陳小卓

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司后勤服務(wù)中心，湖南長沙，410004）

0 引言

直流發(fā)電機在野外基建施工、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，因此，研制基于數(shù)字控制技術(shù)的新型勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)以替代目前的模擬線路，對保證直流發(fā)電機運行的可靠性和穩(wěn)定性以及實現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)升級具有重要意義。

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)采用軟件來完成，具有控制靈活、操作簡單等特點，可以實現(xiàn)許多在模擬調(diào)節(jié)裝置中無法實現(xiàn)或較難實現(xiàn)的功能。

1 整體方案

在野外施工現(xiàn)場，直流發(fā)電機帶動的大功率設(shè)備主要是電動機，其功率變化大，比如挖掘機在挖掘過程中遇到大塊或根底時，提升和推壓機構(gòu)經(jīng)常會造成堵轉(zhuǎn)，這時電機既要維持出力又要保證不燒損，因此，根據(jù)挖掘機特性對其控制是非常重要的。挖掘機機械特性如圖1 所示。在恒壓控制下，隨著電動機電樞電流的增加，電樞電阻壓降增大，電動機轉(zhuǎn)速略有降低。當(dāng)電樞電流到達截止電流Ig 后，此時要加入電流負反饋，防止電流繼續(xù)增大，此時特性急劇下降。當(dāng)電樞電流到達堵轉(zhuǎn)電流Id 后，此時堵轉(zhuǎn)保護計時，超過設(shè)定時間后，大車跳閘。

圖1 挖掘機特性曲線

系統(tǒng)采用的傳動方式為直流發(fā)電機-電動機組，其特點是具有較好的調(diào)節(jié)特性，其中直流發(fā)電機的勵磁電源具有正、反兩組電源，分別提供正向勵磁電流和反向勵磁電流，兩組勵磁源均采用數(shù)字式脈沖觸發(fā)電路控制。電動挖掘機電氣傳動系統(tǒng)主電路如圖2 所示。系統(tǒng)采用兩個霍爾傳感器分別檢測電樞電壓和電樞電流，并將檢測的電樞電壓和電樞電流反饋到勵磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對電樞電壓的閉環(huán)控制及過壓、過流保護等功能。其特點是線路簡單、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 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)主電路

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文提出的自動勵磁控制系統(tǒng)由以下部分組成：電源部分、信號轉(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)動繼電器。該系統(tǒng)同步信號也需從變壓器二次側(cè)取出；信號轉(zhuǎn)化部分將不同的輸入信號轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部通用的信號；移相觸發(fā)電路通過集成芯片TCA785，輸出觸發(fā)晶閘管所需要的脈沖信號；脈沖調(diào)制電路將脈沖信號轉(zhuǎn)化為脈沖列信號，保證觸發(fā)的可靠性；同時，在不經(jīng)過軟啟動電路時，通過開關(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進行驅(qū)動放大，同時，還通過脈沖隔離變壓器將內(nèi)部電路與外部電路隔離，保護系統(tǒng)內(nèi)部電路。

■2.1 電源設(shè)計

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，經(jīng)濾波后通過7815 和7915穩(wěn)壓，即可得到+15V、-15V 電源，在經(jīng)過濾波，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

■2.2 輸入信號歸一化

目前較為常見的輸入信號大致分為以下五種：0～10V、0～5V、1～5V 電壓信號和0～20mA、4～20mA 電流信號。為便于后續(xù)電路的信號統(tǒng)一采集處理，需將不同的信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的信號進行0～10V。實際應(yīng)用過程中，只需要調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)即可。其工作原理是：不同的輸入信號，只需將放大不同的倍數(shù)使得輸出值為同一值，即將不同的信號轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的信號0～10V。

（1）0～5V 信號轉(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)同相放大器的計算方法，可得：

圖4 0～5V 信號轉(zhuǎn)化電路

由以上關(guān)系可得，R2=43k。

（2）0～20mA 信號轉(zhuǎn)化

如圖5 所示，Vi 為電流信號經(jīng)100Ω 采樣電阻后的電壓值。

圖5 0～20mA 信號轉(zhuǎn)化電路

代入數(shù)值求得A=5。求得：R2=10k。

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

圖6 4～20mA 信號轉(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

為簡化電路，采用TCA785作為主控芯片。TCA785 是德國西門子（Siemens）公司開發(fā)的晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路。它對零點的識別可靠，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。其詳細結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 TCA785 外圍電路設(shè)計

■2.4 脈沖調(diào)制設(shè)計

為了保證晶閘管觸發(fā)的可靠性，采用脈沖序列進行連續(xù)觸發(fā)。該方法的工作原理是在觸發(fā)過程中，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)不會停止，而是還會有后續(xù)的脈沖進行觸發(fā)。因此，該電路采用NE555作為脈沖序列發(fā)生器，在TCA785 進行脈沖觸發(fā)的同時，通過控制TCA785 的脈沖信號禁止端，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，單個脈沖的觸發(fā)時間為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)動輸出電路設(shè)計

該電路采用ΜC1413 作為驅(qū)動芯片，該芯片驅(qū)動能力強，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。為防止逆電動勢損害器件，在線圈處加快速二極管1N5819，提供逆電動勢泄放回路。為防止主回路損害電路器件，在隔離變壓器二次側(cè)加可通過大電流的二極管1N4007，如圖9 所示。

圖9 脈沖驅(qū)動隔離電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

■3.1 信號采樣與處理模塊

信號分時采樣程序單元對電壓、電流反饋和外界操縱桿電路傳輸進來的信號進行分時采樣，同時將采樣過來的反饋電壓、電流信號進行標量變換還原成實際的外部電壓、電流值，把操縱桿電路給定信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)大小的給定電壓，濾波程序單元對采樣過來的多組相同信號進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，不正常時則進行故障處理。同時，信號處理模塊的輸出，作為PID 調(diào)節(jié)器模塊的輸入，進行下一環(huán)節(jié)軟件處理。模塊框圖如圖10 所示。

圖10 信號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，從而進行閉環(huán)控制的一種算法。相對于位置式PID 算法，具有沖擊小、過渡平滑、輸出穩(wěn)定的優(yōu)點。算法公式見式（4）、式（5）。

結(jié)合本文實際，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，控制目標（如勵磁電壓）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個移相單元，根據(jù)同步脈沖提供的基準信號和智能增量式PID 控制器的輸出控制輸出脈沖地前進或后移單元數(shù)。

TCA785 波形圖如圖12 所示，V5為輸入同步信號，可取AC220 交流信號經(jīng)變壓器隔離輸入，V10為芯片內(nèi)部提取同步信號的過零點生成的鋸齒波信號，V11為輸入控制量電壓，V14、V15為輸出脈沖信號。從圖中可以看出，脈沖信號的相位，實際上由輸入信號V11的幅值決定的。因此移相實際上就是根據(jù)PID 的輸出改變V11的信號幅值。16 位DA 輸出對應(yīng)0～65536 輸出粒度，可實現(xiàn)半周波65536 個移相單元控制分辨率。

圖12 TCA785 波形圖

人機交互程序單元實時監(jiān)測人機交互模塊，一旦有通信請求，則進入通信模式，讀入新設(shè)定的各種參數(shù)并保存，同時能夠在線修改系統(tǒng)的運行參數(shù)。

4 結(jié)論

基于數(shù)字控制技術(shù)的新型勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)上使用模擬線路所帶來的線路復(fù)雜、抗干擾性差、故障率高等一系列缺點，并且具有維修方便、調(diào)試簡單、參數(shù)設(shè)置靈活、擴展性強等許多優(yōu)點。本文是針對該系統(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，在控制處于零位時，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，使得電動機能夠具有良好的“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，而且具有電壓過渡平滑，無沖擊等一系列優(yōu)點。另外，通過根據(jù)外界給定量和反饋量對系統(tǒng)進行故障判斷與處理，確保了系統(tǒng)的可靠與維修的方便性。該系統(tǒng)在現(xiàn)場調(diào)試中體現(xiàn)了良好的動態(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)用與推廣價值，并能為實際應(yīng)用提供參考。