是SIEMENS高性能全数字直流调速装置,具有当今数字调速器的所有特点,输入为三相电源,可为变速直流电机的电枢和励磁供电,额定电枢电流为15～3 000A。所有的开环和闭环驱动控制及通信功能由2台功能强大的微处理器实现,所需控制功能可以通过参数将软件所提供的程序块方便“连接”来实现。
6RA70直流调速装置电枢回路为由模块化可控硅构成的紧凑型三相桥式全控电路,采用标准的转速、电流双闭环控制结构;通过其软件丰富的自由功能模块的相互搭接,能够组成一个三闭环的控制结构,为直流机组提供三闭环控制。另外,系统软件还提供了工艺控制器、斜波函数发生器、转矩限幅、电流限幅、滤波器、预控制器、反电势调节器等环节和功能,进一步改善了系统的静、动态特性。操作面板或外接PC使参数修改很方便,对系统调试十分有利。完善的参数及状态显示、监控报警、故障诊断等功能也非常有利于运行监视和排故。
3.2 用6RA70直流调速器改造2KG的主要器件配置
3.2.1 直流调速器型号选择
根据旋转变频系统工艺要求,直流调速器选择6RA7031-6DS22-Z型,其额定输入电压为400V(3AC),额定输出电流为125A,单象限工作。其它选件有CUD2扩展板和S00自由编程软件。
3.2.2 主回路主要电气器件配置
2KG设置与1KG相互独立的30kVA三相整流变压器。电枢回路输出接预负载电阻,以提高可控硅从截止到开通过渡的可靠性与稳定性。在输出侧并联吸收二极管提供励磁电流的泄放回路,减小装置关断时产生的过电压。自动开关和快熔装置起过流及短路保护作用。
3.2.3 反馈元件
直流主回路电流反馈元件为霍尔电量传感器;转速反馈元件为增量型旋转编码器;励磁电流反馈由6RA70内部交流互感器提供。
3.3 6RA70直流调速器控制原理及外围电气
根据变频系统工作原理及控制要求,2KG设置为单/三环控制可切换,远程/就地操作可切换。控制原理框图如图2所示,外围电气图如图3所示。
需要说明的是,由于只使用6RA70直流调速器内部电枢部分给1ZF、2ZF提供励磁电流,因此6RA70直流调速器中“电枢电流控制单元”即为2KG的“励磁电流控制单元”。
3.4 6RA70直流调速器内部参数设置
根据工艺及接口要求修改内部参数,以便通过强大的软件实现原理框图中的控制功能,这些功能包括内部功能块的选取与软件连接、基本输入/输出参数、反馈环节输入/输出接口定义参数、各控制单元(速度控制单元、电枢电流控制单元以及励磁电流控制单元)PI参数等。
3.5 调试
为了降低系统调试风险,2KG的调试分三个阶段:2KG输出接模拟负载(电阻1.1Ω,额定电流92A)调试;变频系统空载调试;变频系统带负载调试。在调试过程中,通过对各控制单元进行调节,逐步优化相应参数值,实现设计要求。对参数的修改及各种电量的显示监测,都可以通过其简易操作面板PMU或外接PC,在预装的DriveMonitor软件界面上进行。
4 旋转变频系统采用数字直流调速器的优点
经过三个阶段的调试,采用6RA70调速器改造后的2KG能满足12MW同步电机变频软起动要求,在空气压缩机站的实际运行中取得了很好的效果。本系统具有以下优点:
(1) 2KG与1KG反馈元件相互独立,互不影响。
(2)数字直流调速器内部软件功能强大,参数修改方便,极大地降低了调试难度和调试风险。完善的保护功能和丰富的故障自诊断功能利于设备维护检修,缩短了排故周期。
(3)调节平滑,降低了变频软起动操作难度和运行风险。在软起动12MW同步电机时,可控硅从截止到导通过渡平稳,直流主回路几乎无冲击电流,系统震荡很小。
(4) 2KG丰富的硬件及软件接口对今后12MW同步电机采用自动并网装置实现自动并网改造十分有利。
5 结束语
采用SIEMENS的6AR70直流调速器对调速稳速装置2KG进行改造后,旋转变频系统性能可靠、工作稳定、冲击电流小,降低了操作难度和10台大型同步电机软起动风险。
摘要：简述旋转变频系统的工作原理和数字直流调速器的特点,详述数字直流调速器在旋转变频系统中的应用。
关键词：数字直流调速器,旋转变频系统,调试
参考文献
数字式直流调速器 篇4
1 龙门刨床对电气控制系统的要求
龙门刨床的主拖动系统主要有以下几部分组成:在前进工作阶段进行工件的加工与切削, 完成之后自动返回。整个返回行程当中, 电机都处于空转状态。返回至初始位置之后, 再次前进工作进行切削, 如此反复, 不断循环。
(图1) 即是龙门刨台的速度运行曲线图:L1为工作台的前进行程长度, L2为工作台的后退行程长度。V0为慢速切入速度, V1为切削速度, V2为返回速度。0-t1是工作台前进启动阶段, t1-t2是刀具慢速切入阶段, t2-t3是加速至稳定工作速度阶段, t3-t4是稳定工作速度阶段, t4-t5是减速退出工作阶段, t5-t6是反接制动到后退工作阶段, t6-t7是后退稳定速度阶段, t7-t8是后退减速阶段, t8-t9后退反接制动阶段, 此阶段后再次进入工作台前进启动阶段并不断重复循环。之所有存在刀具慢速切入阶段, 是因为这样可以减少工件对刀具产生的冲击, 以延长刀具使用寿命。同样, 减速退出时为了保护工件边缘部分不崩裂。
除主拖动外, 龙门刨床还有一系列的进给运动和辅助运动。包括左右刀架的快速移动、抬刀动作, 横梁的上升下降、夹紧与放松等。
2 直流调速控制系统的电路设计
为了解决B220型龙门刨床老式控制系统的诸多问题, 本文采用了欧陆590P全数字直流调速器对原控制系统进行改造。系统的电气控制构成框图如 (图2) 所示。
改造后, 电机拖动系统中仅保留直流调速器和直流拖动电机, 去除了多余的交直流机组。设计后的系统主要有9台电机和制动电源、抬刀电源组成。其中直流电机M由直流调速器拖动, 柜风机FJ1与电机风机FJ2主要起冷却作用, 以保持设备稳定的正常运行, 剩下的M1至M6这六台电机采用传统的电机拖动方式。
原先老旧的K-F-D (电机扩大-发电机-电动机) 调速电路全部舍去, 重新设计了新的调速电路。工作台的运动有如下几种:点动前进、点动后退, 前进、后退, 前进减速、后退减速。相应地直流电动机也应具备这6种速度, 即前进和后退各3种, 因此这6种不同的速度由同一台直流调速器提供。同时由于直流电机的功率较大, 为250KW, 所以我们选用了英国欧陆公司的590P-725A-A1型直流调速器。此款型号还内置了电枢电压、电流双闭环的比例-积分 (PI) 调节器, 这样组成的双闭环系统, 既发挥了两个调节器的作用, 又避免了单环系统两种反馈互相牵制的缺陷, 从而获得较好的静、动态特性。
直流调速器的外围电路如 (图3) 所示。基本端子L1、L2、L3为三相电源进线端。A+, A-为直流电动机电枢电路供电。B1为0V电压基准端, B3为+10V基准电压端, B4为-10V基准电压端。C1为0V基准, C2为电动机过热保护, 本方案没有使用, 所以将C1、C2短接。输入端子B8提供了手动急停的功能, 而输出端子K10、K11、K12、K13、K14、K15、K16配合接触器实现了主拖动系统中电机的正常启动、加减速和换向, 从而实现工作台的往复运动。
3 可编程控制器的选型及其软件设计
根据实际改造的需要, 主模块选择西门子S 7-2 0 0系列中CPU226型PLC, 模块集成24路输入、16路输出共40个数字量I/O点, 可外挂7个扩展模块, 最大扩展至248路数字量I/O点, 或者35路模拟量I/O点。该型号有13K字节程序和数据存储空间。内含6个独立的30k Hz高速计数器, 2路独立的20k Hz高速脉冲输出, 并且具有PID控制器其内部含有256个定时器, 可以较为方便地通过程序进行延时、计数控制, 处理的准确性高且速度快。
数字量扩展模块选择西门子EM223, 该模块共含有16路数字量输入, 16路数字量输出。扩展模块的试用目的是为主模块提供更多的输入/输出点数, 具有较高的灵活性, 可根据自己的实际需要进行扩展。在复杂程度更高, 应用范围更广的控制系统中可以通过增加扩展模块来获得更多的I/O点数。 (图4) 标明了本次设计中PLC及扩展模块的I/0点数分配情况。
本次设计过程中, 根据控制的要求, 需输入点数36点, 输出点数24点, 同时考虑到了10%-15%的裕量。具体输入输出点数如 (图5) 所示。
主传动控制系统的PLC指令表程序如 (图6) 所示, 该程序主要用来完成刨台的前行和后行、正向和反向点动、加速和减速、前点动和反向点动。
刀架以及横梁控制系统的PLC程序设计中, 程序主要用来完成横梁的上升与下降、夹紧与放松以及3个刀架的进给、退刀、快进。
4 结语
利用全数字直流调速器和可编程控制器完成了对B220型龙门刨床的控制系统进行了数控化改造, 是一种行之有效的技术手段。利用直流调速和PLC技术, 采用软、硬件相结合的方式, 克服了原控制系统中的一系列缺点。经过大连博众轨道交通装备有限公司的实际运行, 验证了机床的性能的改善与系统可靠性的提高, 对改造传统机械加工行业具有现实意义。
摘要：本文介绍了B220型龙门刨床的电气控制系统改造设计, 其中以欧陆590P全数字直流调速器取代原先的发电机组及扩大机控制调速系统, 采用可编程逻辑控制器为控制核心, 用来代替老式的继电控制电路, 进行了全面的技术改造。改造后的龙门刨控制系统体现了硬件结构简单, 运行可靠性高等特点, 更具有直观性强, 可控性好, 能耗低, 投入资金少, 维护便利等优点。
关键词：直流调速器,可编程控制器,龙门刨床,控制系统改造
参考文献
[1]李恩林.龙门刨床自动控制[M].北京:科学出版社, 1978.
[2]汤蕴缪.电机学[M].北京:机械工业出版社, 1979.
[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2000.
[4]乔忠良.全数字直流调速装置及工程应用[J].太原理工大学学报, 2000.
数字式直流调速器 篇5
直流调速因具有优良的动态性能,广泛地应用于工业生产和武器装备上。现代直流调速系统主要采用直流PWM功放驱动永磁式直流伺服电机拖动负载转动,根据控制电路组成可分为模拟调速系统和数字调速系统两种。模拟调速系统用运算放大器来实现控制规律,其控制线路复杂、通用性差,控制效果受到器件性能、温度等因素的影响,而以数字信号处理器(DSP)、数字信号控制器(DSC)为核心的数字调速系统不受器件温度漂移的影响,其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,系统的性能、可靠性、通用性都得到大大的提高[1]。
本设计中的数字直流调速系统基于Microchip 公司的专门面向电机控制的16位DSC,具有精度高、超调小、抗扰能力强、可靠性高等优点。
1 系统的组成框图及原理
数字直流调速系统组成框图如图1所示,包括数字控制器电路、功率转换电路、转速及电流检测及调理电路。系统的主要功能是根据伺服计算机板的转速设定数字信号控制直流伺服电机按设定的转速拖动负载转动。系统以MicroChip公司的dsPIC30F4011为控制核心,采用典型的速度外环、电流内环的双闭环控制策略,用测速机检测电机转速,用霍尔电流传感器检测电机电枢电流,转速、电流信号经过电平转换为0 V～5 V的电压信号后,由DSC内部集成的高速A/D转换器完成速度和电流的采样,用数字I/O完成伺服计算机的转速选择信号的读入和状态的实时反馈输出,采用软件程序实现速度环、电流环的数字PI校正,用内部集成的电机控制脉宽调制模块产生PWM控制信号,PWM控制信号通过功率管驱动器控制H桥功率管导通和关断,通过调整占空比调整电机电枢的平均电压,从而控制电机电枢电流和转速。
ASR—转速环校正;ACR—电流环校正;UPW—PWM波发生器;UPEM—全桥可逆电力电子变换器;GD—功率驱动;TG—测速机;HA—霍尔电流传感器
2 主要电路设计
2.1 功率转换电路
由大功率管构成的功率转换电枢是整个调速系统的核心部分,其原器件的性能、质量直接影响整个调速系统的性能和可靠性[2]。IGBT综合了GTR和PMOSEET的优点,具有容量大、开关速度快、传导特性好等优点,在大容量、高电压电机驱动中占主导地位[3]。笔者在设计中选用IR公司的IGBT功率管IRGP30B-60KD-E,其主要参数为:最大集射极电压600 V,最大集电极电流30 A,@100 ℃,集射极饱和压降1.95 V。IGBT驱动电路选用IR公司的半桥驱动芯片IR2114,其使用内部集成的自举电路产生隔离电源,减小了电路的体积,并节约了成本,具有完善的保护功能,如欠电压保护、发射极-集电极欠饱和保护、软关断功能[4],具体电路原理如图2所示。
2.2 PWM控制电路
2.2.1 控制器介绍
该设计中选用MicroChip公司的16位DSC,它集成了单片机的控制功能和DSP的快速计算功能。最高速度为30 MIPS,CPU采用改进的哈佛结构,使程序总线和数据总线相分离,取指令和运行指令并行,极大提高了工作速度[5]。内部集成了较大容量的存储器、10位精度转换速率高达500 Ksps的模/数转换器、电动机控制模块,非常适合电机的数字控制。
2.2.2 PWM模式选择
现代直流电机驱动大多采用H桥可逆PWM模式, 可逆PWM模式有单极性可逆、受限单极性可逆、双极性可逆等几种模式。受限单极性PWM相对双极性PWM电流纹波减小一半,同时功率控制切换可靠性高,同桥臂的功率管之间不需附加死区延时,因而开关频率可相对提高,在大功率系统中应用广泛[6]。该系统考虑电机发热、可靠性等因素选用了受限单极性模式。
2.2.3 PWM控制信号的产生
该系统采用dsPIC30F4011内部集成的电机控制PWM模块产生PWM控制波形,用两组互补的PWM输出引脚控制H桥的两对桥臂,通过设置PWM时基控制寄存器、死区时间控制寄存器的值设定PWM开关周期、互补死区,并通过更改占空比寄存器来改变PWM脉宽,用同步手动更改实现正、反转PWM波的切换。由于本研究使用软件来产生PWM波形,因而具有精度高、可靠、控制灵活、易于实现产生复杂的PWM波形[7]。
3 环路的设计和仿真
该系统中电流环的校正周期取PWM开关周期10 kHz,速度环的校正周期取500 Hz,均远远大于各自环路的带宽,可以把它们近似地看成是模拟系统,先按模拟系统理论来设计调节器的参数,然后数字化得到控制算法[8]。
3.1 电流环设计和仿真
调速系统中电流环作为内环,其作用是跟随速度外环的输出设定,限制电枢电流,保证电枢电流在突加控制作用时不超过允许值,同时实现对电压波动抗扰作用,因此本研究将电流环校正为Ⅰ型系统,采用PI校正。在实际系统中,由于电机的电磁时间常数一般都远小于机电时间常数,因此电动机电枢电流的变化速度远远快于转速的变化速度,反电势对电流环来说,只是一个变化缓慢的扰动。在设计电流环时,可以暂不考虑反电势变化的动态影响[8]。该调速系统中选用的电机具体参数为:额定电压160 V,额定转速3 000 r/min、额定转矩3.6 N·m,电枢电阻0.76 Ω,电枢电感3.3 mH,滤波时间常数Toi=0.000 2 s,开关频率取10 kHz,等效滞后时间常数TPWM=0.000 1 s,PI校正kp=0.34,Ti=0.004 3 ms。电流环Simulink仿真模型如图3所示,仿真开环波特图和阶跃响应曲线如图4所示,开环截止频率为1 570 rad/s,阶跃响应调整时间为2.29 ms,超调为4.54%,取得比较满意的性能。
3.2 速度环设计和仿真
速度环是为了提高调速系统范围和抗干扰能力。为实现转速无静差,转速环设计成典型的Ⅱ型系统,仍采用PI校正[9]。速度环由PWM电流环、伺服电机、测速机和校正装置组成,其中校正环传递函数W2(s)=K2(1+T2s)/T2s,电流环传递函数ΦI(s)=1/(KIs+1),反电动势常数Ce=0.050 9 V·min/r,机电时间常数Tm=0.085 s。
3.2.1 转速环调节器参数计算
转速环时间常数T∑n=TI+Ton=0.006 6 s(其中,TI为电流环时间常数,Ton为转速滤波时间常数)。按跟随和抗扰性能都好的原则,取h=5,则ASR超前时间常数为T2=5×0.006 6=0.033 s,转速环开环增益KN=(h+1)/2h2TΣn=2 754.8 s-2,ASR的比例系数Kn=[(h+1)βCeTm]/2hαRTΣn=155,转速环的开环截止频率ωcn=KN×T2=90.9 s-2。
3.2.2 调节器的数字化
电流环和转速环均采用PI调节。PI调节器的传递函数为:
式中:KP—比例系数,TI—积分时间常数。
u(t)、e(t)的时域表达式为:
离散化为差分方程:
uk=KPek+TKI∑
式中:k—采样序号;KI—积分系数,KI=KP/TI;T—采样周期。
在速度调节中,如果调节器没有进行饱和限幅,则过渡过程的超调较大,但若使用饱和限幅,速度上升时间比没限幅时要长,积分累计值增大,积分退饱和也带来明显的超调,为减小超调,常采用各种克服积分饱和的算法,常见的有遇限削弱积分法、积分分离法、有效偏差法[10]。该设计中采用遇限削弱积分法,其思想是:一旦控制量饱和,将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。
3.2.3 转速环仿真
速度环的Simulink仿真模型如图5所示,其仿真波特图和从停止到额定转速的时间响应如图6所示。由图可得为85.5 rad/s,相位裕度为40.4°,起动到额定转速时间为2.8 s,由于对PI调节器采取了饱和限幅及遇限削弱积分法抗积分饱和,超调较小。由仿真结果可看出速度环响应速度快、精度较高、超调较小、风扰波动小,性能比较满意。
4 结束语
本研究提出的基于DSC的数字直流调速系统采用电流环、速度环的双闭环控制策略, 用DSC内部集成数/模转换器完成电流、速度的实时采样,用软件算法完成环路的数字校正,用集成的电机控制模块完成PWM控制信号的产生,大大地缩短了各环节的时间常数和采样周期,并可实现一些较复杂的控制算法。工程实践结果表明,该系统具有精度高、超调小、抗扰能力强、可靠性高等优点。
摘要：模拟直流调整系统具有线路复杂、通用性差、易受器件性能及环境温度影响等缺点。为克服以上不足,设计了一种基于数字信号控制器(DSC)的数字直流调速系统。系统采用了Microchip公司的电机控制DSC芯片dsPIC30F4011为控制核心,采用了电流内环、速度外环的双闭环控制策略,环路的数字PI校正及脉宽调制(PWM)控制信号的产生全部由DSC软件完成。工程实践结果表明,该系统具有精度高、超调小、抗扰能力强、可靠性高等优点。
关键词：直流调速系统,数字信号处理器,电流环,电压环
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].3版.北京:机械工业出版社,2004.
[2]刘胜,彭侠夫,叶瑰昀.现代伺服系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2001.
[3]姚锐,王兵树,李娜.IGBT驱动器在高压电机调速系统中的应用研究[J].微型机与应用,2010,29(15):25-28.
[4]刘剑飞,王富洲.新型IGBT半桥驱动芯片IR22141应用研究[J].微电机,2008,41(4):49-51.
[5]王晓明,刘瑶,周青山,等.电动机的DSC控制—微芯公司dsPIC应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
[6]秦继荣,沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京:机械工业出版社,2002.
[7]王桂林,张为公,庞罕,等.基于DSP的自适应电机控制方法研究[J].测控技术,2008,27(11):76-79.
[8]WU Jian-hua,PU Dong-lin,HAN Ding.Adaptive robustmotion control of SISO nonlinear implementation on linearmotor[J].Mechatronics,2007,17(4):263-270.
[9]高志宏.直流调速数字控制系统的仿真设计与参数优化[J].机电工程,2008,25(8):98-101.
数字式直流调速器 篇6
1 电路设计
1.1 设计方案
如图1所示, 以C8051单片机为控制核心, 以直流电动机为控制对象, 由转速设定电路设定转速初值, 由C8051自带的ADC转换器检测电流, 由霍尔元件检测电动机的实际转速, 经PI运算, 控制C8051自带的PWM信号发生器的输出占空比, 经PWM功放, 对直流电动机的转速进行控制。
1.2 电路工作原理
如图2所示, 采用转速、电流双闭环调速电路, 在电路中设置了两个调节器, 分别调节转速和电流, 二者之间实行串级联接, 这样就可以在起动过程中只有电流负反馈, 它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端;到达稳态转速后, 就只靠转速负反馈, 而不靠电流负反馈发挥主要的作用, 这样就能够获得良好的静、动态性能。
1.3 转速设定电路
如图3所示, 采用P1口构成16个键, 其中十个数字键“0~9”, 4个功能键, 包括“设置”、“左移”、“右移”、“确认”。“设置”键用来使电路进入转速设置状态;“左移”和“右移”键用来确定要设置的位;“确认”键用来确认转速设置完毕;另外两个键没有定义, 可留作以后作功能扩展。
1.4 转速显示电路
如图4所示, 显示部分由采用4块数码管串行显示, 其中74LS164为串入并出译码器, C8051通过串行口输出的BCD串行码经74LS164译码输出为七段BCD码, 直接与LED的a~g相连, C8051采用串行口的工作方式0。
1.5 电流检测与控制
在测量较大的电流时, 必须通过互感器把强大电流按一定比例转变为容易测量的小电流供测量。电流检测电路通过电流互感器将交流电流变成0~5V电压信号, 经整流和滤波后加到C8051单片机的模/数转换器DAC端口AIN0。电流控制环节的输入为速度调节器的输出, 该环节根据电流的给定和反馈, 经数字PI控制电枢电流。本文采用较常见的二次为5A的300/5A电流互感器, 精度选用0.5级。
1.6 转速检测与控制
如图5, 图6所示, 转速检测部分采用霍尔元件测量转速。从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往会发生波形畸变, 此时, 可通过信号预处理电路对所测得的脉冲信号进行处理。信号预处理电路由二级电路组成, 第一级是由开关三级管级成的零偏置电路, 可保证放大器具有良好的高频响应;第二级采用带施密特触发器的反相器DM74LS14把放大器生所的单相脉冲转换成与CMOS电平相兼容的方波信号, 从而得到较理想的矩形脉冲波形。
1.7 PWM功放电路
C8051单片机将捕捉/比较模块0设置为PWM方式, 并将PWM口定向到引脚P0.0, 使用片内时钟, 时钟频率设置为16MHZ, 定时器/计数器列阵PCA的时钟设置为系统时钟的4分频, 所以PWM的频率f为:
因为单片机产生的PWM信号不能直接驱动电机, 所以必须要有合适的功放电路, 采用最简单的IGBT-PWM放大器, 如图7所示:
在IGBT管Tr栅极加如图8所示的脉冲信号, 当0≤t≤ton时, Tr导通, 集电极电流流过电动机电枢;在ton≤t≤T期间, Tr关断, 续流二极管D续流, 电动机电枢仍有电流, 电枢电压和电流波形分别如图8所示。
电枢电压的平均值为:, 其中称为占空比。如果栅极输入电压信号的频率一定, 改变脉冲宽度, 就改变了占空比, 电枢上的平均电压就改变了, 进而可以实现电机的调速。
2 仿真
本电路中, 电流调节器和转速调节器的仿真模型分别采有Ⅰ型和Ⅱ型系统, 都采用PI型, 其传递函数分别如下:
在SMULNK中建立的系统动态仿真结构图。
3 结论
在此单片机控制的直流调速电路中, 速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过单片机键盘、中断、内部A/D转换器送入单片机内, 单片机按照已定的PI控制算法计算产生脉冲, 经PWM信号发生器, 改变PWM的占空比, 从而改变输出电压的大小, 以平稳的调节电动机的速度。测速采用了霍尔元件, 这是一种工业上的常用方法, 不仅精度高, 而且安全稳定、维护方便, 各项性能指标都能够满足实际生产的要求。
摘要：随着单片机技术的日新月异, 使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成, 为直流电动机的控制提供了更大的灵活性, 并使系统能达到更高的性能, 节约人力资源和降低系统成本, 从而有效的提高工作效率。
关键词：单片机,PWM,双闭环控制,仿真
参考文献
[1]王晓明.电动机的单片机控制 (第2版) [M].北京:北京航空航天出版社, 2007.
[2]徐英凤, 龚民, 陈白宁, 赵碧.一种基于AT89C51单片机的直流调速控制装置[J].沈阳理工大学学报, 2007.
数字式直流调速器 篇7
直流电动机数字调速系统[1]集成控制功能和功率驱动于一体, 硬件电路简单且统一, 可靠性高。系统动态参数调整简便, 具有监控、故障自诊断的功能, 维修简单。其闭环控制系统具有较高的速度调节能力。采用编程软件可以完成数据处理、计算和系统中的控制量、反馈量到数字信号的转换。并且采用数字滤波可提高系统的抗干扰性能。系统的输入输出通道实现控制量的模拟输出、反馈量的数字输入, 并具有数据采集速度快、分辨率高、精度高的特点。当前, 国外电气公司研发的直流调速系统大多是数字式的, 德国的西门子公司, 英国的欧陆公司、CT公司和美国的ETD公司的全数字调速装置应用较广并且性能稳定, 可靠性高。国产的直流调速器数字调速系统同样发展迅速, 如四川英杰电气公司, 其生产的M系列全数字直流电动机调速器, 产品已能替代部分的国外品牌, 并且价格要低得多, 但可靠性还需进一步提高。
1 调速控制系统设计
1.1 直流调速系统工作原理
机床调速直流调速器多采用转速电流双闭环直流调速系统。选用闭环控制系统, 虽然系统结构复杂, 但是可以有效地消除扰动, 进而将超调量限制在一定范围内。为了充分利用直流电动机的机械特性, 又能很好地消除干扰, 选用转速电流双闭环控制系统。系统中设置两个PI调节器, 分别用以调节转速和电流, 其中转速调节环设置为外环, 电流调节环设置为内环。B2025双闭环控制系统原理图[1,2]如图1所示。
转速电流双闭环调速系统可在电机最大电流 (转矩) 受限的条件下, 充分利用电机的允许过载能力, 在过渡过程中始终保持电流 (转矩) 为允许的最大值, 使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动。到达稳态转速后, 又让电流马上降低下来, 使转矩马上与负载平衡, 从而转入稳态运行。这时起动电流呈方形波, 而转速是线性增长的, 这是在最大电流 (转矩) 受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。这样组成的双闭环系统, 在突加给定的过渡过程中表现为一个恒值电流调节系统, 在稳态和接近稳态运行中又表现为无静差调速系统。
1.2 直流调速系统参数计算与设置
1.2.1 直流调速系统参数计算
已知B2025直流电动机功率70k W, 额定电压220V, 额定电流305A, 额定转速1000r/min, 励磁电流4.0A, 惯性矩8.1kg·m2惯量, 电势常数Ce=0.132r, 转矩常数CT=9.55, Ce=1.26Nm/A, 电枢回路总电阻Ra=0.219Ω。
1) 电流环参数计算
电流反馈系数β, 转速调节器输出幅值取±10V, 则:
整流器失控时间Ts:取三相桥式电流失控时间, 则
电流滤波时间Toi:默认设置为Toi=0.002s
电流环小时间Ti:
电流调节器超前时间:Ti=T1=0.06s
开环增益K1:
据要求超调量不超过5%, 则取K1Ti=0.5
电流环放大倍数K1
电流环时间常数2Ti=0.00745s
2) 速度环参数计算
转速环设计按典型系统设计, 转速调节器的传递函数为:
转速反馈系数为:
转速滤波时间Ton设置为0.02s
转速环最小时间:TiTn=2Ti+Ton=2×0.00375+0.02=0.0274 (6)
速度调节器ASR时间常数, 其中中频宽h=5
开环增益:
转速环放大倍数:
1.2.2 直流调速器选型
选用目前最先进的32位直流调速处理器EDT790, 和先进的电流预测控制算法, 以尽可能满足设计要求。
2 PLC程序设计
2.1 PLC输入、输出分配表
PLC控制程序设计[3,4]首先把要控制的对象分解成相互独立的部分, 这些分解将影响到系统的功能描述及资源的分配;然后写出被控对象每部分的描述, 它包括输入、输出点 (I/O) 操作的功能描述、每个执行器 (线圈、电机、驱动器等) 的允许状态 (执行前要满足的状态) 、操作接口的描述、以及被控对象或机器的其他部分的接口;PLC输入、输出分配表见表1、2。
2.2 刨台PLC程序设计
龙门刨床的自动运行流程是:当按下“前进”按钮后, 工作台先以较低的速度前进 (慢速切入) , 很快工作台就加速至前进给定速度并以该速度匀速前进, 前进末了时, 工作台开始减速运行 (低速切出) , 随后电机换向并以较高的速度后退, 同时抬刀电磁铁使刀具抬起, 在后退末了时, 电机也是先减速再换向, 然后进入下一次循环。在工作台自动运行的过程中, 操作者可以根据需要通过调节电位器VR1、VR2及VR3对每个阶段的运行速度进行设定, 以达到理想的工作状态。在工作台自动运行的开始阶段, 要求工作台处于前进减速行程开关X35和后退减速行程开关X36之间, 如果工作台没有在这个区间, 应按点动按钮, 将其调整到该范围之内。此外工作台自动运行的前提条件除了跟点动时一样, 要求M14、M15线圈均得电外, 还要求油泵必须要工作。这样要求的目的有两个:一是为了润滑导轨;二是为了让油压继电器X17有压力, 使其常开触点闭合, 为工作台连续运行做准备。在上述条件都满足的情况下, 当按下前进按钮X5时, 工作台连续运行辅助继电器M18线圈得电并自保, M18常开点闭合, 于是工作台前进继电器线圈Y14得电, 工作台开始匀速前进, 前进末了时, 当工作台上的前进减速制子A碰到床身上的前进减速开关X35时, 导致X35常开触点闭合, 于是减速继电器Y3线圈得电, 工作台开始减速前进, 直至工作台前进换向制子B碰到前进换向开关X1时, 使其常闭触点断开, 导致Y14线圈失电, 同时后退继电器Y15线圈得电, 工作台经过一小段越位后, 结束前进行程转为后退, 此时由于减速继电器Y3线圈已失电, 所以工作台就以设定好的速度匀速后退, 同时返回行程中制子B使前进换向开关X1复位, 制子A使前进减速开关X35复位, 为下一次前进减速和前进换向做准备。当工作台后退末了时, 后退减速制子C碰到后退减速开关X10, 使其常开触点闭合, 从而导致减速继电器Y3线圈得电, 工作台开始减速后退, 直到后退换向制子D碰到后退换向开关X11时, 使其常闭触点断开, 导致Y15线圈失电, 此时Y14线圈又再次被接通, 工作台亦是经过一小段越位后, 结束后退行程, 转为前进, 同时前进行程中制子D使后退换向开关X11复位, 制子C使后退减速开关X10复位, 为下一次后退减速和后退换向做准备。这样就完成了工作台的一个自动循环。刨台PLC控制梯形图如2所示。
2.3 刨刀PLC程序设计
在工作台后退行程中, 当碰到后退换向开关X11时, 使得X11常开触点闭合, 因而进刀辅助继电器M20得电, 导致相应的刀架电机正转接触器得电, 于是进刀机构进刀, 直到工作台换向后在前进行程中制子D使X11复位后, M20线圈失电, 刀架电机才停止进刀。因此, 刀架电机就只在后退换向开关X11动作到复位的这样一段时间里才进刀, 进刀量的多少是由调节进刀机构来设定的。与进刀过程类似, 在工作台前进行程中当制子B碰到前进换向开关X1时, 使其常开触点闭合, 因而退刀辅助继电器M21线圈得电, 导致相应的刀架电机反转接触器线圈得电, 于是刀架电机反转使进刀机构复位, 准备下一次进刀。刀架控制梯形图如图3所示。
3 结论
运用TD790型直流调速器取代传统的交磁扩大机-发电机-电动机 (K-F-D) 调速系统, 实现对B2025龙门刨床直流电动机的调速;用西门子S7-200型可编程控制器 (PLC) 逻辑控制取代原有的继电器-接触器控制系统, 实现对龙门刨床的工作台直流电动机和右侧刀架, 垂直刀架等三相交流电动机的起动、调速、正反向转换和制动的控制。改造后的系统结构简单, 运行稳定, 控制灵活, 调速精度高, 提高了龙门刨床的动态和静态性能。
参考文献
[1]乔忠良.全数字直流调速装置及工程应用[J].太原理工大学学报, 2003, 31 (2) :11-13.
[2]周志敏, 纪爱华.PLC控制系统设计及工程应用[M].北京:化学工业出版社, 2013.
[3]王建平, 朱程辉.电气控制与PLC[M].北京:机械工业出版社, 2012.
数字式直流调速器 篇8
直流电机调速是20世纪50年代的成熟技术。如今, 虽然交流电机调速如雨后春笋般蓬勃发展, 但是仍然不能动摇直流电机调速在国内的重要地位。如山东鲍德翼板有限公司就采用了2套英国CT公司生产的MentorⅡ全数字直流电机调速装置, 它控制2台大、小立轧机, 分别与2组热连轧机组联合使用。该装置具有响应速度快、运行稳定、故障率低等特点, 由20世纪80年代兴起一直沿用至今, 并占有一定的中国市场。随着产能要求的日益提高及轧制要求的需要, 完善的技术是保证生产的前提条件, 稳定运行、故障率低是顺应生产、降低成本的具体表现。因此, 一套成熟的控制装置是轧钢领域的首选。
1 系统概述
MentorⅡ是英国CT公司生产, 具有当代水平的全数字直流电动机调速驱动器最新系列产品, 输出电流范围25～1 850 A。全系列产品具有控制、监测、保护和串行通讯的功能。MentorⅡ分单象限和四象限2种配置, 单象限驱动器仅能实现正向运行, 四象限驱动器是完全可逆的。这2种配置的驱动器均能对电机速度和转矩进行全面控制, 四象限驱动器可对正反向运行进行全面控制。我公司就采用四象限驱动器, 输出电流为350 A和420 A的2套MentorⅡ装置 (即M350R和M420R) , 配置相对较高, 容量相对较大, 但更能顺应轧制的需要, 其运行参数可由面板或通过串行通讯接口进行选择和修改。参数的设定或修改受三级密码系统的保护。还配有作为可选件的智能键盘显示, 可就地或远地安装, 提供多语种的用户界面。
2 性能特点
MentorⅡ配有系列参数, 适应性强, 可满足各种工业生产应用, 并对参数的设定提供了最大限度的保护。电源相序具有丢相自动检测, 驱动器运行与相序无关的特点, 大大提高了轧制的适用性。输出6脉冲触发可控硅, 可配置成12脉冲 (串联) 操作方式。速度给定有编码器数字输入和内部数字给定2种。速度反馈有多种方式, 即电机电枢电压、测速电机、编码器 (脉冲测速器) 和PID速度环算法, 其速度精度由表1所示。
MentorⅡ采用RS785串行通讯接口, 速度和电流双闭环控制。PID速度环调节, 电流反馈精度可达0.1%, 响应频率80 Hz, 全电流范围内响应一致。编码器输入实现位置控制, 在主板上允许测速机电压范围调整, 利用励磁控制单元可进行弱磁控制。并且提供了良好的人机界面, 菜单驱动的参数结构, 通过用户定义的菜单, 可快速访问最常用的参数, 编程软件可实现电流自适应算法, 还具有故障自诊断的特点, 大大增强了该装置的可靠性和实用性。
3 参数设置
MentorⅡ调速原理类似传统模拟调速, 仍然由速度调节器和电流调节器构成双闭环调速, 但全数字式微处理器把MentorⅡ内的功能全部模块化, 功能模块化的思想在20世纪80年代的STD总线工业控制机即实现了, 但那是硬件功能化模块, MentorⅡ更进一步使软件功能模块化。要完成这一任务, 需要设置参数编程调用这些模块, 使其成为一个整体。一个刚出厂的MentorⅡ不按系统要求进行参数设置是无法直接应用的。参数设置包括以下几个方面:
MentorⅡ参数采用与功能相关的多菜单结构, 以便快速和有规律地访问任何参数, 参数还分为可见参数和不可见参数, 任何菜单, 任何可见参数都不需要密码便可选择并读其值。除了需要事先输入密码外, 改变参数的过程是相同的, 一般为一级保密。任何菜单, 任何不可见参数, 只有当输入正确的密码后, 才能被选择和进行读写操作, 属于二级保密, 也可设定三级密码。首先列出16个菜单, 然后简单介绍几个参数的基本数据, 如表2所示。
以上每个菜单都按一定的功能分类, 在出厂设定条件下不改变任何参数, 驱动器为速度和转矩控制方式。最少的基本输入为:速度给定、速度反馈、“驱动器允许”信号、“运行允许”信号和“驱动器运行”信号。逻辑的最终输出是触发角, 触发角决定加在电枢两端的输出电压, 参数值及选择逻辑对触发角参数的最终值起作用。各个菜单和每个参数都有不同的目的和作用, 现以双闭环和励磁控制几个关键的菜单为例作简单介绍。
菜单01为速度给定和限值, 有4个速度给定参数, 每个参数都可以设定-1 000～+1 000之间的任何值 (1 000为全速) 。并在任何时候, 可由键盘、可编程输入以及串行通讯来修改速度设定值。
菜单03为速度反馈选择和速度环, 主要输入斜坡后速度给定及硬速度给定。两者可以相加也可相互替换。所选的速度给定与速度偏值相加, 其结果作为最终速度给定, 最终速度给定与速度反馈的代数和产生速度偏差, 速度偏差通过PID作用形成速度环输出。速度反馈可从3个可能的反馈源 (编码器、测速机或电枢电压) 之一得到, 速度反馈还有另外2个作用———提供速度指示及零速指示。
菜单04、05为电流———选择和限值及电流环, 主要输入是采用速度环输出值与转矩给定相结合, 用于转矩或电流控制方式。这些输入形成电流给定, 根据需要可加电流给定偏值, 所得结果受到来自多方面的限制, 如速度反馈的限制。6个参数决定控制模式、速度控制、电流控制及四象限控制等。电流环的输入为二级转接信号, 它的输出直接控制整个系统的运行。因此, 电流环是通过处理速度、转矩给定及反馈, 产生最终触发信号的最后阶段。
菜单06为励磁控制, MentorⅡ系列主控板带励磁控制软件, 若电机不可控 (固定) 励磁, 则此菜单无效。提供2种可选的最大励磁电流, 低一点的值由一个可编程定时器控制。当驱动器停车时, 励磁自动切换到经济模式 (降低励磁电流) 。计算出的励磁电流给定与励磁电流反馈相运算所得到的电流误差是励磁电流环的输入, 励磁电流环的输出控制励磁触发, 并受触发角控制。励磁电流可以直接利用可编程输入端或应用软件通过参数进行控制。在系统诊断时, 也可直接对触发角进行控制。弱磁方式时的主要输入是来自内部逻辑, 电枢电压及来自外部输入的反电势设定点。励磁电流的给定是反电势电压环的输出, 受可编程的最大及最小励磁电流限制。电压环比较反电势计算值和反电势设定值, 反电势设定值是决定励磁电流给定的因素。用户还可以不用电压环, 直接输入电流给定。可设定2个最大励磁电流参数值, 此方式下, 反电势设定值必须设到最大值, 以便电压环总是提供最大电流参数值, 因而电流给定总是选择最大励磁电源。
4 结语