陳小卓

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司后勤服務(wù)中心，湖南長(zhǎng)沙，410004）

0 引言

直流發(fā)電機(jī)在野外基建施工、采礦等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，然而其勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)目前采用的仍是模擬線路，該線路雖在技術(shù)上較為成熟，且在目前的應(yīng)用中發(fā)揮了一定的作用，但卻存在線路復(fù)雜、抗干擾能力差、故障率高及維修不便等缺點(diǎn)，因此，研制基于數(shù)字控制技術(shù)的新型勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)以替代目前的模擬線路，對(duì)保證直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性以及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)具有重要意義。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展日漸成熟，它的技術(shù)指標(biāo)各方面都優(yōu)于磁性元件，所以以半導(dǎo)體技術(shù)為依托的勵(lì)磁控制器得到了廣泛應(yīng)用。將基本的控制調(diào)節(jié)采用軟件來(lái)完成，具有控制靈活、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)許多在模擬調(diào)節(jié)裝置中無(wú)法實(shí)現(xiàn)或較難實(shí)現(xiàn)的功能。

1 整體方案

在野外施工現(xiàn)場(chǎng)，直流發(fā)電機(jī)帶動(dòng)的大功率設(shè)備主要是電動(dòng)機(jī)，其功率變化大，比如挖掘機(jī)在挖掘過(guò)程中遇到大塊或根底時(shí)，提升和推壓機(jī)構(gòu)經(jīng)常會(huì)造成堵轉(zhuǎn)，這時(shí)電機(jī)既要維持出力又要保證不燒損，因此，根據(jù)挖掘機(jī)特性對(duì)其控制是非常重要的。挖掘機(jī)機(jī)械特性如圖1 所示。在恒壓控制下，隨著電動(dòng)機(jī)電樞電流的增加，電樞電阻壓降增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速略有降低。當(dāng)電樞電流到達(dá)截止電流Ig 后，此時(shí)要加入電流負(fù)反饋，防止電流繼續(xù)增大，此時(shí)特性急劇下降。當(dāng)電樞電流到達(dá)堵轉(zhuǎn)電流Id 后，此時(shí)堵轉(zhuǎn)保護(hù)計(jì)時(shí)，超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，大車跳閘。

圖1 挖掘機(jī)特性曲線

系統(tǒng)采用的傳動(dòng)方式為直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組，其特點(diǎn)是具有較好的調(diào)節(jié)特性，其中直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源具有正、反兩組電源，分別提供正向勵(lì)磁電流和反向勵(lì)磁電流，兩組勵(lì)磁源均采用數(shù)字式脈沖觸發(fā)電路控制。電動(dòng)挖掘機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主電路如圖2 所示。系統(tǒng)采用兩個(gè)霍爾傳感器分別檢測(cè)電樞電壓和電樞電流，并將檢測(cè)的電樞電壓和電樞電流反饋到勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電壓的閉環(huán)控制及過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)等功能。其特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單、控制精度高、性能可靠及維修方便等，另外由于軟件的可編程性，使微機(jī)數(shù)字觸發(fā)器的調(diào)節(jié)范圍相當(dāng)靈活，能夠滿足多方面的需要。

圖2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)主電路

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)由以下部分組成：電源部分、信號(hào)轉(zhuǎn)化部分、移相觸發(fā)電路、脈沖調(diào)制、脈沖隔離輸出電路。其中電源部分為系統(tǒng)供電，可將AC～220V 或AC～380V 交流電轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)所需的電源。該系統(tǒng)芯片及主電路所需的電源為±15V，還需提供經(jīng)電橋整流后的直流±24V 電源用于驅(qū)動(dòng)繼電器。該系統(tǒng)同步信號(hào)也需從變壓器二次側(cè)取出；信號(hào)轉(zhuǎn)化部分將不同的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部通用的信號(hào)；移相觸發(fā)電路通過(guò)集成芯片TCA785，輸出觸發(fā)晶閘管所需要的脈沖信號(hào)；脈沖調(diào)制電路將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖列信號(hào)，保證觸發(fā)的可靠性；同時(shí)，在不經(jīng)過(guò)軟啟動(dòng)電路時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制脈沖輸出的封鎖與輸出；脈沖隔離輸出將脈沖信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，同時(shí)，還通過(guò)脈沖隔離變壓器將內(nèi)部電路與外部電路隔離，保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部電路。

■2.1 電源設(shè)計(jì)

為增加系統(tǒng)的通用性，使用AC～220 或AC～380V 供電，電源變壓器為原邊3 抽頭，副邊4 抽頭的變壓器。端子A、N 接AC220V 交流電源，端子A、B 接交流380V 電源。變壓器副邊中心抽頭接地，可得到為有效值為兩個(gè)20V 的交流電源。經(jīng)整流后得到+24V、-24 直流電源，該電源可作為繼電器的電源使用。同時(shí)，經(jīng)濾波后通過(guò)7815 和7915穩(wěn)壓，即可得到+15V、-15V 電源，在經(jīng)過(guò)濾波，可作為該電路芯片的電源使用，電路圖如圖3 所示。

圖3 電源部分設(shè)計(jì)

■2.2 輸入信號(hào)歸一化

目前較為常見(jiàn)的輸入信號(hào)大致分為以下五種：0～10V、0～5V、1～5V 電壓信號(hào)和0～20mA、4～20mA 電流信號(hào)。為便于后續(xù)電路的信號(hào)統(tǒng)一采集處理，需將不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的信號(hào)進(jìn)行0～10V。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，只需要調(diào)節(jié)撥碼開(kāi)關(guān)即可。其工作原理是：不同的輸入信號(hào)，只需將放大不同的倍數(shù)使得輸出值為同一值，即將不同的信號(hào)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的信號(hào)0～10V。

（1）0～5V 信號(hào)轉(zhuǎn)化

電路圖如圖4 所示，Vi=0～5V，Vo=0～10V。為滿足線性關(guān)系，在Vi、Vo 取值范圍內(nèi)任意取出幾點(diǎn)作為線性方程的約束條件。由約束條件可得Vo=2Vi；根據(jù)同相放大器的計(jì)算方法，可得：

圖4 0～5V 信號(hào)轉(zhuǎn)化電路

由以上關(guān)系可得，R2=43k。

（2）0～20mA 信號(hào)轉(zhuǎn)化

如圖5 所示，Vi 為電流信號(hào)經(jīng)100Ω 采樣電阻后的電壓值。

圖5 0～20mA 信號(hào)轉(zhuǎn)化電路

代入數(shù)值求得A=5。求得：R2=10k。

（3）4～20mA 信號(hào)轉(zhuǎn)化如圖6 所示，Vi 為電流信號(hào)經(jīng)100Ω 采樣電阻后的電壓值。

圖6 4～20mA 信號(hào)轉(zhuǎn)化電路

代入數(shù)值求得Vp=0.4V，A=6.25。求得：R2=8.2k，R3=200Ω，R4=5.85k。

■2.3 移相觸發(fā)電路

為簡(jiǎn)化電路，采用TCA785作為主控芯片。TCA785 是德國(guó)西門子（Siemens）公司開(kāi)發(fā)的晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路。它對(duì)零點(diǎn)的識(shí)別可靠，輸出脈沖的齊整度更好，而移相范圍更寬，且由于它輸出脈沖的寬度可人為自由調(diào)節(jié)，所以適用范圍較廣。

實(shí)際應(yīng)用中，在外圍電路完整的條件下，只需要調(diào)節(jié)控制電壓的大小，即可得到移相控制所需的脈沖。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 TCA785 外圍電路設(shè)計(jì)

■2.4 脈沖調(diào)制設(shè)計(jì)

為了保證晶閘管觸發(fā)的可靠性，采用脈沖序列進(jìn)行連續(xù)觸發(fā)。該方法的工作原理是在觸發(fā)過(guò)程中，將一次觸發(fā)變?yōu)檫B續(xù)地多次觸發(fā)。即在觸發(fā)脈沖區(qū)間內(nèi)，當(dāng)?shù)谝淮位蜻B續(xù)幾次觸發(fā)失敗以后，觸發(fā)不會(huì)停止，而是還會(huì)有后續(xù)的脈沖進(jìn)行觸發(fā)。因此，該電路采用NE555作為脈沖序列發(fā)生器，在TCA785 進(jìn)行脈沖觸發(fā)的同時(shí)，通過(guò)控制TCA785 的脈沖信號(hào)禁止端，使TCA85 輸出的脈沖變?yōu)閿鄶嗬m(xù)續(xù)的脈沖序列。根據(jù)晶閘管觸發(fā)需要，脈沖序列的寬度仍為TCA785 的觸發(fā)脈沖寬度，單個(gè)脈沖的觸發(fā)時(shí)間為45μs 左右，間歇35μs 左右。為了降低功耗及防止誤觸發(fā)，可將觸發(fā)脈沖限制在Qz 低電平區(qū)間內(nèi)，如圖8 所示。

圖8 脈沖調(diào)制電路

■2.5 驅(qū)動(dòng)輸出電路設(shè)計(jì)

該電路采用ΜC1413 作為驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快。輸出的脈沖列經(jīng)脈沖變壓器隔離后接晶閘管。變壓器要求響應(yīng)速度快，上升沿陡峭。為加快變壓器響應(yīng)速度，在變壓器前加大容量電容，以保證能快速觸發(fā)，使晶閘管快速導(dǎo)通。為防止逆電動(dòng)勢(shì)損害器件，在線圈處加快速二極管1N5819，提供逆電動(dòng)勢(shì)泄放回路。為防止主回路損害電路器件，在隔離變壓器二次側(cè)加可通過(guò)大電流的二極管1N4007，如圖9 所示。

圖9 脈沖驅(qū)動(dòng)隔離電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件采用PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，主要包括信號(hào)采樣與處理、智能增量式PID 控制、數(shù)字式移相、人機(jī)交互模塊。

■3.1 信號(hào)采樣與處理模塊

信號(hào)分時(shí)采樣程序單元對(duì)電壓、電流反饋和外界操縱桿電路傳輸進(jìn)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采樣，同時(shí)將采樣過(guò)來(lái)的反饋電壓、電流信號(hào)進(jìn)行標(biāo)量變換還原成實(shí)際的外部電壓、電流值，把操縱桿電路給定信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)大小的給定電壓，濾波程序單元對(duì)采樣過(guò)來(lái)的多組相同信號(hào)進(jìn)行平均值濾波和一階慣性濾波；故障判定與處理程序單元根據(jù)設(shè)定的額定電壓、截止電流、堵轉(zhuǎn)電流與反饋電壓，電流值相比較以判定系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)是否正常，不正常時(shí)則進(jìn)行故障處理。同時(shí)，信號(hào)處理模塊的輸出，作為PID 調(diào)節(jié)器模塊的輸入，進(jìn)行下一環(huán)節(jié)軟件處理。模塊框圖如圖10 所示。

圖10 信號(hào)采樣與處理模塊框圖

■3.2 增量式PID 算法模塊

PID 調(diào)解器采用增量式PID 算法。增量式PID 算法是以反饋量的增量作為算法的輸入變量，算法的輸出量作用于控制量的增量，從而進(jìn)行閉環(huán)控制的一種算法。相對(duì)于位置式PID 算法，具有沖擊小、過(guò)渡平滑、輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。算法公式見(jiàn)式（4）、式（5）。

結(jié)合本文實(shí)際，以電壓反饋增量式PID 算法為例。式中，u(k)為第k次調(diào)節(jié)的控制電壓（移相單元的輸入電壓），式（4）計(jì)算結(jié)果為增量，累加到第k-1 次控制電壓上，作為第k次控制電壓。e(k)為第k次控制時(shí)，控制目標(biāo)（如勵(lì)磁電壓）與當(dāng)前值的誤差。Kp為比例控制因子，KI為積分控制因子，KD為微分控制因子。算法流程圖如圖11 所示。

圖11 增量式PID 算法流程圖

■3.3 數(shù)字式移相和人機(jī)交互模塊

數(shù)字式移相程序單元將工頻的半周期10ms 分成65536個(gè)移相單元，根據(jù)同步脈沖提供的基準(zhǔn)信號(hào)和智能增量式PID 控制器的輸出控制輸出脈沖地前進(jìn)或后移單元數(shù)。

TCA785 波形圖如圖12 所示，V5為輸入同步信號(hào)，可取AC220 交流信號(hào)經(jīng)變壓器隔離輸入，V10為芯片內(nèi)部提取同步信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)生成的鋸齒波信號(hào)，V11為輸入控制量電壓，V14、V15為輸出脈沖信號(hào)。從圖中可以看出，脈沖信號(hào)的相位，實(shí)際上由輸入信號(hào)V11的幅值決定的。因此移相實(shí)際上就是根據(jù)PID 的輸出改變V11的信號(hào)幅值。16 位DA 輸出對(duì)應(yīng)0～65536 輸出粒度，可實(shí)現(xiàn)半周波65536 個(gè)移相單元控制分辨率。

圖12 TCA785 波形圖

人機(jī)交互程序單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人機(jī)交互模塊，一旦有通信請(qǐng)求，則進(jìn)入通信模式，讀入新設(shè)定的各種參數(shù)并保存，同時(shí)能夠在線修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。

4 結(jié)論

基于數(shù)字控制技術(shù)的新型勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)上使用模擬線路所帶來(lái)的線路復(fù)雜、抗干擾性差、故障率高等一系列缺點(diǎn)，并且具有維修方便、調(diào)試簡(jiǎn)單、參數(shù)設(shè)置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)。本文是針對(duì)該系統(tǒng)的控制軟件部分，在觸發(fā)角調(diào)節(jié)上采用智能PID 控制，很好地實(shí)現(xiàn)了電壓換向快、超調(diào)量小、上升斜率可調(diào)、調(diào)壓平穩(wěn)等一系列要求。同時(shí)，在控制處于零位時(shí)，采用半周期輪流觸發(fā)二組正反晶觸管模塊（單相半控橋）的方法，使得電動(dòng)機(jī)能夠具有良好的“握手特性”。為了使電壓上升斜率可調(diào)且不要更改PID 參數(shù)，首次設(shè)計(jì)了給定調(diào)節(jié)器，不僅使得電壓上升斜率調(diào)節(jié)范圍大，而且具有電壓過(guò)渡平滑，無(wú)沖擊等一系列優(yōu)點(diǎn)。另外，通過(guò)根據(jù)外界給定量和反饋量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷與處理，確保了系統(tǒng)的可靠與維修的方便性。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中體現(xiàn)了良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠適應(yīng)于露天礦山、建基施工等復(fù)雜環(huán)境，具有一定的應(yīng)用與推廣價(jià)值，并能為實(shí)際應(yīng)用提供參考。