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基于DSP的直流斩波调速系统设计


1  总体方案

系统如图 1 所示 。考虑到煤矿电机车为直流电 机的现状 ,为了增强系统的可靠性 ,系统主电路的结

构为多重斩波电路和电流可逆斩波电路 。DSP2812 及其外围电路组成控制环节完成直流电压 、 转速和 电流的测量 , 控制和状态信号的处理 , PWM 波形的 产生 ; 司机控制器完成系统转速信号的给定 ; 测量单 元完成对直流电机的转速和电流反馈信号的调理 ; 逻辑控制单元实现牵引控制信号 ,制动控制信号 ,主 断路器状态信号 ,快熔触点信号 ,主电路过压 、 欠压 , 功率元件的过流 、 温度检测 , 以及 IG 驱动信号的 BT 输出控制 。

Vol 第 29 卷第 4 期 煤      矿 机 械                  129No14                  Apr. 2 0 0 8 2008 年   4 月 Coal Mine Machinery

 

基于 DSP 的直流斩波调速系统设计
郭殿林 , 王印秋 , 闫大新
( 黑龙江科技学院 电气与信息工程学院 , 哈尔滨 150027)

摘 要 : 针对传统电机车电阻调速时消耗大量能量的缺点 ,设计了以 DSP 为控制核心的直流 斩波调速系统 ,该系统通过调节单相六重 BUCK 斩波器的占空比完成前级直流变换 ,采用转速和电 流的防积分饱和 PI 调节 ,完成斩波器调速的双闭环控制 ,实验表明该系统具有良好的动静态性能 , 相对于基本斩波电路具有很强的抗干扰性和实用价值 。 关键词 : DSP ; 直流斩波 ; 变换器 中图分类号 : TM46 ; TM714. 3   文献标志码 : A   文章编号 :100320794 ( 2008) 0420133203

Design of Speed Regulation System of DC Chopping Based on DSP
GUO Dian - lin , WANG Yin - qiu , YAN Da - xin ( College of Electric and Information Engineering , Heilongjiang Institute of Science and Technology , Harbin 150027 , China)

3 黑龙江教育厅资助项目 (11511341)

Abstract :Aiming to the disadvantage which most energy is depleted in traditional resistance regulated DC mo2 tor , a speed regulation system of DC motor based on DSP is proposed. In the system the single - phase six multiplex BUCK chopper is used to realize the former DC conversion by adjusting ratio , rotate speed and cur2 rent PI regulator preventing integral saturation are introduced to accomplish double - loop control of chopper speed regulation ,experiments indicate the system has well dynamic and static characteristic , the high anti jamming characteristics relative to the basic BUCK circuit and practical merit . Key words :DSP ; DC chopping ; conversion
2  主电路拓扑
图1  系统原理图 图2  单相六重斩波电路

系统主电路前级采用单相六重 BUCK 电路实现

电压 DC550 V 到 DC500 V 或 DC250 V 的变换 。图 2 所示为单相六重斩波电路 , 对于它的控制采用移相 触发 控 制 , S1 、 1 、 2 , S2 、 2 、 3 , S3 、 3 、 4 为 一 组 D L D L D L

BUCK 电路 ,采用相同的触发信号 ; S4 、4 、5 ,S5 、5 、 D L D

L6 ,S6 、6 、7 为另一组 BUCK 电路 , 采用移相 180° D L 的

触发信号 。为了产生相同延迟时间的触发信号 , 路信号 。移相触发信号的产生如图 3 所示 ,即 CM2
PR1 = 比较值 , CM PR2 = T1 PR - 比较值 , 用 PWM1

DSP 输出的 2 路信号通过 CPLD 逻辑电路来分出 6

触发其中一组斩波电路的 S1 、2 、3 三个开关管 , S S
PWM4 触发另一组斩波电路 S4 、5 、6 三个开关管 。 S S

矿井电机车在实际运用中 ,有牵引工作状态 、 制 动工作状态和停机工作状态之分 。另外 , 电气制动 — 133 —

3

工作状态又有电阻制动工作状态和再生制动工作状 态之分 。为满足上述数种工作状态对斩波器电路的 的斩波调速 ,其电路如图 4 所示 。

要求 ,设计时后级采用电流可逆斩波电路完成电机

启动切换开关 , K3 为正常制动失效时应急脚踏开 关 ,采集转速和电流用于控制和保护 。电流可逆斩

波电路的特点是电压的方向固定不变 , 电流的方向 工作状态与桥臂的对应关系如下所述 。当斩波调速 系统工作在牵引工作状态时 ,DSP 由 T1PWM 给 V1 触发信号 ,上桥臂 IG - V1 导通 , 实现直流串励电 BT

可以改变 。采用该斩波器能实现电机的再生制动 。

动机的牵引控制 ,此间可以通过控制 IG 触发信号 BT 的占空比来调节电机的转速 , 实现 PWM 控制 。当 斩波调速系统工作在电阻制动工作状态时 ,V1 ,V2 均无驱动信号 , 且 DSP 发出控制信号 , 使接触器闭 合 ,制动电阻与电机并联 ,电机的动能通过电阻转化 为热能 ,实现电阻制动 ,此间也可以实现电机转速的 过控制 T2PWM 触发下桥臂 V2 的导通与关断控制电

PWM 控制 。再生制动工作状态时 , 接触器断开 , 通

机的电能通过与 V1 反向并联的整流管回馈给电网 。 为了保证工作状态的顺利转换 , 串励绕组的电 流方向不变 ,磁场方向不会因工作状态的改变而改 变 ,以及建立的剩磁可以用于下一次启动 ,设计的切

换电路如图 5 所示 , 电枢绕组电流的方向如图 4 中 所示 ,从绕组的 a 端流入 ,b 端流出 , 无论在牵引 , 还 牵引工作状态工作时 ,接触器 J 1 闭合 ,J 2 断开 ,电机 吸收功率 ; 当电机工作在制动工作状态时 ,接触器 J 2 闭合 ,J 1 断开 ,电机发出功率 。
3  速度检测回路

是在制动工作状态下 , 该方向都不改变 。当电机在

  129No14       Vol 基于 DSP 的直流斩波调速系统设计 —— — 郭殿林 ,等       29 卷第 4 期   第
U 、 、 、 和 W ,各信号波形如图 6 所示 。 V V W
图3  开关管驱动波形 图5  切换电路 图4  电流可逆斩波电路

本系统采用复合式光电编码器进行速度检测。

它是一种带有简单磁极定位功能的增量式光电编码 器 ,共有 12 路信号输出 , A 、 、 、 、 、 , 以及 U 、 A B B Z Z

图 4 中 K1 为直流工作电压接入开关 , K 为软 2

图6  复合式光电编码器输出波形

光电编码器的输出为差动形式的脉冲信号 , 因

此需经速度足够快的差动接收器 AM26LS32 进行处 理 。处理后的 A 、 信号为正交编码脉冲信号 ,输入 B 到 DSP 的 QEP 电路 。电机的角速度可以由脉冲数 和频率确定 ,电机的旋转方向可通过检测 2 个脉冲 序列中的哪一列先到来确定 。 Z 信号为每转一个脉 冲的零位参考信号 ,并且每转产生的位置固定 。U 、
V 、 信号每转产生的脉冲个数和电机的极对数一 W

致 ,彼此间相差 120° 电角度 。
4  控制策略

对该调速系统的控制同样分两部分 , 前级直流

电压变换采用闭环 PID 调节 。后级调节采用转速外 环、 电流内环的防积分饱和的 PI 调节 。 由于在电机的启动 、 停车或者大幅度增减设定

值时 ,短时间内系统输出很大的偏差 , 会使 PI 运算 的积分积累很大 ,引起输出的控制量增大 ,这一控制 量很容易超出系统的极限控制量 , 从而引起强烈的 积分饱和效应 ,这会造成系统振荡 、 调节时间延长等 不利后果 。在连续时间域内其原理如图 7 所示 。

图7  防积分饱和的 PI 调节器

在离散时间域内 : 输入 rk 、k y 偏差 ek = rk - y k

— 134



        u = x k - 1 + KP ek 调节器的输出
umax

式中  KP —— — 比例系数 ;    KI —— — 积分系数 ;

实际电流反馈值比较后进行防积分饱和的 PI 调节。
5  软件设计

在主程序中一共开放了 2 个中断 ,T1 定时器周 期中断 , 每 50 μs 中断 1 次 , 即电流采样周期为 50 μs 。由于惯性的原因 , 机械系统响应的时间常数远 采样周期为 5 ms 。

大于电系统响应的时间常数 , 因此本系统中速度的
T1 定时器周期中断完成系统转速和电流的双

闭环控制以及输出 PWM 脉冲 。在每个中断周期 内 ,启动 AΠ 中断 , 对电流进行采样并进行 AΠ 转 D D 次电流调节后进行 1 次速度采样 。每 5 ms ,即每 100 个定时器周期中断 ,向上位机传送 1 次速度值 ; 在下 空比的更新 。
6  仿真与实验

换 ,计算电流反馈并进行 PI 调节 。系统每进行 10

溢中断完成前级输入电压 、 前级输出电压的采样和
PI 调节 ,最终完成 PWM1 、 PWM4 、 T1PWM 、 T2PWM 占

统进行仿真验证 。仿真直流电机参数 Ra = 0. 5 ,
V , Ia = 10 A , n = 1 200 rΠ 。 min

L a = 0. 01 , Rf = 75 Ω , L f = 0. 02 , J = 0. 4 , V t = 120

8 所示 。完成系统设计后 ,在实验室制作了 5 kW 样 min ,运行时间为 0. 5 s , 通过 LABVIEW 编程测得的

机 ,IG 的开关频率 20 kHz 。在给定转速为 130 rΠ BT 电机正转时的速度曲线如图 9 ( a ) 所示 , 前级输出电 压波形如图 9 ( b) 。 从图 8 中可以看出 , 在电流和速度双闭环的控 制下 ,电机实际运行速度的超调量很小 ,在稳定运行 过程中 ,转速接近速度给定值 。

   KC —— — 积分修正系数 , KC = KIΠKP 。

  29 卷第 4 期       第 基于 DSP 的直流斩波调速系统设计 —— — 郭殿林 ,等       129No14   Vol 经调节后的输出
u > umax uk = umin  u < umin u xk = xk - 1

其他 + KI ek + KC ( uk - u)

(a) 前级输出电压波形

速度调节器的输出作为电流给定 ,电流给定值与

(b) 速度响应曲线

图8  系统仿真波形

( a) 电机速度曲线

( b) 前级输出电压波形

图9  系统仿真波形

7  结语

根据性能要求用 MAT LABΠ SIMULINK 对上述系

基于 DSP 的矿井电机车调速系统的设计对传

统电机车的升级改造 ,提高了电机车的运行效率 ,并 达到无级 、 无接点 、 低能耗的直流调速 , 使电机车具 有更低的调节速度 ,且该系统具有完善的短路保护 、 过流保护 、 过欠压等保护功能 , 工作的可靠性高 , 具 有实用价值 。
参考文献 :

在给定转速为 100 rΠ 时 ,系统仿真波形如图 min

— 135

作者简介 : 郭殿林 (1972 - ) , 内蒙古乌盟人 , 讲师 , 从事电力电 子与电力传动的研究 ,发表论文 12 篇 ,电子信箱 :gdl2wyq @163. com.

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收稿日期 :2007212217



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