浅谈高性能直流调速系统的应用

80年代以来，国外的四象限可逆直流调速器已经发展得很成熟，例如在国内的热销产品有欧陆的590系列和西门子的6RA70等。590系列中所有的控制算法都由最新的局速32位微处理完成，控制软件包的结构以及微处理器处理速度可以保证所有控制同路的调节作用在主电路六个可控硅桥的转换时间内完成，以保证电流环的采样时间小于3.3ms 或2.67ms，速度环算法也可在此时间内完成，以获得优越的性能。这些产品能提供精确的电机扭知控制、速度和位置控制。但国外产品价格昂贵，维修不便，给生产带来了诸多不利因素及不便之处。

目前，直流调速器采用单片机控制♫器结构，并不能满足现今的控制要求。因此本课题针对国内数字直流调速装置发展现状以及国内市场对于直流调速装置的应用需求，结合当前微电子技术和嵌入式为控制的优越性能，选用ARM处理器作为控制核心，并配以复杂可编程逻辑控制器CPLD辅佐，开发出一款局性能的可逆直流调速器，并采用适当的控制策略，使其能够胜任工业现场的速度过程控制。其对于国内数字直流调速技术的应用与推广具有理论和实用价值。

1系统设计

1.1可逆调速系统的原理

改变电枢电流方向或者励磁磁通方向，都能实现电机的可逆运行，因为电枢同路电感较小，正反向切换快速，因此一般用于频繁起制动、过渡过程时间短、中小容量电机上;而励磁同路电感量较大，正反向切换较慢，因此适用于不要求快速正反转和快速停、启动的大容量可逆系统中、在本课题中，我们要求电机能够快速的停启动，需要能够以较快的速度切换晶闸管，因此需要使用电枢可逆、由于晶闸管的单向导通性，要实现直流电机的可逆运行，需要使用两组晶闸管并联的结构，常用的电枢可逆电路。

使用线路会有环流的问题，为了保护用电设备，我们需要对两组晶闸管加以控制，使其每个时刻只能导通一组，实现逻辑无环流控制。

在系统中我们设置了逻辑无环流控制器DLC，它根据系统的运行状态，指挥正反晶闸管的通断。在控制方法上，使用转速、电流双闭环控制能够保证调节电机电流既满足以较快的速度跟进电机的速度设定值，又不至于产生过大的电流损坏电机。这种结构为工程设计和调试工作带来极大的便利。

1.2电机驱动电路设计

他励直流电机主要有三种调速方式:调节电枢电压调速、改变电枢同路电阻调速、弱磁升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，调压调速的方式最好。因此，直流调速系统以调压调速为主。

对直流电机调压调速的方式，应用中普遍采用控制晶闸管的移相触发，调整前端整流电路中电压的输出，来控制电机的转速，与此同时直流电机的励磁控制也是通过晶闸管移相触发来调整励磁电压，以达到控制励磁电流的目的，工业中对于直流电机速度和励磁分别采用三相全控桥和单相桥式半控整流电路来提供直웃流电压。

2硬件系统的设计

为了系统扩展升级的便利性以及保证控制性能，本系统采用了ARM+CPLD为核心的控制方式，辅以一些外围电电路，例如电流检测、电压检测，脉冲触发电路等，实现了直流调速系统的设计，采用ARM和可编程器件的混合方式，使系统的性能得到大大的提局，它们的分工如下:

ARM主要负责控制流程的监控以及数值运算，CPLD主要完成各种逻辑电路的设计，包括逻辑控制器的实现、三相过零触发鉴别、A/D的采样时序电路,12相晶闸管脉冲电路时序电路等、转速、电流、速度设定值等检测信号由模拟开关输入，经调理后进行A/D转换并由CPLD保存AD值;过零触发触电开关信号等均由CPLD采集，然后通过与ARM进行通信，将这些数据送入ARM进行计算;控制器通过双闭环PID计算，计算出电枢和励磁的触发时间然后把触发时间送入CPLD的定时器巾在定时时间到的时候,CPLD可向晶闸管发送脉冲信号，导通相应的晶闸۵管;大机交互则由LCD和键盘电路完成;485通信电路主要完成后期的功能扩展。

3控制算法设计

3.1电机的运行状态

在电机控制算法方面，采用双闭环控制，外环为速度环ASR，内环为电流环ACR电流环接受速度环的输出作为控制目标，调节电机电流既满足以较快的速度跟进电机的速度设定值，又不▼至于产生过大的电流损坏电机。这种结构为工程设计和调试工作带来极大的便利。因为实现电机的可逆运行，需要控制两组晶闸管，因此在控制算法上一定要根据电机的各种运行状态，正确的控制两组晶闸管的触发脉冲的封锁和开放。

3.2电机控制算法实现

在采用电机双闭环的控制系统中，电流环和速度环一般使用PI算法实现,PID控制在工业应用上已经非常成熟，并且控制精度较局，参数调整也比较简单，鲁棒性好。

单纯使用PID会有很多缺点，并且在实际的双闭环控制模型中，实际的控制量输出是受到三相桥式全控整流带负载情况限制的，并且三相电源的输出控制角为0到900，为了保证有一定的安全裕度，我们需要把整流角和逆变角限制在30到900,因此需要对每个控制器的输出加上限幅。

在一般的PID算法中，若积分作用太强，会导致积分饱和现象而使系统产生过大的超调量，因此需要根据情况削弱积分项，常用的方法是采用积分分离来实现。

3.3晶闸管换向的实现

由于电机正向运行的和反向制动的时候，转知方向为正，即电流为正;电机反向运行和正向制动的时候，转知为负，即电流为负。因此我们选用转知信号作为DLC的输入信号，转知极性的真正变化还要延迟一段时间，以防止逆变颠覆、只有电流真正过零之后才能切换晶闸管，因此需要测量零电流信号作为DLC的输入。

4软件设计

系统采用嵌入式C/OS实时操作系统，每项功能都设计成一个任务，在操作系统中统一调度运行、这就使得应用程序的设计和扩展变得容易，无需大的改动就可以增加新的功能、在操作系统上，可将软件设计主要分为以下几个模块:

1)控制传输模块，负责整个系统的调度，与CPLD进行通信，完成所需数据的传递。

2)计算模块，负责对所采集数据进行处理。

3)中断，三相过零信号触发中断，送出晶闸管控制信号、

4)通信模块，负责485通信，实现电机的调试。

5)大机交互模块，负责大机交互界面的显示及按键处理。

5结束语

本文采用高性能ARM处理器加复杂可编程器件CPLD，提出了一种高性能的可逆直流调ค速系统，能够大大提高机床生产的精度能够很好地满足市场的需要。