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pc机控制实验研究

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【摘要】在人们不断的追求中,计算机技术得到了高速发展,紧跟其后的是电力电子技术和控制理论也得到了长足的进步,因此交流变频调速技术得到了广泛的应用。本文将探讨研制交流变频调速技术与之相配套的实验装置。
【关键词】交流变频调速技术   PC机 设计
在近年来,我们发现一些比较具体的问题,尤其是传统的电机调速实验平台通常设计成由DSP、计算机构成的最小系统,电机控制算法程序被直接固化在DSP的Flash上,DSP与计算机通过串口进行简单通信,不能实现多种控制算法或调速方式的切换,可操作性差,不适用于学生实验。为了解决这一问题,本文设计了新型的交流变频调速实验平台,搭建了硬件平台,并在VisualC++的环境下开发人机交互软件,建立了开放式的软件编程接口和框架,增强系统可操作性的同时,增强了实验的启发性。
1实验平台的构成
所设计的三相异步电机的交流变频调速实验系统,主要由PC机、基于DSP的运动控制卡、基于IPM的功率变换主电路、电压电流及转速检测电路、过压/过流保护电路、PWM信号隔离电路等部分组成,在PC机上运行人机交互软件,实现对整个实验系统的控制和相关波形的显示,其主要的工作是实现电机各控制算法及处理相关数据。基于DSP的运动控制卡通过PCI总线与PC机进行通信,利用EV单元输出PWM波,为功率开关管提供驱动信号,并实施必要的检测和保护。实际应用中将其插入电脑主机箱的插槽中,结构紧凑。基于IPM的功率变换主电路、检测电路及各保护电路、隔离电路等固定在实验箱中,学生通过实验箱面板上的电路图了解电路基本结构,并在实验中进行必要的连线。
2控制系统及其辅助电路的设计
控制系统的总体设计控制系统电路设计成基于TMS320F2812的运动控制卡。在本系统中,DSP与上位机的数据交换通过PCI总线实现,采用低成本、高性能的专用PCI接口芯片PCI9052实现接口功能。检测电路的设计与实现在系统运行过程中,需要对三相异步电机的工作电压、电流及转速信号进行实时检测,以满足实验过程中人机交互软件的波形显示要求,以及电机控制算法的运算控制要求。对定子电流的动态检测采用霍尔电流传感器LTS6-NP来实现。图4为电流检测的电路原理图。为实现霍尔器件输出电压与DSPA/D采样模块输入电压的匹配,在霍尔器件后加入了电压调理电路,将电压信号调整为满足DSP输入要求的(0~3V)电压。由于本系统电路在设计上对模拟信号和数字信号分别进行控制,为了实现两者的电气隔离,把调理得到的单极性电压信号通过光耦芯片TLP521隔离后再传送给DSP的A/D端口。由于TLP521属于非线性光耦,在电路中加入1个同型号的光耦,利用其传输特性的对称性,一个作输出,一个作反馈,可以有效补偿其非线性的缺陷。由于光电耦合器初、次级之间的信号传输不是瞬间完成的,而是存在着一定的传输时间,故作反馈的光耦和电阻R10组成的负反馈电路将显得迟缓,容易产生自激振荡。因此引入C2以消除自激振荡。对电压检测电路的设计,是在母线上并联2个大功率的精密电阻(图1中的R2、R3)进行分压,来测量直流母线电压,并将检测到的直流母线电压通过软件编程的方法计算得到电机的定子相电压,这样避免了使用2个霍尔电压传感器测量定子相电压,设计上更加简单。转速检测电路采用瑞普增量式光电编码器实现。实际应用时,由于通常将光电脉冲发生器装在电机转子轴上,故其必然受到较强的电磁干扰。为了提高系统的抗干扰性能,将它发出的脉冲信号先经过差动输入和光电隔离,再传送至DSP的捕获单元输入脚QEP1和QEP2。其硬件原理图如图5所示,采用LM393比较器来实现线路阻抗的匹配,采用光电隔离器6N137实现光电编码器和控制电路的隔离。
3实验平台的软件设计
基于VisualC++的人机交互软件目前的DSP软件控制程序一般是基于代码调试器(codecomposerstudio,CCS)编程环境实现的,程序直接固化到DSP的Flash芯片上,不能直观方便地观测多种电机控制算法的工作状态,更不能对系统进行改进和升级,开放性较差,不适用于实验教学场合。电机控制算法的实现本实验平台可实现电机多个控制算法,包括SP-WM、SVPWM、磁场定向控制、直接转矩控制等。下面以磁场定向控制为例,对算法的软件编程进行说明。磁场定向控制的基本思想是将异步电机模拟成直流电机来控制,其基本原理是将三相转子电流ia、ib、ic通过Clark变换成两相、两相静止电流,然后再经Park变换成按转子磁链定向的旋转坐标系上的两相旋转电流im、it,对这2个电流分量分别加以控制。通过控制im实现对磁通的控制,控制it实现对转矩的控制。这样便实现了正交和解耦控制〔7-10〕。基于磁场定向控制的变频调速系统框图如图7所示,主要包括Clark变换、转速调节器、Park变换、转子磁链观测器(图中AWM)、K/P变换(直角坐标-极坐标变换)、电流调节器、SVPWM等模块。
4实验测试及应用
实验中所使用的三相异步电机额定参数为:三角接法,PN=100W,UN=220V,IN=0.48A,fN=50Hz,nN=1420r/min。给出了采用磁场定向控制算法时系统的工作波形。其中图9中(a)、(b)分别为电机空载启动的电机转速和定子A相电流波形;图10为电机动态调速波形,给定频率经50Hz—25Hz—50Hz的变化;为用示波器观测的电机的线电压波形。转速、定子相电流波形均由人机交互软件的“Matlab绘图”功能绘制出来,另外可通过软件界面的采样波形显示区实时观测开关信号、定子相电流、磁链等动态波形,如图12所示。本实验平台的应用能够弥补当前电力传动课程教学中偏重理论而缺少实践的不足,学生可以通过实验直观了解各变频调速控制算法的工作状态以及控制效果,还可以在同一个平台上比较各控制算法的特点。
结束语
     在本文的研究过程中,需要基于DSP2812的交流变频调速实验平台充分考虑了学生实验的特点,克服了以往变频调速系统的开放性差、不利于二次开发的缺点,充分利用VisualC++的软件优势,开发了人机交互控制软件,实现了包括磁场定向控制在内的多种电机控制算法,允许学生对多种控制算法进行切换,并通过实时动态曲线观察系统的工作状态。在软件的基础上以DSP为核心设计了整套实验平台。然后采取实验验证,才能确定其良好的稳态和动态性能。

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