船模試驗中電機直流調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計

船模試驗中電機直流調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計

船舶模型的自航行試驗通常在阻力試驗和自適應(yīng)試驗之后進行。為了在船舶的驅(qū)動下測量航行性能，我們可以測試船舶、客車和螺旋槳之間的合作，從而獲得船舶類型在一定速度下的相移量和相移量的比率。自動演差試驗方法包括兩種自動演差自動演差和強制自動演差自動演差。在這里，自動演差法采用了自動演差試驗，保持船速vm（即預(yù)定義船速）的行駛，調(diào)整螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，克服其阻力（rm-z）（其中rm是船模的總阻力）。當船模速度與船速一致且穩(wěn)定時，測量并記錄船模速度vm、強制力z、螺旋槳速度n、驅(qū)動力t和扭轉(zhuǎn)p的數(shù)據(jù)。從而分析了改進的效率，并預(yù)測了實際船的性能。試驗數(shù)據(jù)的準確性與船模電機速度的精度直接相關(guān)。因此，提高船模電機準備控制系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量和穩(wěn)定性非常重要。為了確保船舶的穩(wěn)定運行和有限的采樣時間內(nèi)的數(shù)據(jù)測量，有必要提高船模型電機準備控制系統(tǒng)的控制精度高、控制參數(shù)穩(wěn)定、速度快的特點。目前隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展,具有自關(guān)斷能力并可在高速下工作的絕緣柵雙極晶體管(insulatedgatebipolartransistor)大功率器件作為開關(guān)元件的脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation)直流調(diào)速系統(tǒng)成為更為先進的直流調(diào)速方案,使直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能、精度、可靠性有了更大的提高,已經(jīng)逐步取代了以晶閘管為功率開關(guān)器件的斬波調(diào)壓調(diào)速器.因此,船模直流驅(qū)動電機調(diào)速系統(tǒng)采用IGBT大功率器件作為驅(qū)動元件,改善了系統(tǒng)的調(diào)速性能.對整個船池技術(shù)改造,提高試驗數(shù)據(jù)精度,進而預(yù)報實船性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量有著一定的借鑒意義.1閉環(huán)配時pid控制策略圖1是PWM直流調(diào)速系統(tǒng)控制框圖.本系統(tǒng)以ATmega128單片機和CPLD可編程邏輯器件為核心組成速度閉環(huán)控制,能夠?qū)崿F(xiàn)速度預(yù)置并能夠?qū)D(zhuǎn)速進行精確的測量.該控制系統(tǒng)由控制板,IGBT驅(qū)動板,IGBT母板構(gòu)成.其中控制板主要是記錄處理反饋速度,完成速度環(huán)調(diào)節(jié)并產(chǎn)生PWM開關(guān)邏輯信號,同時監(jiān)控保護系統(tǒng).由于電機時間常數(shù)較大,單純應(yīng)用PID調(diào)節(jié)作用很小,不能達到超前控制誤差的目的,因此采用引入一階慣性環(huán)節(jié)的不完全微分PID控制策略.系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)速控制工作原理為:電機轉(zhuǎn)速由光電旋轉(zhuǎn)編碼器檢測,測得實際轉(zhuǎn)速與給定速度進行比較,然后進行不完全微分PID校正,產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號,把恒定的直流電源調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列,從而可以改變平均輸出電壓的大小,以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速.在比較幾種PWM驅(qū)動方式后,采用了H橋結(jié)構(gòu)的雙極性可逆的驅(qū)動電路.該電路有以下的優(yōu)點:電流連續(xù);可使電動機在四象限運行;電動機停止時有微振電流,能消除靜摩擦死區(qū);低速平穩(wěn)性好,系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬,每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬,有利于保證器件的可靠導(dǎo)通.雙極性的不足之處是:工作時,4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài),開關(guān)損耗較大,而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故.為防止直通,在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間,應(yīng)設(shè)置邏輯延時.2cpld模塊復(fù)雜可編程邏輯器件(complexprogramablelogicdevice)是近年來迅速發(fā)展起來的一種大規(guī)模可編程專用集成電路ASIC.由于CPLD的可擦寫性,使得控制邏輯的調(diào)整變得非常靈活,不需要對其硬件電路進行重新設(shè)計.在本系統(tǒng)中采用Altera公司的MAX7000系列中的EPM7064AETC44,可以驅(qū)動3.3V的邏輯電平,并且支持JTAG邊界掃描協(xié)議,使用Altera公司提供的EDA工具QuartusII,應(yīng)用VerilogHDL語言對CPLD進行編程.在本控制系統(tǒng)中CPLD主要是用來實現(xiàn)正交編碼器接口和用于驅(qū)動IGBT的PWM信號接口.電機編碼器為A、B兩相在相位上相差90°的脈沖信號.設(shè)當A超前B時,電機正轉(zhuǎn),編碼器值增加;當A滯后B時,電機反轉(zhuǎn),編碼器值減小.通過對CPLD編程實現(xiàn)編碼器輸出脈沖A、B相信號4倍頻,得出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示.ATmega128通過8位I/O口并行訪問此計數(shù)器,由于計數(shù)器是16位的,而ATmega128是8位AVR微處理器,因此在發(fā)生數(shù)據(jù)讀寫時,須將16位的計數(shù)器值鎖存,然后依次讀取計數(shù)器的低8位、高8位.圖2中“00”表示編碼器當前狀態(tài)為A=0,B=0,則當狀態(tài)“00”的前一狀態(tài)為“10”時,計數(shù)器自減1,當其前一狀態(tài)為“01”時計數(shù)器自加1.用VerilogHDL語言實現(xiàn)上述計數(shù)過程,并進行仿真驗證如圖3所示.圖3中clk_in為時鐘信號為40MHz,a_in、b_in為電機正交編碼器信號,rst_in為計數(shù)器清零信號,en_in是讀寫使能信號,qep_out為模塊輸出信號,qep_out_reg為鎖存寄存器值,qep_reg為計數(shù)器值,state_reg為鎖存使能信號.單片大容量CPLD的使用,提高了系統(tǒng)的集成度,從而提高了系統(tǒng)的可靠性,便于系統(tǒng)的擴展.3igbt的驅(qū)動板及保護機構(gòu)設(shè)計IGBT是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構(gòu)成的,從而IGBT和功率MOSFET一樣,通過電壓信號可以控制開通和關(guān)段動作.文中用IGBT作為大功率全橋變換的功率元件,由于工作在高速大功率開關(guān)狀態(tài),要使它安全可靠地工作,IGBT驅(qū)動器應(yīng)具有以下基本要求:能提供適當?shù)恼⒎聪蜷T極電壓;信號具有足夠的功率并有一定的前沿陡度和寬度;驅(qū)動電路必須與主電路隔離,其自身應(yīng)有一定的保護功能.為此調(diào)速電路中的IGBT采用專用混合集成驅(qū)動板TX-DAH962/959來驅(qū)動.該驅(qū)動板是北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的IGBT專用驅(qū)動板,它由驅(qū)動電源電路和驅(qū)動電路組成,5(4)組獨立電源為功率放大IGBT模塊的柵極驅(qū)動回路供電,能夠驅(qū)動高達300A/1200V或600A/600V的4只IGBT.最高工作頻率可達60kHz.其保護措施比較完備,自帶短路、過流檢測及軟關(guān)斷保護、PWM信號封鎖功能.用戶可根據(jù)實際需要設(shè)定IGBT的短路閾值、保護盲區(qū)時間、軟關(guān)斷的斜率、故障后再次啟動的時間,以最大限度地保護IGBT.本設(shè)計是在TX-DAH962/959驅(qū)動板的基礎(chǔ)上,重新設(shè)置了一些參數(shù),增加了少量外圍元件,使驅(qū)動保護更趨完善、工作更可靠、更穩(wěn)定.驅(qū)動板及其外圍器件連接原理如圖4所示.具體改進措施有:1)為改善驅(qū)動信號的前后沿陡度和防止振蕩,減小IGBT集電極大的電壓尖脈沖,需要在柵極串聯(lián)驅(qū)動電阻Rg.根據(jù)電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同,選擇合適的阻值,一般選Rg為幾Ω至幾百Ω,本設(shè)計選用Rg為6Ω.2)該驅(qū)動板通過檢測集電極對發(fā)射極的飽和電壓即閾值電壓觸發(fā)過流保護動作.由于尖峰干擾的存在,為避免頻繁的保護影響開關(guān)電源的正常工作,有必要設(shè)立保護盲區(qū)時間.閾值電壓Vn由Rn調(diào)整,盲區(qū)時間Tblind可由Cblind調(diào)整.本設(shè)計選用Rg為13kΩ,閾值電壓Vn為4.6V,選用Cblind為56pF,盲區(qū)時間Tblind為3.5μs.3)由于流過IGBT的電流較大,開關(guān)頻率較高,故而器件損耗比較大,易使器件結(jié)溫超過最大值導(dǎo)致IGBT損壞.為此利用IGBT模塊的熱敏電阻R7和2個模擬比較器LM393構(gòu)成窗口電路,實現(xiàn)IGBT溫度超過臨界溫度(75℃)或斷開IGBT時報警并封鎖驅(qū)動信號,其中R4=R6=R9=10kΩ,R5=R11=3kΩ,R8=1.5kΩ,R10=5.1kΩ.4)為防止開關(guān)器件在切換時發(fā)生上、下橋臂直通的事故,有效地保護IGBT并減小開關(guān)損耗.通過電容充放電實現(xiàn)驅(qū)動信號的死區(qū),CPLD輸出的PWM驅(qū)動信號通過模擬比較器LM393后接入阻容電路,再經(jīng)施密特SN74HC14N整形即可得到理想的死區(qū)時間.阻容電路選用電阻Rz為1.2kΩ,電容C1為0.001μF,死區(qū)時間為3.5μs.其中R1=R3=3.3kΩ.由于驅(qū)動電路和控制電路的參考電位不同,為避免各部分相互干擾,采用電氣隔離提高系統(tǒng)抗干擾能力.驅(qū)動板內(nèi)部集成高速光耦,將信號分成輸入和輸出2部分.4試驗測試結(jié)果直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)實驗環(huán)境如圖5、6所示,工控PC機通過dSPACE實時仿真系統(tǒng)的編碼器接口采集直流電機的編碼器信號,經(jīng)過PID控制運算后通過串行接口向調(diào)速系統(tǒng)發(fā)送速度指令.為驗證上述驅(qū)動方案的可行性,首先由ATmega128單片機控制輸入10.821kHz的脈沖信號進行試驗,試驗波形如圖7、8、9所示.圖7為ATmega128發(fā)出的H橋同側(cè)上下路相位相反并帶死區(qū)的脈沖信號,幅值為5V;圖8為經(jīng)過功率放大電路后的IGBT開關(guān)管同側(cè)上下2路驅(qū)動信號.圖9為IGBT集電極與發(fā)射極2端電壓,幅值為24V.從上面輸出波形可以看出,該驅(qū)動電路能夠在上下橋臂的驅(qū)動脈沖之間實現(xiàn)邏輯延時,達到驅(qū)動脈沖信號的功率要求,從而實現(xiàn)IGBT的可靠開通關(guān)斷,具有良好的驅(qū)動特性.取輸入速度為480r/min,調(diào)節(jié)不完全微分PID控制器的參數(shù)為Kp=2.192、Ki=0.002、Kd=5.117,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸入、輸出信號響應(yīng)如圖10所示.從圖的波形可以看出,輸出信號上升時間700ms,達到低電壓大功率電機的快速響應(yīng)性;最大誤差為1.3%,在允許誤差2%范圍之內(nèi);最大超調(diào)量為2.9%,在允許誤差5%范圍之內(nèi);具有較強的抗干擾性,說明系統(tǒng)在該控制器作用下,輸出信號能夠很好地跟蹤輸入信號,滿足系統(tǒng)調(diào)速要求.5試驗結(jié)果分析以船模驅(qū)動電機為研究對象,對船模電機調(diào)速系統(tǒng)進行了理論分析,并引進了一種直流調(diào)速方案—基于I