可逆直流调速（共6篇）
可逆直流调速 篇1
前言
微机技术的快速发展,在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究,从直流调速系统原理出发,逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型,用微机硬件和软件发展的最新成果,探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法,研究工作在对控制对象全面回顾的基础上,重点对控制部分展开研究,它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨,控制策略和控制算法的探讨等内容[1]。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富,运算速度快的特点,采取软件和硬件相结合的措施,实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。
1、可逆直流PWM调速系统的原理及系统组成
1.1 PWM脉冲发生器的工作原理
PWM脉冲发生器脉宽调制的原理是以三角波(载波)与调制波进行比较,在三角波与调制波的相交处产生脉冲的前后沿。调制原理如图1所示。
1.2 直流PWM-M调速系统的主电路
由4个电力场效应晶体管VT1～VT4和4个续流二极管VD1～VD4组成H型桥式连接。H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。这里采取的是双极式H型PWM变换器,VT1和VT4同时导通和关断,VT2和VT3同时动作。电路工作原理如图2所示。
2、直流PWM-M系统主电路的仿真
2.1 模型
图3中的H型变流器采用多功能桥(Universal Bridge)[2],参数设置为2相桥臂,ABC在交流输出端,开关器件为MOSFET,多功能桥模块参数设ABC在交流输出端时是用来逆变,现在用于直流电机的变流,驱动电路需要另外设计。双极式驱动电路如图4所示。
图4的输入端Inl接脉宽调制信号Uct,输出端Outl输出4路MOSFET驱动信号。脉宽调制由两个PWM发生器进行,上方的PWM发生器用于产生VT1和VT2驱动信号,下方的PWM发生器用于产生VT3和VT4驱动信号。为了使PWM发生器输出驱动信号顺序与多功能桥驱动顺序一致,加入选择器模块(Slector),调制脉冲序列。
为了避免上下桥臂两个管子同时导通或截止,造成桥臂直通现象,需要有“死时”限制,这里采取的办法是是下方的PWM发生器输入控制信号为(Uct+0.001)。
主电路模型中控制信号Uct通过互动开关与PWM分支电路模块连接,双击互动开关就可以选择控制信号Uct和-Uct,控制电机的正反转。
2.2 仿真结果
由图5可以看出:伺服电机的转速上升平稳,这符合PWM调制的特点。在开机启动1.4s后,电机的转速达到额定转速并趋于稳定。
图6表明:电动机的响应迅速,起动电流最大值为29A,大约是额定电流的10倍。1.4s后,电机的电流下降到3A左右,接近额定电流,并趋于稳定。
图7表明:电动机的起动最大输出转矩约为12N*m,1.4s后,电机的输出转矩下降到1.5N*m左右,并趋于稳定。
图8为电机电枢电流和输出转矩的关系曲线,因为电磁转矩Te和电枢电流1a有关,所以它的变化过程和电枢电流一模一样。
图9是变流后的输出信号Uct信号的局部展开,Uct的波动反映了电流调节器的调节作用。
3、结论
本次设计的可逆直流PWM调速系统与由晶闸管相控整流构成的直流调速系统的区别在于主电路和PWM控制电路。至于闭环控制系统,静、动态分析和设计基本相同。在提高主电路驱动能力,完善相应的保护电路后,PWM系统还可用于一般直流电机的调速。可逆PWM调速系统结构简单,省去了复杂的换流装置,因此体积小,成本低,加之采用PIM来完成直流电动机PWM调速控制器,不仅简化了系结构,提高了系统性价比、灵活性、可靠性和抗干扰性,还可有效克服以往直流调速中谐波大、功率因数低的问题,是一种节能的调速方案,在应用中取得了令人满意的结果。
参考文献
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[2]江晓安,董秀峰,杨颂华.数字电路.西安:西安电子科技大学出版社,2002.
可逆直流调速 篇2
关键词：CPLD,远程控制,直流调速,双向可控硅
直流电机由于具有速度控制容易, 启、制动性能良好, 且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用[1]。在这些场合常需要通用、可靠性高、成本低、负载能力强、应用简单的直流调速模块, 而且某些时候可进行远程操作。本文针对常见调速应用, 采用可控硅做为调速元件, 采用EPM570T100C5设计和实现了一个通用直流调速模块, 为实现远距离控制内置了RS 485通信和简单通信协议。采用EPM570T100C5作为控制核心, 电路简洁, 输出控制脉冲精确, 硬件实现相对单片机程序可靠性高、实时性好。
1 系统设计
模块组成框图如图1所示。主回路可控元件选用双向可控硅, 成本低、控制电路简单、调压方便可靠。为实现电机双向运行, 采用两组反并联的整流单元。双向可控硅调压后经桥式整流模块变换成直流电, 输出给电动机进行调压调速。调压采用移相方式, 所以设计了电源过零脉冲形成电路。为增加模块可靠性, 强电与弱电全部用光电耦合器隔离;双向可控硅单元内有简单的RC缓冲电路, 用以抑制du/dt。考虑到某些应用场合需要远程控制, 增加了RS 485通信单元, 用MAX3485E芯片进行电平转换。测速选用直流测速发电机, 相对于光电编码器更经济, 测速发电机输出的直流电压经降压、滤波预处理后进行V/F变换。6位LED显示当前速度。电源电路为整个系统提供+3.3 V电源。
主控芯片EPM570T100C5是Altera的MAX Ⅱ系列低成本的复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 产品, 其密度高且性能优良, 内置用户非易失性FLASH存储器块, 内部时钟频率高达[2]300 MHz, 100脚MBGA封装, 570个逻辑单元 (LE) 。 MAX Ⅱ器件具有创新的查找表 (LUT) 逻辑结构, 突破了传统宏单元器件的成本和功耗限制。设计人员可以利用MAX Ⅱ器件来替代低密度FPGA, ASSP和标准逻辑器件, 支持在系统编程 (ISP) , 很容易在现场重新进行配置。使用EPM570T100C5开发调速装置, 大大降低了系统功耗、体积和成本。另外, Altera提供免费的Quartus Ⅱ基础版软件, 支持所有MAX Ⅱ器件, 它是基于MAX Ⅱ器件引脚锁定式装配和性能优化而设计的[3]。
2 可控硅调压调速原理
移相触发就是通过改变晶闸管每周期导通的起始点即触发延迟角α的大小, 达到改变输出电压、功率的目的[4]。图2给出了双向可控硅调压波形, 电源电压
式中:α和θ满足
双向可控硅输出电压整流后加到主电机电枢回路, 构成降压调速系统, 调压调速机械特性硬度不变, 调速范围大, 能量损耗小。电压与速度关系满足式 (2) 的机械特性。
式中:U为电机电枢电压, 来自双向可控硅输出电压Uo;Ra为电枢回路电阻;T为电磁转矩;φ为每极磁通;Ce为电动势常数;CT为转矩常数。
设磁通保持不变, 电枢电路中也没有串联可调外电阻, 减小电动机电枢供电电压时, 由于转速不立即发生变化, 反电动势也暂不发生变化, 此时电枢电流减小, 转矩也减小, 若阻转矩未变, 则合成转矩小于零, 转速下降, 反电动势减小, 电枢电流和电磁转矩也随之增大, 直到达到转矩平衡时为止, 但此时转速已较原来的降低了。由于调速时磁通不变, 故也为称之恒转矩调速[6]。
3 FPGA核心设计
3.1 主模块
采用自顶向下的设计方法, 主模块原理图如图3所示。包括speed_detection为速度检测、speed_control为速度控制、RS 485为串口通信、gate_control为主控子模块4部分。speedpulse为V/F转换后的速度脉冲信号;start和stop分别为起动和停止按键的输入信号; inc和dec分别为加减速按键的输入信号;zeroin为同步过零脉冲的输入信号;rxd, txd, notre和de连接到RS 485接口芯片MAX3485E;alarm为超速报警信号;led0～led5为速度显示6位数码管的输出信号;maincj为主接触器的控制信号;redled和greenled分别为红绿灯输出信号; pulse Ⅰ和pulse Ⅱ为正反组双向可控硅控制信号。
速度检测子模块在单位时间内对speedpulse计数, 得到速度值speedvalue, 并经过译码送到6位LED显示。速度控制模块根据设定速度和检测速度用PID算法调节输出脉冲, 改变移相角来控制速度;设定速度为reg变量, 可用inc和dec按键调节, 也可以来自RS 485模块;根据速度设定值的正负得出direction信号, 控制脉冲信号加在两组双向可控硅之一, 使电机正反两方向转动。主控子模块负责控制整个系统的起动和停止, 复位各个子模块, 提供1 Hz, 25 600 Hz, 10 Hz脉冲信号。RS 485模块负责通信管理、解析通信协议, 从而接收16位速度设定值。
3.2 速度检测
速度检测模块主要包括频率计和译码电路, 如图4所示。enable为速度检测使能信号, clr为输出清零信号, speed_in为输入速度脉冲信号, led0～led5为6位数码管输出信号。
3.3 速度控制
速度控制的原理是根据设定速度与实际速度的偏差用PID算法产生控制量, 根据控制量的大小把过零检测脉冲移相后加宽作为输出控制信号, 如图5所示。
enable为输入使能控制信号; f25600hz为决定移相单位时间的输入信号;delay_f1hz为按键加减的单位时间输入信号;key_inc和key_dec分别为加速和减速按键的输入信号;zeroin为输入同步过零脉冲信号, 频率为100 Hz;outpulse为输出的移相脉冲信号;direction为转向信号。
3.4 RS 485通信模块
RS 485总线是一种多点差分数据传输的电气规范[7], 其通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信, 具有噪声抑制能力强, 高速数据传输, 且电缆比较长及可靠性高的特点[8]。
RS 485子模块主要实现UART功能, 并通过notre和de信号控制发送和接收。串行通信固定设为9 600波特、8位数据、无奇偶校验、1位停止位。数据格式:地址码、数据、结束字符, 其长度分别为8位、16位、8位。当总线上挂接多个调速模块时, 采用广播方法发送消息, 地址码可根据实际情况约定。由于RS 485总线是异步半双工的通信总线, 一个时刻总线只可能呈现一种状态。因此在空闲状态时, 将RS 485总线始终设置为接收状态[9]。
3.5 仿真
功能仿真又称前仿真, 其目的是检查HDL代码所描述的逻辑功能是否和预期的功能一致[10]。全部模块已在Quartus Ⅱ中仿真通过, 图6给出速度控制模块功能仿真波形。仿真时间为30 s, 假设期间实际速度为常数, 在3.9 s按下加速按键, 使key_inc变为高电平, 10 s后 (13.90 s时刻) 加速按键释放变为低电平, 据图6的仿真波形图中可知, 在13.90 s时刻, 输出脉冲下降沿相对于过零脉冲从180°向前移相约70°, 表明移相调速功能正常。
4 实际系统运行数据
为调试和分析系统运行状况, 测得如表1所示系统运行数据。主电动机型号110ZF53, pN=100 W, UN=220 V, IN=0.50 A, 1 600 rpm。delaydata[15..8]是速度控制模块中元件CONTROL_FPGA的延时, 输出数据高8位。
从表1中数据看出, 控制系统可有效、连续地调整电机速度, 稳态误差较小, 负载转矩的变化使移相角与转速之间呈非线性关系, 但移相角与输出电压一一对应。
5 结 语
该设计具有通用性、经济性、可靠性, 是常规直流速度控制的较好解决方案。由于采用CPLD芯片作为控制核心, 可方便地进行各种改进。若要进一步提高控制性能, 可以增加电流闭环;或稍加改动, 可以控制两台直流电机的单向运行;可以实现组成分布式网络控制系统等。
参考文献
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可逆直流调速 篇3
错位无环流直流可逆调速系统是直流可逆调速系统中的一种控制方式, 采用错位控制, 消除静态环流, 并在调速系统中采用转速环、电流环和电压内环三闭环的结构。其中, 电压内环的作用非常重要: (1) 缩小电压调节死区, 提高切换的快速性; (2) 防止动态环流, 保证电流安全换向; (3) 抑制各种非线性因素对系统动态品质的不利影响[1]。本文采用Simulink和PowerSystem工具箱, 介绍如何实现错位无环流直流可逆调速系统的建模与仿真。
1 错位无环流直流可逆调速系统的建模
大多传统的错位无环流直流可逆调速系统的计算机仿真是用传递函数结构图的方法来完成的, 各环节的传递函数是将实际模型经过一定的简化而得到的, 像系统的电压和电流的含有谐波分量的细节容易被忽略[2,3]。而PowerSystem工具箱提供了利用较为准确物理模型, 使电气控制系统的计算机仿真成为可能。
1.1 三闭环错位无环流直流可逆调速系统的工作原理
直流电动机可逆调速无环流分为两类: (1) 逻辑无环流可逆调速系统。 (2) 错位无环流可逆调速系统。在逻辑无环流控制系统中, 需要设置一个复杂的逻辑控制器 (DLC) , 使得当一组工作时开放一组触发脉冲, 封锁另一组触发脉冲。在转换过程中有一定的延时, 这样使得正反过程减慢。而采用错位无环流可逆调速, 仅仅使触发脉冲相位角的错开来实现无环流。两组同时施加触发脉冲, 脉冲的相位角错开较远。两组脉冲初始触发相位角整定在αf0+αr0=300°或360°, 也就是说, 初始触发相位角αf0=αr0=150°或180°。因而, 当待逆变组的触发脉冲到来时, 它的晶闸管一直处在反向阻断状态, 不可能导通, 当然就不会产生瞬时脉动环流了[4]。三闭环错位无环流可逆调速系统电气原理图如图1所示。
1.2 三闭环错位无环流直流可逆调速系统的模型结构
组成三闭环错位无环流直流可逆调速系统的主要子模块包括:主电路模块和控制电路模块两大部分。1.主电路模块:直流电动机、三相交流电源、整流变压器、正、反并联的晶闸管三相全控整流桥;2.控制电路模块:同步电源与6脉冲触发器、速度调节器 (ASR) 、电流调节器 (ACR) 及电压调节器 (AVR) 、电压隔离器、电流变换器、速度变换器、倒相器、移相控制器[5,6]。调节器和移相控制器模块需要自己设计封装外, 其余均可从有关模块库中直接复制, 其参数根据实际电动机和系统的设计要求设定, 然后给予各模块配置。
1.3 系统模型参数的配置及模型的封装
电力系统工具箱以Simulink为运行环境, 它由电源、基本元件、电力电子、电机、连接件、测量等6个模块库组成, 根据需要可以组合封装出常用的更为复杂的模块, 添加到有关模块库中。MATLAB6.5以上版本还有附加模块库, 其控制子模块库中有6脉冲触发器、三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块。
1.3.1 主电路模块的建模和参数配置
三相交流电压源模块, 将模块标签改为A相、B相、C相;然后从连接器模块组中选取三块同样的Ground (output) 分别与三相电源连接起来, 参数配置:幅值取230 V, A相初始相位角为0°, 频率为50 Hz, B相配置成与A相相差120°, C相配置成与A相相差240°的初始相位。其他参数为默认值。
晶闸管整流桥的建模和参数配置:“Universal Bridge”模块, 参数配置为:桥臂数取3。A、B、C相交流电源接到整流桥的输入端。
Ld平波电抗器的建模与参数配置:“Series RLC Rranch”模块, 参数配置为:R取0;C取0;L取主电路计算的电感值69.3 mH。
电动机的建模和参数配置
“DC Machine”模块;励磁电源参数配置为230 V;电机参数:电枢电阻Ra=0.84 Ω;电枢电感La=5.6 mH;转动惯量J=3.2 kg·m;其它为元件默认值;电动机经TL端口接额定负载, 使直流电动机的输出参数为转速n、电枢电流Ia, 分别通过示波器模块观察仿真输出。
1.3.2 移相控制器的封装
触发器的控制角 (alpha_deg端) 通过了移相控制环节 (shifter) 。移相控制模块的输入是移相控制信号uct, 输出是控制角α。移相控制信号Uct max由常数模块设定, 移相特性的数学表达式为:
在本模型中取αmin=30, Uct max=10, 所以α=180°-15uct。
1.3.3 同步电源与6脉冲触发器的封装
6脉冲触发器需与三相线电压同步, 同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。同步电源与6脉冲触发器封装后的作为一子系统[7]。
1.3.4 带内、外限幅的调节器的封装
仿真模型与系统动态构图的各个环节基本上是对应的。需要指出的是, 系统的调节器都是有饱和特性和带内、外输出限幅的PI调节器, 为了充分反映在饱和与限幅非线性影响下调速系统的工作情况, 需要构建考虑饱和与输出内、外限幅的PI调节器如图2。
过程如下:线性PI调节器的传递函数为:
式中KP为比例系数;Ki为积分系数;τ=Kp×Ki。如果是I调节器, 则使KP=0。考虑饱和与输出内、外限幅的PI调节器如图2所示。模型中比例和积分调节分为两个通道, 其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值, 而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。为了是系统模型更简洁, 利用了Simulink的打包功能 (Great Subsystem) 将调节器模型缩小为一个分支模块。转速调节器ASR, 电流调节器ACR, 电压调节器AVR及主要的控制电路封装为 (control subsystem) 子模块。
1.3.5 错位无环流直流可逆调速系统整流桥的建模与封装
错位无环流直流可逆调速系统两组整流桥的仿真模型和封装后的双反星联接整流桥模块如图3所示。反组整流桥输出侧增加了环流观测器, 以方便对系统工作状态的观测。
1.3.6 错位无环流直流可逆调速系统整体的建模
将封装后的双反星联接整流桥, 给定环节、ASR、ACR、AVR、直流电动机等一起可构成三环错位无环流直流可逆调速系统的仿真模型, 如图4所示。
2 三环错位无环流直流可逆调速系统仿真实例及分析
三环错位无环流直流可逆调速系统的仿真模型中, 交流电源 (ua、ub、uc) 两组反并联的整流器 (VF、VR) 和两组触发器 (Synchronized 6-Pulse Generator) 、平波电抗器Ld和电动机组成可逆系统的主电路。控制回路由转速给定、转速调节器ASR、电流调节器ACR、电压调节器AVR、倒相器Gain、和移相控制器Shifter等模块组成。其中给定环节可以通过切换开关 (Manual Switch) 选择电动机转向, 在需要改变转向时, 双击该开关即可正转到反转或反转到正传的给定切换。转速和电流的反馈信号均取自电动机测量单元的输出。ASR、ACR和AVR由带输出限幅的调节器分支电路来完成。
2.1 系统主要环节的仿真参数
给定信号:有两个常数模块和手动切换开关组成, ASR 为PI调节器, 其中:KP=16.7, Ki=171.49;ACR 为PI调节器, 其中:KP=1.498, Ki=33.8;AVR 为I调节器, 其中:KP=0, Ki=250;速度反馈系数:αn=0.006 67;电流反馈系数:ai=0.381;电压反馈系数:av=0.045 45。
2.2 仿真分析
对图4三闭环错位无环流直流可逆调速系统进行仿真, 得到调速系统在幅值为10的正、负阶跃给定信号下, 转速、电枢电流以及系统环流观测的仿真波形, 如图5所示。
图5中电枢电流和电枢转速为相对值。从仿真曲线结果知, 当系统给定信号变极性时:①启动时输出转速超调量小, 速度曲线具有较好的过渡过程, 能够较理想的实现快速起动。②稳定时能够很好地跟随转速给定信号, 说明有较好的抗干扰能力;转速极性随着给定信号改变极性;③系统环流观测波形在系统运行过程中, 始终接近于0, 说明采用错位控制策略可以有效地消除静态环流;④电枢电流波形呈现有一定程度的毛刺感, 说明在系统能够反映包含真实得谐波分量。加大电感可以使其减小。在设计过程中利用该仿真模型可起到事半功倍的效果。
3 结束语
在MATLAB仿真的基础上, 对面向系统电气原理结构图的三闭环错位无环流直流可逆调速系统进行了研究。通过Sumlink仿真, 实现了对电机控制系统以及其它生产控制系统的动态观测, 有利于理论的研究与设计, 对于工程实践具有很深的意义。
摘要：面向系统传递函数结构图的错位无环流直流可逆调速系统的计算机仿真很常见, 而面向系统电气原理结构图的错位无环流直流可逆调速系统的仿真未见, 为此提出了一种基于Simulink和Power System工具箱、面向系统电气原理结构图的错位无环流直流可逆调速系统计算机仿真的新方法, 实现了转速、电流和电压三闭环控制的错位无环流直流可逆调速系统的建模与仿真。分别给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果, 仿真结果表明了仿真算法可信度较高。
关键词：错位无环流,直流电动机,MATLAB仿真,三闭环
参考文献
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可逆直流调速 篇4
逻辑无环流可逆调速系统因其简单可靠而被广泛应用于冶金、矿山、轻工等各领域。在龙门刨床、可逆轧机、矿井提升机等系统中,常希望所控制设备稳定、准确,而PI控制的电机正反转切换性能较差,转速存在超调,由正转到反转的切换时间较长。为改善系统切换性能,引入了积分滑模控制,但积分作用和限幅环节同时存在时系统容易出现Windup现象。
为抑制Windup现象,文献[1,2]提出了条件积分滑模控制,使边界层内为传统积分作用,边界层外积分项受到抑制,抑制程度由切换函数与边界层厚度决定。文献[3]在条件积分滑模控制的基础上进行了改进,增加了调节因子,积分项的抑制程度可依据实际情况进行调节。文献[4]设计了一种带有非线性积分项的滑模面,可通过调节非线性函数对到达积分器的误差进行限幅,以达到抑制Windup现象的目的。文献[5]采用双曲函数调节带有积分项的切换控制,当系统受扰时,状态向量运动轨迹偏离滑模面较远,切换控制作用加大,从而增强了系统抗扰性能。文献[6]将Anti-windup补偿装置引入到积分滑模控制器中,并于动力辅助系统中进行了实验验证。本文在文献[6]的基础上将带有Anti-windup环节的积分滑模控制应用到逻辑无环流可逆调速系统中,并取得了良好的控制效果。
1 逻辑无环流可逆调速系统
逻辑控制的可逆直流调速系统的原理框图如图1所示。其中ZC为零电平检测模块,TP为转矩极性鉴别模块,DLC为无环流逻辑控制模块。由于晶闸管的单向导电性,可逆调速系统主电路设有2组反并联的晶闸管整流装置,ACR1用来控制正组触发装置GTF,ACR2控制反组触发装置GTR。
当电机由正转切换到反转时,ASR输出极性由正变负,TP输出极性发生相应变化,在ZC未检测到零电流时,正组保持开通,电机进行本组逆变,主电路电感迅速释放储能;当电流过零后,DLC控制正组关断,反组开通,转入反组制动状态,反相电流迅速上升到-Idm以使正向转速下降,正转停止后紧接着保持-Idm进行反转启动,最终运行在稳定工作状态。
ACR1与ACR2两电流调节器的设计保持一致,均采用PI控制,转速调节器可在此基础上按照图2所示简化结构图进行设计。
图2中,R为电枢电阻,Tm为机电时间常数,Ce为电动势常数,α,β分别为转速和电流反馈系数,TΣn为2个小时间惯性常数1/KI,Ton的合并项,,Ki,τi为电流调节器参数[7]。此时,系统所对应的数学模型可描述如下:
2 带有Anti-windup环节的积分滑模控制
2.1 积分滑模控制
针对式(1)所示数学模型,选择系统状态变量为
式中:x0为转速误差积分;x1为转速误差;x2为误差变化率。
利用状态变量构建切换函数s为
式中:c0,c1为正数;p为拉普拉斯算子,p2+c1p+c0满足赫尔维茨稳定。
采用基于指数趋近律的滑模控制方案知:
由式(1)、式(2)知
结合式(4)得
2.2 Anti-windup环节
积分作用的引入可提高系统稳态精度,增强系统抗扰性能,但当控制作用受限时,输出响应容易出现超调增大、调节时间变长问题,通常将这种现象叫做Windup现象。图3给出了控制作用受限时的转速响应曲线。
造成Windup现象的原因是由于限幅环节使控制器输出与被控对象控制量输入之间存在差值,系统误差无法按照预期走向减小,积分作用持续积累,控制量在一段时间输出饱和上限设定值,系统闭环响应变差。
针对这种情况,本文在常规积分滑模控制中增加了Anti-windup装置,如图4所示。
此时积分环节输入量增加了(u-u′)项,与式(2)不同,x0的表达式为
若控制器输出在限幅范围内,Anti-windup补偿装置不起作用;当控制器输出大于限幅值时,Anti-windup补偿装置开始起作用,使得积分作用被削弱。
3 基于d SPACE的系统实现
3.1 系统结构
图5所示为基于d SPACE DS1103单板系统开发的逻辑无环流可逆调速系统结构图。
DS1103通过ISA总线与上位机进行数据通信,通过模数转换接口与外设进行信号传输。实验所用电机型号为DJ15他励直流电机,主要铭牌数据为:额定电压220 V,额定电流1.2 A,额定转速1 600 r/min,额定功率185 W。实验测得数据:R=30.06Ω,L=532 m H,Ce=0.05 V·r/min,Tm=0.25 s,晶闸管装置放大系数Ks=60。
3.2 软件设计
采用d SPACE进行算法实现时无需进行代码编写,可借助于RTW和RTI的支持,直接将Simulink中的模型下载到硬件设备中[8]。图6为带有Anti-windup环节的积分滑模控制实时模型。
因电机本体、电流检测和转速检测部分均被实际设备取代,所以实时模型中只保留了转速、电流调节器。ADC为模/数转换接口,DAC为数/模转换接口,又模拟电压1 V的采集信号幅值为0.1,所以ADC采集到的信号应乘10,DAC输出乘0.1。
3.3 实验结果及分析
为验证本文控制方案有效性,将实验结果与PI控制进行对比。图7和图8分别为电机正转、正反转切换过程转速响应曲线。
由图7a可知,PI实时控制系统超调量为9%,若误差允许范围为2%,调节时间为1.2 s,添加与撤除负载扰动时,动态降落为85 r/min,恢复时间2 s。由图7b可知,本文控制策略下转速不存在超调,系统调节时间为0.62 s,扰动下的动态降落为15 r/min,且在0.6 s后迅速恢复到给定转速。
由正、反转转速响应曲线图8可知,误差允许范围内PI控制的电机正反转切换时间为1.6 s,而积分滑模仅用时0.9 s,切换过程快速无超调。
4 结论
比例积分控制的逻辑无环流可逆调速系统因存在转速超调,切换效果较差。滑模变结构控制对于对象模型误差、参数变化有极佳的不敏感性,且结构简单,易于实现。
本文针对逻辑无环流可逆调速系统设计了带有Anti-windup环节的积分滑模控制器,并搭建了基于d SPACE的实验平台。实验结果表明,该控制策略下电机正反转切换迅速无超调,系统具有较强抗扰能力。
摘要：逻辑无环流可逆调速系统在工业领域中应用广泛,但采用PI控制时电机正反转切换性能及抗扰性能均较差,为改善系统上述性能,将积分滑模控制用于该系统中。又积分作用和输出限幅环节同时存在时,系统容易出现转速超调量增大、调节时间变长的问题,因此在控制器中增设了Anti-windup补偿装置。基于d SPACE的实验结果表明:该控制方案下系统不仅具有良好的启动和抗扰性能,且正反转切换过程快速无超调。
关键词：逻辑无环流,积分滑模,抗饱和
参考文献
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[7]阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2009.
可逆直流调速 篇5
冷轧机是轧钢行业中的核心设备[1],可逆扎钢机主要用于各种薄钢板(带)的冷压扎制,通过一对压辊,把各种厚度不同的钢板(带)压制到所需的规格。可逆,顾名思义即钢板(带)可以双向通过压辊,经过多次的压制,不用换卷,一次使钢板(带)压制成型。与单向压机相比,大大提高了工作效率,降低了劳动强度,提高了自动化程度。正因为如此,可逆压机对控制系统也提出了比较高的技术要求[1]。
2 控制要求
可逆冷轧机的两边都有卷轴,一边为收卷,另一边为放卷,当扎制方向改变时,转换收放卷的运行方向,收卷改成放卷,放卷改成收卷,因收放卷过程中卷径会发生变化,所以收放卷一般都用力矩控制方式。其次,根据扎制要求,为了使压制后的钢板(带)保持平直,收放卷都需要保持一定的张力,使钢板在进出扎辊时都保持平直。一般根据实际的张力大小,需要实时调整张力,使钢板(带)既保持一定的张力,又不致被拉断。第三,为了调整钢板(带)的厚度,在开始阶段,系统的工作速度通常会很慢,但这时候压制力不会因为速度慢而减少,反而会因为速度慢而增加静态摩擦力,所以,低速时候所需要的力矩会比高速时更大。这给传动和控制提出了很高的要求,特别是传动系统的低速力矩要足够大,保证低速时运行的平稳,张力的稳定。当然,控制系统还应有钢板(带)厚度测量装置以及调整厚度系统,直观的显示并能方便地调整进出压辊的钢板厚度,如图1所示。
可逆冷轧机的传动大多数是传统型直流传动系统,由直流传动系统的特性可知,在额定转速以下,直流系统是恒力矩输出,通过双闭环控制,可以很好的保证低速输出力矩。但是,直流电机的结构,决定了直流电机的维护工作量比较大,检修难度大。所以,在最新的控制系统中,已开始逐步使用直流调速器[2];通过直流调速器及PLC作一些辅助控制和运算[1],实现恒张力的工作要求。下面介绍本单位四棍可逆轧机中应用欧陆590+系列直流调速器的最基本的控制方法。
3 系统概述
从电机学知道直流电动机的转速为[3]:
n———电机转速;———磁通量;CE———电势常数;CM———力矩系数;Mde———电磁力矩;RS———电枢内阻。
均匀地、连续不断的改变施加在电动机两端的供电电压可以改变直流电动机的转速[3]。在这套系统中通过内部或外部电位器给定0~10V的电压信号到PLC中,再由PLC进行数据处理后给定到直流调速装置来调节电机的输出转速,系统具体控制原理图如图2所示,虚线部分为直流调速器系统。为了保证系统有较高的动态性,采用了双闭环的结构通过测速发电机反馈电机实际转速信号-Un和给定的电压信号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整定后在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。这种控制方式使转速n跟随给定电压Un变化,对负载起抗干扰的作用,而且对电网电压波动起及时抗干扰的作用,还保证获得允许的最大电流[5];在转速调节过程中,还使电流跟随其给定电压Un变化,并且当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,从而起到快速的安全保护作用[4]。
4 功能实现
(1)电机的选用
主机选用Z4-315-32 355kW直流电机,左右卷取选用Z4-315-32 200kW直流电机,电机如何选用为合适这里就不详细说了,这里主要介绍的是电气控制部分。
(2)直流调速器的选用
在冷轧机的系统中,控制要求要有相当好的精确度,系统的稳定性当然是越稳定越好,所以正确的选择好直流调速器是很关键的,这里选用欧陆590C。
欧陆590C的性能如下[1]。
1)友好的用户界面。控制面板人机界面用于参数设置,编程和传动控制。液晶显示器32个字符,带背景光,可以按字母顺序菜单显示,不需要记忆的多种言语显示菜单以便快速查阅所有功能模块。
2)快速设置。简单应用时可以略过高级功能模块设置。
3)电流自整定。满转矩自定义调整,无需转换电机负载。
4)自定义参数显示。可显示自定义的特定应用的参数组。
5)自定义编程。各功能模块可以按应用要求任意连接。
6)联网方便。通讯接口模块可以直接安插在传动装置上,支持Profibus通讯,使用户能够通过各种标准现场总线网监控传动系统。
7)功能强大、完善。使用内置的软件功能模块几乎可以无限制地满足任何传动要求。所有的功能模块都可以内部连接用来实现某种特定的功能。
(3)其它用选型
电扩器选用SLK系列三相电扩器,主机用8.8V-800A,左右卷取用8.8V-600A。反馈用通用的110V2000r/min的模拟直流测速电机。
(4)分析控制方案
轧机的工作过程:通常由主机牵引带从工件中穿过,通过下压电机或液压系统对棍第产生巨大压力,从而使带钢产生变形,在左右收卷产生的足够延伸应力作用下,使出口的带钢变薄。
轧机的速度稳定性要求较高,由主机来带动左右卷取的运行,主机运行在精确的速度控制方式下,左右卷取则工作在恒转矩下。
主机的速度控制主要做到精确的速度闭环控制就可以,本例中用110V 2000r/min的测速电机基本上能达到要求的控制精度。左右卷取主要要求的是稳定的张力控制,张力的控制本例不使用张力仪,用间接运算。张力的控制实质就是电机的转矩控制,即电流控制。在间接的张力控制中,为保证张力控制的准确性,要充分考虑卷取机的在加减速过程中转动惯量以及机械本身固有的摩擦力对转矩的影响。所以,要有加减速和摩擦转矩补偿环节,590在这方面的性能相当好。要达到精确的张力控制,就要有两个重要的变量:线速度及卷径。在590功能块中有一个完善的卷径运算器及张力动态补偿运算器[2]。
(5)主机控制原理图
如图3所示,主机使用了按钮两地控制加减速,使用测速电机人为反馈源,有电机过热保护功能,有机械润润滑保护功能,有断带系统急停功能,有590故障指示。
B8作为系统急停,B9为机械润滑油保护。
A7为主机速度反馈输出,在本例中,卷取机的线速度给定由主机的速度反馈代替,线速度一般是由安装在导向棍上测速仪获得,一般情况下张力控制要求的精度不高可以直接使用主机速度反馈来代替;C3为590合闸,也为主电源吸合。
C4、C5为加减速度。正转时,C4为正转加速,C5为正转减速;反转时,C5为反转加速,C4为反转减速;C6为正转,C7为反转。
C8为输入复位,在每一次的正反转转换中,以安全起见都要对输入复位为零,在系统进行急停操作时,也要对输入复位为零。
(6)速度设定值(或说成主速度设定值)指的是在电机在闭环控制电路中,对电机的转速作一个指定输入值,使电机转速运转在某一指定值。辅助速度设定值指的是对速度设定值进行修整的值,它与速度设定叠加起来(负号或正或负)成为总的速度设定值。在590的五个模拟输入中,模拟输入2(A3)是不可组态的,其它四个模拟输入是可以组态成各种不同的功能,说明书所介绍的是系统默认的功能,比如可以把模拟输入1(A2)组态成斜坡速度设定值,或将模拟输入3(A4)组态成速度设定值,又或将模拟输入1(A2)组态成张力设定值等功能。
模拟输入2(A3)的功用是辅助速度设定值或电流,指的是同一输入端的输入值通过系统的不同设置可作为速度设定值输入,又可作为电流设定值输入,系统默认是通过C8数字输入端来转换其功能,也可以通过内部组态来改变为其它的数字输入口,比如C6、C7等。
5 系统调试
完整的机电系统调试方案,包括组织机构图及岗位职责,调试纪律,交接班制度,通风空调系统,空调水系统,给排水系统,热水系统,电气照明及动力系统调试过程。这里只叙述直流调速器基本的、常规的调试过程。
(1)励磁调试:合上控制电源,先把系统励磁的控制方式定在电压控制上(默认是电压控制),把电压比率从较小开始,一般可以从20%开始;在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,合闸启动590,这时励磁电压会以380V×20%=76V的电压加到电机励磁线圈上,此时,把电压比率慢慢的加大,一直加到电机的励磁额定电压的90%,例如,额定励磁电压为180V就加到40%左右,从万能表上可以看到电压很平稳的慢慢加大380V×40%=152V,电压显示很平稳不会中跳动,表明一切正常。正常之后,分闸停止590,把是电压比率调为额定励磁电压对应的比率,把励磁控制方式改为电流控制,把电流调为励磁的额定电流。再次合闸启动590,能看到励磁电流慢慢的加到额定电流,从诊断中,励磁电流给定与励磁电流反馈相差不到0.1%,励磁触发角在1~2角度内变动,表明励磁电流控制正常。完成励磁调试,分闸停止590。保存参数。
(2)电枢调试:上590控制电源,先把励磁调置为禁止,把590的输出电流调为电机电枢额定电流的30%,把电流极限参数设置为20%,电流限幅设置为0%,速度环的反馈方式选为电压反馈;在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,合闸启动590。此时,先从诊断中看速度反馈是否有数值,正常数值应为0%,如有一不停变化的值在里面,表明反馈有零飘,这种原因多数是地线没有接好,检查地接是否接好,对地电阻是否达到要求(不大于8Ω);然后,再加10%的速度给定,但电机不会转动,因为没有给出励磁,电流限幅为0,从诊断中应看到有100%的电流给定,电流反馈为0,这时表明590启动正常;此时,再回到电流环里的电流限幅里,从0%慢慢的加上来,一直加到20%,对应电流极限中的20%,这时从电流表中能看到电流慢慢的加大,从电抗器传出电流流过的声音,在诊断中对比电流给定与电流反馈,相差不能超过5%(在没有做电流自整定之前这个值会大点)。一切正常之后,分闸停止590,把电流极限改为100%~150%之间,电流限幅设置为100%,励磁设置为启动,把590的输出电流设置为电机电枢额定电流。保存参数。
(3)电流环自动调谐:电流环自整定很简单,在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零,590输出电流设置为电机电枢的额定电流后,上590的控制电源,在电流环中把自动调谐设置为ON,合闸启动590,开始进行自动调谐,一般会在10~30秒内完成自动调谐,没有出现报警,自动调谐参数自动恢复为OFF,表明自动调谐成功。然后保存参数就可了。
(4)方向的确认:完成上面3步之后,在确认励磁线与电枢线接正确,控制端子线接线正确,速度给定电位器降为零后,把速度反馈选为电压反馈,合闸启动590,加速度给定+10%,检查方向是否与工作方向一致,如果是反方向把励磁线反过来接,确认与工作方向一致之后,在诊断中,检查模拟测速电机数值(测速编码器数值)是否与速度反馈是同极性,如果不是同极性,用的是模拟测速电机反馈把两条接线反过来就可以了,用的是测速编码器在参数中把编码器符号改过来,改完之后,把速度反馈选为所需要的方式就可以了。然后保存参数。
6 故障解决
该调速器具有丰富的报警点可以随时监控电机的运行情况,可以减小电机及调速器受到大的伤害,调速器曾经出现过的和可能出现的原因如下:
(1)三相故障:检查调速器内高速晶闸管组件保护熔断器;检查调速器下面电源底盘编码熔断器;检查调速器的主电压。
(2)超速:速度反馈信号超过校准值的125%。
(3)励磁过流:电机的励磁电流超过校准值的120%。
(4)散热器过流跳闸:调速器的散热温度太高。检查风机是否正常,如不正常检查电源板上的熔断器和旋转方向;检查通风槽、过热器是否堵塞;检查电枢电流是否合乎调节器的校准值。
(5)速度反馈和电机电枢电压反馈之间的差值大于“速度反馈报警”电平的参数值。检查模拟测速发电机极性是否正常;测速发电机是否正常工作;测速发电机到调速器间的信号电缆是否完好。
(6)编码器故障:无速度反馈。检查参数是否设置到编码器反馈;检查参数发电机到调速器间的信号电缆是否完好。
7 结束语
直流调节控制器有许多优点,在许多行业都有直流调速控制系统的应用。而欧陆590+系列直流调速器,它过载能力强,保护性能完善,运行速度稳定,精度高,特别是用在扎制行业是非常理想的选择。
参考文献
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可逆直流调速 篇6
化时代的到来,对于稳压电源而言,也已经实现了数字化方式,目前已经有多种方式实现数字可调的各种数字直流稳压电源,被广泛应用在各种电子系统设计和验证中。由于电子系统功能不断完善,对于电源的要求也越来越高,现在实现的数字可控直流稳压电源几乎都是采用单片机方式完成,但这种实现方案有点陈旧,功能也不是特别完善,软件控制也缺乏灵活性、简易性。因此,本文提出了一种基于主流的可编程逻辑器件实现的数字可控步进调压功的直流稳压电源设计方案,该方案中软件控制部分采用VHDL实现,利用硬件描述
语言并行特性,从而可以提高系统的反应速度,增加灵敏度,同时,控制方式变得异常简单、功能较为完善,下文将重点介绍该系统实现原理和具体代码构成。
1 系统功能介绍
该系统主要实现一个输出直流电压范围为1.5V~15V,步进值为1.5V的稳压电源。其中电压调节采用按键功能实现10档位可控调节,档位与输出电压关系如表1所示。
2 系统设计方案
该系统功能架构如图1所示,其中CPLD主要实现数控核心功能,通过扫描按键状态,获取步进档位,从而正确驱动典型稳压模块,使其输出正确的电压值,并将档位和电压值送
到数码管模块进行显示。而LM317稳压电路采用的是正电压可调式三端稳压器组成的典型可调直流稳压电源电路。
3 硬件设计原理及电路
3.1 LM317 功能介绍
LM317是目前使用较为广泛的三端可调正电压器集成电路,其输出电压范围可以是1.2V至37V,负载电流最大为1.5A,具有较好的线性调整率和负载调整率。同时还具有内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。其典型外观和应用电路如图2所示。
由该基本应用电路及LM317工作原理可知,控制端与输出端之间的电位差为1.25 V,因此输出端电压其中是控制端的电位,大小等于,而又等于1.25/R1,因此,输出端电压实际计算公式如公式1所示 :
电路中电阻R1、的阻止大小之比,将会决定输出电压大小,如果R1是一个固定电阻,那么通过改变的阻止大小将会决定输出电压大小。
3.2 硬件电路设计
图3所示是本次系统设计的硬件电路图,系统实现了数控步进调压功能。其中,R为一固定电阻,大小为240Ω,为R1 ~ R10。为了实现 步进电压 值为1.5V的设计要求,经过计算得出了各个电阻阻值大小,R1取48Ω,R2 ~ R10取288Ω。Q0 ~ Q10则是通过三极管实现了档位控制功能,当其中任何一个取高电平时,对应三极管导通,这样的值将改变,根据公式1,则能输出准确的电压值,实现了数控功能。
4 软件设计实现
数控可逆步进调压直流电源程序设计采用VHDL实现,整个功由按键去抖动(KEY_DELAY)、档位计数 器(DW_COUNTER)、档位译码(DECODER)和数码管显示译码(DISP)模块构成,其系统结构如图4所示。
4.1 按键去抖动模块
该模块主要功能是去除机械按键抖动,实现方法是通过设计一个延时计数器,将KEY、DIR按键键值状态延时后输出给KEY_OUT和DIR_OUT,这两个按键功能分别是档位选择和可逆控制。
4.2 档位计数器模块
该模块主要功能是实现对档位选择按键KEY按键次数进行计数,以确定用户所需要的档位值,其计数范围是0 ~ 9,表示10个档位。DIR是计数器加、减方向控制端,当DIR=1时,计数器对KEY实现加计数,当DIR=0时,实现减计数。RESET是计数器清零端,即可以将电压档位恢复到第1档输出。
4.3 档位译码模块
该模块功能是将计数器得到的档位值通过译码输出10位二进制高、低电平,控制图3中Q0 ~ Q10对应三极管的导通,从而得到10档直流电压输出,完成设计功能。
4.4 数码译码模块
该模块主要功能是实现对档位值进行译码,实现数码管显示。
5 测试结果
如图3电路设计,接入负载RL=510Ω,用按键KEY控制10个档位逐次测量输出电压,重复多次测量并求出平均值,误差在0 ~ 0.3% 之间。
6 结束语
本系统采用硬件描述语言,以CPLD和LM317为核心,实现了10档位可调,步进1.5V,电压范围1.5 ~ 15V的直流稳压电源设计。该系统具有控制方便、电路简单、实现成本低、程序设计要求低、方便和直观等特点。但该电源带负载能力差,还有待改进。
摘要：采用硬件描述语言,结合典型直流稳压电源电路,实现数控可逆步进调压直流稳压电源系统设计。采用CPLD作为数控软件实现平台,解决了可编程逻辑器件在模拟系统中使用难题,与传统单片机控制实现相比,该方案软件设计更简单、灵活,功能更完善。本文重点介绍了系统实现原理,VHDL实现控制代码,经验证,该系统能实现相应功能。