邵雪卷，吳秀珍，張井崗，陳志梅

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 引言

邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，模擬實(shí)驗(yàn)線路復(fù)雜，參數(shù)調(diào)整困難，可靠性不高。采用dSPACE實(shí)現(xiàn)控制算法，可借助于RTW和RTI的支持，直接在Matlab/Simulink中建立控制器模型并下載到硬件設(shè)備中，經(jīng)程序編譯、下載后，在dSPACE軟件ControlDesk中可以對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。本文將dSPACE引入到邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)中，利用dSPACE與Matlab/Simulink的無縫連接，在Simulink下搭建速度控制器ASR、電流控制器ACR和RTI接口模塊，可省掉模擬實(shí)驗(yàn)中關(guān)于ASR和ACR的接線部分;利用ControlDesk的在線調(diào)節(jié)，能夠方便地調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。邏輯無環(huán)流控制環(huán)節(jié)DLC的兩個(gè)模擬輸出端分別控制正組晶閘管和反組晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)正反橋的切換，使電機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)線路簡單，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，且適合將一些先進(jìn)控制算法用于邏輯無環(huán)流系統(tǒng)中。

1 邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)工作原理

工業(yè)控制中許多機(jī)械設(shè)備要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，即需要具有四象限運(yùn)行特性的可逆調(diào)速系統(tǒng)。有環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)雖能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的快速切換，過渡過程較平滑，但其回路中環(huán)流電抗器的數(shù)目較多，設(shè)置相對麻煩［1］。在對于調(diào)速系統(tǒng)的過渡性能要求不高的情況下，通常采用既沒有平均直流環(huán)流又沒有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的邏輯控制可逆調(diào)速系統(tǒng)。

邏輯控制的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。圖中，AR為反號(hào)器，GTF是觸發(fā)裝置，控制電路采用轉(zhuǎn)速ASR和電流ACR雙閉環(huán)控制，ACR1控制正組觸發(fā)裝置，ACR2控制反組觸發(fā)裝置;主電路采用正組晶閘管VF和反組晶閘管VR反并聯(lián)構(gòu)成。DLC是邏輯無環(huán)流控制環(huán)節(jié)，它根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)控制正、反組的自動(dòng)切換。DLC的輸入信號(hào)有兩個(gè)，一是轉(zhuǎn)矩極性鑒別信號(hào)TP，它反映ASR的輸出正負(fù)，是邏輯切換的必要條件;二是零平檢測信號(hào)ZC。DLC根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)作出相應(yīng)的邏輯判斷，輸出信號(hào)Ulf和Ulr是高低電平信號(hào)，分別控制VF和VR的封鎖或開放。

圖1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)給定電壓由正電壓切換到負(fù)電壓時(shí)，ASR輸出極性由正變負(fù)，轉(zhuǎn)矩極性鑒別模塊TP反應(yīng)其極性變化，但在ZC未檢測到零電流時(shí)，正組晶閘管保持開通，正向電流減小;當(dāng)電流過零后，DLC控制正組關(guān)斷，反組晶閘管開通，反相電流迅速上升以使正向轉(zhuǎn)速下降，正轉(zhuǎn)停止后緊接著進(jìn)行反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，最終電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2 邏輯無環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的dSPACE實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件構(gòu)成

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2為基于dSPACE的邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)硬件組成。本文所選擇的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為DS1103單板系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要面向快速控制原型設(shè)計(jì)。DS1103集 DSP子系統(tǒng)和 I/O于同一板上，ADC通道和DAC通道可完成模擬和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。在實(shí)驗(yàn)中，給定電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)速和電流檢測信號(hào)，將其通過A/D接口進(jìn)入工控機(jī)，從工控機(jī)輸出的控制信號(hào)，將其通過D/A轉(zhuǎn)換送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩極性鑒別模塊，dSPACE接口模塊中，模擬量與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系為10:1［2］。在正、反切換過程中，為防止兩組晶閘管同時(shí)導(dǎo)通而出現(xiàn)環(huán)流，電路中設(shè)有封鎖延時(shí)和開放延時(shí)。此外，DLC模塊的兩個(gè)輸出信號(hào)之間還具有互鎖保護(hù)功能，可確保兩組晶閘管不同時(shí)開放。

基于dSPACE的邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)接線時(shí)，主電路除去正反橋部分外，只存在少部分連線，結(jié)構(gòu)較為清晰。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，工控機(jī)輸出數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，送給觸發(fā)電路，整流裝置整流后將直流電壓作用到直流電機(jī)，電流、轉(zhuǎn)速檢測裝置輸出模擬信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后反饋給計(jì)算機(jī)，從而形成了整個(gè)閉環(huán)回路。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

將dSPACE軟硬件安裝結(jié)束后，在Simulink瀏覽器窗口下會(huì)出現(xiàn)dSPACE相關(guān)組件，在搭建程序框圖的過程中，dSPACE模塊的使用與瀏覽器其它模塊相同。根據(jù)邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理搭建的仿真框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)仿真框圖

圖中，ASR、ACR1和ACR2均采用PI調(diào)節(jié)器，前向和反饋通道中均設(shè)有濾波器，濾波參數(shù)可依回路干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。ADC和DAC模塊為RTI/MASTER PPC下的接口模塊，每個(gè)模塊對應(yīng)一個(gè)A/D或D/A轉(zhuǎn)換接口，連接外部設(shè)備。根據(jù)dSPACE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道模擬量和數(shù)字量的關(guān)系，需在A/D模塊后將信號(hào)擴(kuò)大10倍，在D/A轉(zhuǎn)換前將信號(hào)縮小10倍。

模型搭建完成后，設(shè)置仿真參數(shù)，然后通過工具欄中的build選項(xiàng)進(jìn)行程序編譯，編譯結(jié)束后在Matlab當(dāng)前目錄下將生成可供下載的.sdf文件，由此便完成了從Simulink框圖到C程序的過渡。開啟dSPACE的ControlDesk軟件，將.sdf文件拖拽到ds1103，進(jìn)行程序的下載，然后創(chuàng)建lay面板，打開參數(shù)文件，設(shè)置數(shù)據(jù)連接，最后進(jìn)入動(dòng)作模式，通過觀察圖形變化進(jìn)行在線調(diào)參［4］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)如下:額定電壓220 V，額定電流1.2 A，額定轉(zhuǎn)速1600 r/min，電樞回路電阻R=30.06 Ω，感應(yīng)電動(dòng)勢系數(shù) Ce=0.121 V*min/r，系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.25 s，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.018 s，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) α =4/1000=0.004，電流反饋系數(shù) β =1.5/0.3=5。

給電機(jī)加正向給定電壓，電機(jī)起動(dòng)，通過ControlDesk界面，可觀察起動(dòng)時(shí)的電流和電壓波形。如果起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速波形不太理想，說明電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇不當(dāng)，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)可采用在線方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。在ControlDesk界面輸出系統(tǒng)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的給定與反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)ASR、ACR的比例和積分系數(shù)，使反饋量跟隨給定，并記錄各參數(shù)變化對轉(zhuǎn)速響應(yīng)的影響。當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小，電機(jī)基本以最大電流啟動(dòng)時(shí)，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

電機(jī)由停止到正向起動(dòng)的響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 正轉(zhuǎn)響應(yīng)曲線

實(shí)驗(yàn)中ASR輸出限幅值為±1.5 V，最大啟動(dòng)電流為0.3 A。為了克服反電勢的影響，實(shí)際啟動(dòng)過程中電流略低于最大值。圖5為電機(jī)反向起動(dòng)響應(yīng)曲線，從圖中可以看出電流波形與正向起動(dòng)基本相同，這是因?yàn)椴捎秒娏骰ジ衅鳈z測到的電流只反映電流大小，不反映其極性，實(shí)際電流方向與此相反。

圖5 反轉(zhuǎn)響應(yīng)曲線

電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換響應(yīng)曲線如圖6所示，從圖中可以看出，電機(jī)可順利完成正反轉(zhuǎn)的切換。

圖6 正反切換轉(zhuǎn)響應(yīng)曲線

4 結(jié)語

數(shù)值仿真是在忽略實(shí)際系統(tǒng)一些特性或參數(shù)的基礎(chǔ)上建立的，由此所設(shè)計(jì)的控制器在實(shí)際環(huán)境中可能無法達(dá)到預(yù)期的控制效果，或者完全不能用。利用模擬實(shí)驗(yàn)檢測控制器性能時(shí)，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)比較困難。

采用dSPACE半實(shí)物仿真，可以使用真實(shí)的被控對象來檢測所設(shè)計(jì)控制器的控制效果，且控制器實(shí)現(xiàn)簡單，調(diào)節(jié)參數(shù)方便。本文成功地將dSPACE用于邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，與模擬實(shí)驗(yàn)相比，其線路更為簡單，調(diào)參更為方便，且適合將一些先進(jìn)控制算法用于邏輯無環(huán)流系統(tǒng)中。

［1］ 阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:101-108.

［2］ 薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006:405-407.

［3］ 陳中，朱代忠.一種基于Matlab邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真［J］.西安:微電機(jī)，2009，42(1):95-97.

［4］ ControlDesk Experiment Guide［M］.dSPACE GmbH，2005:181-306.