全数字直流调速器（共7篇）
全数字直流调速器 篇1
测控雷达伺服系统是测控雷达的重要组成部分,它直接担负着天线的驱动,使雷达能够迅速而又准确地跟踪目标。其控制技术水平的高低直接影响着测控设备跟踪性能的好坏,从而直接影响测控雷达设备外测数据的测量精度。因此,测控雷达伺服系统应具有良好快速响应和稳定跟踪的性能。目前国内测控雷达天线伺服驱动系统中大部分仍使用的是模拟直流调速度器,难以实现变结构变参数控制,且元件参数具有离散、漂移等特点,这些都不利于提高系统性能及可靠性,因而将新技术应用于伺服驱动系统显得十分迫切和必要。
近代电子技术的发展和大功率半导体器件的出现,为实现直流调速系统的全数字控制创造了良好条件。本文提出了一种基于全数字直流调速器实现的测控雷达伺服驱动系统,它运用全数字直流调速器高速的处理性能,先进的速度环、电流环控制方式以及灵活丰富的组态功能,组合完善的控制方案,能很好地控制电机的静态性能,以及天线运行时的稳定性和动态补偿,使得系统性能得到改善,跟踪目标精度得到提高,而且它具有完善的数字控制和保护功能,提高了设备的可靠性、抗干扰性。
1系统概述
1.1系统环路结构
测控雷达伺服驱动系统一般分为方位、俯仰两条驱动支路,为充分发挥全数字直流调速器的性能,系统环路结构由独立速度环、独立电流环构成。设置独立电流环的目的主要是为了克服力矩控制的死区和非线性、保持电流可控、不发生过流、改善电机的动态特性,为速度环提供频率较宽的控制对象[1]。独立速度环的设置可提高系统的低速平稳性,扩大系统的调速范围,提高抵抗负载扰动的能力,同时可方便地实现力矩偏置。环路原理方框图如图1所示。
方位、俯仰分别采用直流电机双链驱动,利用直流调速器内置电流偏置功能,分别将两个电机组成一对,PCC通过CAN总线进行联控,实现力矩偏置,从而完成电消隙功能,提高传动链刚度,改善系统性能。
1.2 系统组成
测控雷达伺服驱动系统主要完成功率放大和能量转换,最终推动天线转动,是实现天线运动的基础。其系统硬件组成如图2所示,系统主要由直流调速器、PCC同步控制器、PLC及安装在天线上的执行电机、传感器等构成。直流调速器作用是将接收到的控制信号进行功率放大供电机驱动天线。PCC多电机控制器完成双电机之间的协调控制。PLC负责完成直流调速器开关机控制、运行与停止控制、故障保护及驱动单元开关机控制,完成本地控制信号的输入。
1.3 系统工作原理
天线驱动工作原理:系统将天线控制单元(ACU)送来的速度指令或PLC采集到电位计的电压信号Un送到PCC同步控制器,PCC再通过CAN总线进行联控,实现力矩的合理分配,给每个数字直流调速器送出相应的速度指令信号Un′,与直流电动机测速机反馈回电机的实际转速信号-Un共同给定速度调节器,经速度调节器PI整定后输出Ui′和电流的反馈信号-Ui共同给定电流调节器,经PI整定后再输入给控制晶闸管整流器的触发装置来控制加在电机两端的电压驱动天线朝指定的方向运动[2]。
2 直流调速器接口电路设计
2.1 直流调速器的选择
在天线驱动系统中,工作要求频繁可逆,所用直流调速器也必须可逆,使电机工作在四个象限,从而加快电机加速、换向等动态性能,因此全数字直流调速装置选用英国欧陆公司的590+系列四象限逻辑无环流全数字晶闸管可逆直流电机调速装置,590+系列中所有的控制算法都由最新的高速16位微处理(单片机)完成,以获得优越的动态控制性能;自整定算法可自动计算出电流环的P、I常数及电流断续点,使系统获得最佳动态性能;其电流环的自适应功能使系统变化较大时,也可获得平稳的速度响应。它使用交流380 V的三相电源,提供直流输出电压和电流,用于直流电动机的电枢和励磁控制,适用于直流他励电动机和永磁电动机的控制。
2.2 接口电路设计
如图3所示,TB1为CAN总线接口,实现PCC对直流调速器的实时信息监控,和接收PCC速度控制信号完成多电机的协同控制。A1为零伏基准,它是调速器中所使用的所有模拟信号的通用基准点; A6为主电流极限或辅助电流限幅;A9为电枢电流的输出电流计指示; B3为+10 V基准电源;B6为调速器正常数字输出;B8 为程序停车,当程序停车输入保持在+24 V时,调速器将按照输入信号的要求运行,当程序停车输入为开路或零伏时,控制器将按照程序性停止参数的定义,产生受控停止或程序性停止;B9 为惯性停止,当惯性停止输入为+24 V时,控制器正常运行,当惯性停止为零伏或开路时,主接触器打开,同时调速器不再运行,电机滑行停止;C1为零伏基准;C2为电动机过热保护;C3 为启动/运行;C5 为启用输入;C9为+24 V电源;D5为主接触器线圈L; D6为主接触器线圈N ;L为电抗器,抑制开关电流和线路干扰,使正常条件下线电压压降空盒子在2%～5%范围内;L1,L2,L3为380 V三相交流电源;A+为电枢正接线端;A- 为电枢负接线端;TH1、TH2为电机温度检测端子,系统中没有使用电机温度检测,用短接线将TH1、TH2端子短接。B6是驱动器正常数字输出,当驱动器接收到信号时,经过自检大约2 s之后便输出正常的信息,PLC通过这个信号的状态可以实现590+数字直流调速系统的故障诊断。G3、G4为测速机反馈信号测试点,当速度反馈选择模拟测速机时,需要配置测速板。
3 系统调试
为了减小大口径测控雷达传动链长度、提高系统钢度、改善跟踪性能,选用低转速、高扭矩的永磁伺服电机。选取电机主要参数如下:额定转速:2 000 r/min;额定力矩:160 N.m;电枢电压:280 V;电枢电流:70 A;测速机:20 V/1 000 r/min。根据电机的铭牌参数,参照590 系列使用手册中文说明书设置好电枢电流、电枢电压、励磁电流、交流或直流反馈,反馈电压的设定值。这里我们选用的是永磁电机,所以FIELD CONTROL(磁场控制)参数中FIELD ENABLE(磁场使能)设置为DISABLE。
3.1 直流调速器运行逻辑
直流调速器加380 V高压,同时给直流调速器加220 V控制电压后,按下控制面板上运行按钮(直流调速器初始化未完成,不能按下运行按钮),PLC给直流调速器发出控制指令,继电器K5吸合,随后主交流接触器KM3吸合,直流调速器使能,继电器K6吸合,RUN指示灯闪烁或点亮,当测速机极性不正确或发生其他故障时,直流调速器会立即关断主交流接触器,并报测速机或其他故障,这时应调换测速机接线或排除故障。
3.2 电流环参数自调整
自调整过程如下:安全固定电机,用专门机械装置卡死电机转子(避免用制动器抱闸的方式),直流调速器加电,电流环参数中AUTOTUNE设为ON,按下运行按钮,主交流接触器吸合,直流调速器使能,自调整开始,大约经过10秒钟,调整结束,主交流接触器关闭,AUTOTUNE变为OFF,最后用人工方式保存参数。自整定一般做3 次,3 次所得的比例增益(PROP GAIN)、积分增益(INT GAIN)和电流断续点(DISCONTINOUS)数值不应相差很大, 3 次自整定做好后,取一组中间值既可。
直流调速器如果显示AUTOTUNE ABORTED或AUTOTUNE ERROR,主交流接触器会关闭,自调整停止,这时检查电机参数设置、转子固定装置或再次进行自调整程序。
参数设置完毕后用阶跃法测量电流环特性曲线,以验证参数设置的合理性。
3.3 速度环参数设置
设置“SPEED SETPOINT”参数为5%左右,设定端输入为0.5 V,设定SPEED FBK SELECT参数为ENCODER,慢慢增加MAIN CURR.LIMIT参数达到20%的最大值,若所有的连接都正确的话,电机应该开始运转,速度为全速的5%左右,检查编码器反馈的参数。停止调速器重新设定SPEED FBK SELECT参数为编码器反馈,在执行如上相同的检查,如果相同的话执行“参数保存”。如果超过了5%的速度且电机继续加速,则表示接反了,重新接线。将“SPEED SETPOINT”参数为10%左右,设定输入点1.0 V的电压,电机将加速到这个速度,观察个参数的变化。把“SPEED SETPOINT”的值提高到最大,并检查转速是否正确[3]。
参数设置完毕后同样用阶跃法测量速度环特性曲线,以验证参数设置的合理性。
4 改进效果
4.1 调速范围
模拟直流调速器控制的测控雷达伺服驱动系统采用电压负反馈,其调速范围D=600。高速16位微处理器控制的晶闸管可逆数字直流调速器采用光电编码器做转速负反馈,其调速范围D=1 000。
4.2 稳态精度
模拟直流调速器实现的测控雷达伺服驱动系统的稳态精度为到0.1%,数字直流调速器实现的测控雷达伺服系统的稳态精度却能达到0.01%(光电编码器反馈)。
4.3 运行可靠性
模拟直流调速器实现的测控雷达伺服驱动系统由于调整电阻多,且元件参数具有离散、漂移等特点,系统运行的可靠性难以得到保证。数字直流调速器实现的测控雷达伺服驱动系统充分发挥了计算机软件灵活的优势,调试参数自整定,数字控制调整点少,控制电路的简化,提高雷达伺服驱动系统的运行可靠性。
5 结束语
用全数字直流调速器实现的雷达伺服驱动系统,调速范围、稳态精度、调速平滑性等技术指标均有所提高,从实验结果来看全数字直流调速器实现的雷达伺服驱动系统工作更加稳定可靠、精度更高,基本上达到了预定设计目标,也为以后深空探测等高精度雷达的发展做好了重要铺垫。
摘要：针对目前测控雷达天线伺服驱动系统中采用传统模拟直流调速度器难以实现变结构变参数控制,且具有离散、漂移等不足,阐述了一种基于全数字直流调速器实现的雷达伺服驱动系统。每个直流调速器控制一台电机运转,多个电机之间的协同工作则采用PCC同步控制器完成。与传统模拟直流调速度器相比,全数字直流调速器伺服驱动系统的参数方便调整、抗干扰能力强、可靠性高。有效增强测控系统的跟踪性能。
关键词：数字直流调速器,伺服驱动,PCC同步控制器
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动控制系统.北京:机械工业出版社,1991
[2]鲁尽义.测角分系统.中国电子集团公司第三十九研究所,2006
[3]欧陆公司.590+全数直流调速器操作手册
全数字直流调速器 篇2
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.
全数字直流调速器 篇3
1 西门子6RA70SIMOREGDCMASTER直流调速装置的特点
6RA70 SIMOREG DC MASTER系列直流调速装置内置了电流内环、速度外环的双闭环调节器单元, 是全数字四象限整流器, 可为直流电机提供电枢和励磁电源。6RA70全数字直流调速装置是内置2台CPU的全数字控制系统, 具备自优化和自诊断功能, 从而大减轻调试人员和现场维护人员的工作强度其主要特点如下:
1.1 接口丰富
6RA70除了具备4对数字量输入输出口、2个模拟量输入输出口、编码器接口、电机温感接口外, 还可以通过加装端子扩展模块扩充输入输出口, 另外还可附加通讯模块, 通过PROFIBUS或DEVICENET总线达到其与PLC或上位机的通讯的目的。
1.2 软件功能齐全, 调试编程方便
内部软件具备优化功能, 可通过自学习优化控制参数, 能有效节约调试时间。也可以通过设置密码防止控制参数被修改以保证系统的安全。其调试诊断软件主要有SIMOVIS和DRIVEMONETOR, 均可运行在Windows系统上, 很方便进行就地调试与诊断。所有型号的6RA70均配备一个简易操作面板PMU, 在无调试软件的情况下, PMU同样可以实现调整和设定控制参数以及各测量值显示等功能。
1.3 自诊断及保护功能强大
6RA70自身具备诊断功能, 其故障用FXXXX的形式在操作面板显示, 报警则用AXXXX的形式显示, 一共具有147种F代码故障和128种报警保护功能, 并可通过查看故障诊断存贮器r047中的内容对故障代码做进一步判断, 故障码需要复位消失后, 整流器才能再次运行。主要的故障保护包括:过流、过压、过速、过热、、过载通讯故障、欠磁、测速反馈故障、堵转、硬件损坏等。故障表提示明晰, 有利于维护人员排除故障, 保护动作可靠, 可有效延长直流电机的使用寿命。
1.4 工业网络兼容性强
通过选用合适的通讯模块, 6RA70通讯可适配于多种工业总线协议, 如PROFIBUS-DP CANDEVICENET等, 所以, 6RA70可以轻易地与PLC或上位机间实际数据交换。
1.5 故障率低, 售后服务好
三台6RA70已在卸船机上运行1年多, 期间从未发生过故障, 当维护人员希望得到技术支持时, SIEMENS公司的技术人员总是热情主动, 有问必答。
2 6RA70直流调速器在卸船机应用时的参数设置及优化
6RA70直流调速装置容量选择一般按负载电机额定电流的1.5倍进行选型, 合理选型后, 对其参数进行相应的设置, 经过参数化步骤, 便可激活装置功能。#4卸船机上有4台直流电机, 以起升电机为例, 其额定电流为750A, 励磁额定电流7.4A, 额定功率为250KW, 最大电流限副为1200A, 调速器通过Profiitbus与西门子PLCS7400组网。首先必须进行基本参数的设定, 下面给出起升电机的部分控制参数:
2.1 启动参数设定
1) 调整电枢回路实际供电电压:P078.001=380 V2) 励磁回路供电电压:P078.002=380 V
2.2 输入电机数据
1) 起升电机的电枢额定电流:P100=750 A2) 起升电机的电枢额定电压:P101=400 V3) 起升电机的励磁额定电流:P102=7.4 A
2.3 电流限幅
1) 正转方向电机电流限幅P171=+160 (为电机额定电流的百分比倍数)
2) 反转方向电机电流限幅P172=-—160 (为电机额定电流的百分比倍数)
2.4 斜波发生器主要参数
1) 斜坡函数发生器斜坡上升时间P303=1.8S (即加速时间1.8s) 2) 斜坡函数发生器斜坡下降时间P304=2.2S (即减速时间2.2s) 设置完基本参数后, 须要对调整器进行优化运行。6RA70有几种优化运行方式:
a.电枢和励磁的预控制和电流调节器的优化运行:P051=25 (电机必须无负载)
b.速度调节器的优化运行:P051=26 (电机需要带载) c.励磁减弱的优化运行:P051=27 (电机必须无负载) d.摩擦和转动惯量补偿的优化:P051=28
因起升电机的负载特点, 6RA70在卸船机上应用时只进行了以上不需要带负载的优化。未能优化的参数则进行手工调整。
3 6RA70应用于卸船机时应注意的事项
1) 6RA70放置的控制柜必须具备排气扇。因为调速器内可控硅的发热量很大, 必须采用排气扇散热。
2) 调试过程中应根据各运动机构的振动情况对PID参数、斜波函数发生器的相关参数进行再调整, 否则卸船机运行时可能会出现晃动很严重的情况。
3) 应尽可能地消除电网谐波对直流调速装置的干扰, 否则有可能使电枢回路快速熔断器熔断, 甚至会击穿晶闸管。
4) 通讯电缆也要做好抗干扰措施, 否则也会引起调速器报故障。
4 结语
3台6RA70直流调速器已在#4卸船机应用有1年多时间了, 期间调速器从未出现故障, 与传统的模拟直流调速系统相比, 具有可靠性高、控制性能好, 效率高、便于调试和维修的优点, 通过合理的选型及参数设置便可发挥出其全数字调速的优越性。
摘要：本文介绍了西门子6RA70全数字直流调速装置的组成及特点, 并结合其在卸船机的具体应用上对驱动器的参数设置及优化进行了论述, 最后对6RA70全数字直流调速装置和在卸船机上应用的注意事项进行了阐述。
关键词：卸船机,直流调速装置,优化
参考文献
[1]杨中华.直流调速技术[M].北京:中国劳动社会保障出版社.2006.
全数字直流调速器 篇4
1.1 背景介绍
某钢铁厂1350板坯连铸机是我国第一台自行设计、自行制造，仅引进少量关键设备和技术建设起来的现代化大型板坯连铸机。铸机为一机两流，全弧形，四点矫直，冶金长度27.1m，年设计生产合格连铸坯100万吨。铸机于1993年10月18日一次性热负荷试车成功，投产后设备运行比较稳定，生产状况良好。
根据当时的技术水平状况，1350板坯连铸机去毛刺机采用直流模拟调速系统，但随着时间的推移，备件组织困难，电气设备逐步老化，故障率增加，2009年采用6RA70全数字直流调速装置，进行了全新升级改造。
1.2 机械系统构成
去毛刺机的机械部分主要包括以下装置。齿轮座：主要用来支撑和换向毛刺辊，保证整机运行时的平稳和水平;升降装置：主要是一个液压驱动油缸，用于将毛刺辊上升至高位和下降至低位;去毛刺辊和锤刀：锤刀安装于毛刺辊上，电机带动毛刺辊上的锤刀快速旋转，将铸坯头部、尾部火焰切割后遗留下的毛刺打掉。
1.3 去毛刺机工作原理
铸坯头部到达去毛刺减速位，切后Ⅰ组辊道、去毛刺辊道由高速转为低速运行，同时，去毛刺机电机带动毛刺辊正向高速旋转，为去毛刺做好准备。当铸坯头部到达去毛刺位，在液压油缸作用下，旋转的毛刺辊上升至高位，并在高位保持3.5s，旋转的锤刀将铸坯头部毛刺打掉;自动下降至低位，同时电机停止旋转。当铸坯尾部离开减速位时，去毛刺机电机带动毛刺辊反向高速旋转，重复上述动作，打掉铸坯尾部毛刺。
2 直流调速和控制系统构成
2.1 直流调速系统
如图1所示，去毛刺机驱动电机为直流电机，型号Z315-1A(Pe=80kW、Uae=220V、Ia e=400A，他励，励磁电流If=13.6A)。因此，升级改造选用SIMOREG DC Master 6RA70系列全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0(额定电流400A)。
2.2 上位机控制系统
如图2所示，去毛刺机去毛刺过程，电机逻辑运行动作控制信号来自上位机出坯PLC的电气室DP远程I/O。毛刺机的运行分手动和自动两种方式，其操作台和运行状态显示设置在板坯连铸机切割操作室，通过DP网络进行传输。手动方式适用于检修调试，在生产过程中完全采用自动方式。
3 控制系统完成的功能
3.1 速度闭环反馈环节的处理
如图1所示，去毛刺机直流调速系统采用测速机CSF形成速度反馈，在使用中存在以下问题：(1)测速机是10多年前的产品,厂家已不再生产,备件订货困难;(2)测速机老化严重,性能变差,同时通过电机内部齿轮连接,磨损很大,容易脱落。这诸多因素造成反馈环节质量很差,信号严重失真,电机运行波动大,机械出现严重的冲击颤动,导致门形框架、齿轮座、锤刀频繁损坏,去毛刺机维修成本大幅上升,并经常因事故停机检修,严重影响铸坯质量。因此,利用全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0具有的电压反馈功能,如图3所示,参数P083=1(测速机反馈)改成P083=3(速度实际值信号由EMF实际值通道K0287提供)。从使用一年多时间的实践证明,运行相当平稳,输出直流电压波动小于2%(采用测速机反馈输出直流电压波动大于10%),完全满足工艺提出的调速要求,节约了大量的维修费用,提高作业率30%以上。
3.2 励磁电流的优化控制
原设计去毛刺机电机的励磁电流If以永久接入方式供电。由于励磁电流If=13.6A很大，直流电机发热严重，因此必须采用强迫风冷散热(散热风机型号：Y132S1-2 5.5kW)。在实际使用中，仔细观察发现这样一个规律：生产过程中两块铸坯之间时间间隔大约为15分钟(对应拉速V=1米/分)，而对于一块铸坯而言，毛刺机真正需要旋转去毛刺的时间约为1分钟。这就是说，在大约(15-1)/15×100%≈93%的时间内给电机所施加的励磁电流If=13.6A是无用处的。相反，造成电机励磁绕组大量发热而不得不额外增加强迫风冷散热，消耗大量电能。本着优化的设计思路，在去毛刺机电机旋转运行期间加入额定励磁电流If=13.6A，在停止运行后延时一段时间(设计为6s)取消励磁电流If。
如图2所示，出坯PLC远程I/O的输出模板输出点Q8.6驱动继电器10J，继电器10J触点开闭状态决定全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0的36#端子的状态(0或者1)，从而控制去毛刺机电机励磁电流If=13.6A的接入与取消。具体过程是：当铸坯头部(尾部)到达(离开)去毛刺减速位时正转(反转)运行信号Q8.0(8.1)=1，继电器10J断开，则励磁控制信号Q8.6=0，全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0的端子36#=0，向电机接入额定励磁电流If=13.6A;当正转(反转)运行信号Q8.0(8.1)=0时，延时6s，励磁控制信号Q8.6=1，继电器10J闭合，端子36#=1，全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0取消向电机接入励磁电流，即If=0。
设计全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0的励磁运行控制参数：P257=0(停机励磁设定值)、P692=10(选择接入停机励磁的源36#端子)，如图4所示。
在出坯PLC设计去毛刺机电机励磁控制程序，控制停车励磁输出点Q8.6的状态，如图5所示。同时，在软件和硬件上取消毛刺机电机的散热风机。需要特别说明的是控制程序中的时间继电器T25，主要是保护作用。当毛刺机直流调速系统合闸以后Q8.6=0，励磁电流If=13.6A立刻加入，如果较长时间未投入运行，励磁电流If=13.6A始终满磁加入，这将导致取消散热风机后，毛刺机电机发热烧坏。因此，时间继电器T25检测到合闸2分钟后未出现运行信号Q8.0(8.1)=1，自动置位Q8.6=1，取消励磁电流的接入。
4 节能效益分析
1350板坯连铸机去毛刺机采用6RA70全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0进行了全新升级改造，可靠性、经济性大大提升，节能效果显著。
4.1 电机励磁节能
1350板坯连铸机一年停机检修时间：
T1检修=20次/年×10小时/次=200小时
去毛刺机仅仅在检修(故障除外)时停电，则一年通电时间：
T2运行=365天×24小时/天-T1检修=8560小时
则励磁电流优化控制后一年节约电能(R为电机励磁绕组电阻)：
4.2 取消散热风机节约电能（P为散热风机额定功率）
两项综合节能效益Q效益1(N=2，一机两流;J=0.5元/KW·h)
4.3 备件和质量效益
减少风机消耗4台(0.6万元/台)，由于更换一次散热风机，毛刺机停运5h/次，一年平均更换4次，铸坯不能去毛刺，造成质量异议损失100元/吨，则效益计算Q效益2=(4台×0.6万元/台+5h/次×4次×60分×1米/分×2吨/米×100元/吨)×2=52.8万元
改造后一年总经济效益：
Q总效益=Q效益1+Q效益2=6.2393+52.8≈59万元。
5 结束语
从生产实践分析得出，对于大量诸如上世纪建成的1350板坯连铸机，很多调速系统仍然还在使用直流调速。从可靠性、经济性分析，完全可以采用SIMOREG DC Master 6RA70系列全数字直流调速装置进行升级改造，其负载属于间断工作情况，完全可以借鉴电压反馈和励磁控制方式,实现更加可靠的节能减排运行模式。
参考文献
[1]SIMOREG DC Master 6RA70系列全数字直流调速装置使用说明书.
[2]STEP 7 V5.4 Help Contents.
[3]宋家成.直流调速系统应用与维修[M].北京:中国电力出版社,2008.
[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2005.
全数字直流调速器 篇5
攀钢1350板坯连铸机于1993年投运,去毛刺机采用直流模拟调速系统。随着时间的推移,备件组织困难,电气设备逐步老化,故障率增加,于是在2010年用西门子6RA70全数字直流调速装置对原系统进行升级改造。
1 去毛刺机工作原理
去毛刺机的机械部分主要包括齿轮座、升降装置、去毛刺辊和锤刀)。其中,齿轮座主要用来支撑和换向去毛刺辊,以保证整机运行的平稳和水平;升降装置主要由I个液压驱动油缸构成,用于将去毛刺辊提升至高位和下降至低位;锤刀)安装于去毛刺辊上,电机带动去毛刺辊上的锤刀快速旋转,除去铸坯头尾部火焰切割后遗留下的毛刺。
铸坯头部到达去毛刺减速位后,切后1组辊道、去毛刺辊道由高速转低速运行,同时,去毛刺机电机带动去毛刺辊正向高速旋转,为去毛刺做好准备。当铸坯头部到达去毛刺位时,在液压油缸的作用下,旋转的去毛刺辊上升至高位并保持3.5s,旋转的锤刀将铸坯头部毛刺打掉;3.5s后,旋转的去毛刺辊自动下降至低位,同时电机停转。当铸坯尾部离开去毛刺减速位时,去毛刺机电机带动去毛刺辊反向高速旋转,重复上述动作,打掉铸坯尾部毛刺。
2 直流调速和控制系统构成
2.1 直流调速系统
直流调速系统如图1所示。去毛刺机电机为直流电机,型号为Z315-1A,额定功率Pe为80kW,额定电压Uae为220V,额定电流Iae为400A,他励,励磁电流If为13.6A,因此,升级改造选用西门子SIMOREG DC Master 6RA70系列全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0,其额定电流为400A。
2.2 控制系统
上位机控制系统如图2所示。去毛刺机去毛刺过程中,电机逻辑运行动作控制信号来自上位机出坯PLC的电气室DP远程I/O口。操作台和运行状态显示装置设置在板坯连铸机切割操作室,信息通过DP网络传输。去毛刺机有手动和自动运行方式,手动仅用于检修与调试,而正常生产时采用自动方式。
3 控制系统功能
3.1 速度闭环反馈环节的处理
去毛刺机直流调速系统采用测速机CSF形成速度反馈,在使用中存在测速机备件订货困难、性能差等问题,造成反馈环节质量差、信号失真、电机运行波动大、机械受到严重冲击,导致门形框架、齿轮座、锤刀频繁损坏,维修成本大幅上升。因此,利用全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0具有的电压反馈功能形成速度反馈,输出的直流电压波动小于2%(测速机反馈的输出直流电压波动大于10%),完全满足调速要求,节约了维修费用,提高了作业率。
3.2 励磁电流的优化控制
原去毛刺机电机的励磁电流If以永久接入方式供电。由于励磁电流If很大,直流电机发热严重,因此必须采用强迫风冷散热,散热风机型号为Y132S1-2 5.5kW。在生产过程中,2块铸坯去毛刺的时间间隔约为15min(对应拉速V为1m/min),而去毛刺机去掉1块铸坯毛刺约1min。这就是说,大约(15-1)/15×100%≈93%时间内给电机施加的励磁电流是无用的;同时不得不额外消耗大量电能强迫风冷散热掉这部分能量。为此,在去毛刺机电机旋转运行期间加入额定励磁电流,在停运后延时一段时间(设计为6s)取消励磁电流。如图2所示,出坯PLC远程I/O口的输出模板输出点Q8.6驱动继电器10J,继电器10J触点的开闭状态决定了全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0#36端子的状态(0或1),从而控制去毛刺机电机励磁电流的接入与取消。具体过程是,当铸坯头部(尾部)到达(离开)去毛刺减速位时去毛刺机电机正转(反转)运行信号Q8.0(8.1)=1,励磁控制信号Q8.6=0,继电器10J断开,全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0的#36端子为0,电机接入额定励磁电流;当正转(反转)运行信号Q8.0 (8.1)=0时,延时6s,Q8.6=1,10J闭合,全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0的#36端子为1,取消励磁电流。
设置全数字直流调速装置6RA7081-6GV62-0的励磁运行控制参数P257=0(停机励磁设定值)、P692=10(选择接入停机励磁的源#36端子)。
在出坯PLC设计去毛刺机电机励磁控制程序,控制停车励磁输出点Q8.6的状态,如图3所示;同时,在软硬件上取消去毛刺机电机的散热风机。需说明的是,控制程序中的时间继电器T25主要起保护作用。当去毛刺机直流调速系统合闸后,Q8.6=0,励磁电流立刻加入,若去毛刺机电机较长时间未投运,则始终满磁加入的励磁电流将导致取消散热风机的去毛刺机电机发热烧坏,因此当时间继电器T25检测到合闸2min后未出现运行信号Q8.0(8.1)=1,则自动置位Q3.6=1,取消励磁电流的接入。
4 节能效益分析
4.1 电机励磁节能
攀钢1350板坯连铸机1年停机检修时间为:
t1检修=20次/年×10小时/次=200小时
去毛刺机仅在检修(故障除外)时停电,则1年通电时间为:
t2运行=365天×24小时/天一t1检修=8 560小时
励磁电流优化控制后1年节约的电能(R为电机励磁绕组电阻)为:
W节能1=Pt=93%I2 Rt2运行=93%×13.62 A2×10.4Ω×8 560h≈15 313kW·h
4.2 取消散热风机节约电能
取消散热风机节约的电能为:
W节能2=Pt=Pt2运行=47 080kW·h
式中,P为散热风机额定功率,5.5kW。
两项综合节能效益Q效益1为:
Q效益1=(W节能1+W节能2)×J×N=6.239 3万元
式中,N=2,1机2流;J=0.5元/(kW·h)。
4.3 备件和质量效益
1年1流减少风机消耗4台,每台0.6万元;更换1次散热风机,去毛刺机停运5h/次,1年平均更换4次,铸坯不能去毛刺造成质量异议损失100元/t。则该部分效益为:
Q效益2=(4台×0.6万元/台+5h/次×4次×60minX1m/min×2t/m×100元/t)×2=52.8万元
改造后1年总经济效益为:
Q总效益=Q效益1+Q效益2≈5.9万元
5 结束语
采用西门子SIMOREG DC Master 6RA70系列全数字直流调速装置进行升级改造,实现了控制的可靠性和经济性。针对负载间断工作情况,完全可借鉴本文介绍的电压反馈和励磁控制方式,实现更加可靠的节能减排运行。
摘要：将西门子6RA70全数字直流调速装置应用在板坯连铸去毛刺机中,通过改进板坯连铸去毛刺机的直流调速和控制系统,使板坯连铸去毛刺机的可靠性、经济性得以提高,达到节能的目的。
关键词：去毛刺机,全数字直流调速装置,励磁电流,时间继电器
参考文献
[1]宋家成.直流调速系统应用与维修[M].北京:中国电力出版社,2008
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2005
[3]史国生.交直流调速系统[M].北京:化学工业出版社,2011
全数字直流调速器 篇6
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
全数字直流调速器 篇7
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
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