船模試驗(yàn)中電機(jī)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

船舶模型的自航行試驗(yàn)通常在阻力試驗(yàn)和自適應(yīng)試驗(yàn)之后進(jìn)行。為了在船舶的驅(qū)動(dòng)下測(cè)量航行性能，我們可以測(cè)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(dòng)演差試驗(yàn)方法包括兩種自動(dòng)演差自動(dòng)演差和強(qiáng)制自動(dòng)演差自動(dòng)演差。在這里，自動(dòng)演差法采用了自動(dòng)演差試驗(yàn)，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(dāng)船模速度與船速一致且穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量并記錄船模速度vm、強(qiáng)制力z、螺旋槳速度n、驅(qū)動(dòng)力t和扭轉(zhuǎn)p的數(shù)據(jù)。從而分析了改進(jìn)的效率，并預(yù)測(cè)了實(shí)際船的性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與船模電機(jī)速度的精度直接相關(guān)。因此，提高船模電機(jī)準(zhǔn)備控制系統(tǒng)的動(dòng)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(yùn)行和有限的采樣時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)測(cè)量，有必要提高船模型電機(jī)準(zhǔn)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(diǎn)。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(jìn)的直流調(diào)速方案,使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用IGBT大功率器件作為驅(qū)動(dòng)元件,改善了系統(tǒng)的調(diào)速性能.對(duì)整個(gè)船池技術(shù)改造,提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度,進(jìn)而預(yù)報(bào)實(shí)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(shí)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(jī)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(jìn)行精確的測(cè)量.該控制系統(tǒng)由控制板,IGBT驅(qū)動(dòng)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(hào),同時(shí)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng).由于電機(jī)時(shí)間常數(shù)較大,單純應(yīng)用PID調(diào)節(jié)作用很小,不能達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)速由光電旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè),測(cè)得實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定速度進(jìn)行比較,然后進(jìn)行不完全微分PID校正,產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào),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(jī)的轉(zhuǎn)速.在比較幾種PWM驅(qū)動(dòng)方式后,采用了H橋結(jié)構(gòu)的雙極性可逆的驅(qū)動(dòng)電路.該電路有以下的優(yōu)點(diǎn):電流連續(xù);可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行;電動(dòng)機(jī)停止時(shí)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(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)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(shí),4個(gè)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(shí)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(dòng)脈沖之間,應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí).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)?？删幊虒Ｓ眉呻娐稟SIC.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(duì)其硬件電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì).在本系統(tǒng)中采用Altera公司的MAX7000系列中的EPM7064AETC44,可以驅(qū)動(dòng)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(duì)CPLD進(jìn)行編程.在本控制系統(tǒng)中CPLD主要是用來實(shí)現(xiàn)正交編碼器接口和用于驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM信號(hào)接口.電機(jī)編碼器為A、B兩相在相位上相差90°的脈沖信號(hào).設(shè)當(dāng)A超前B時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn),編碼器值增加;當(dāng)A滯后B時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn),編碼器值減小.通過對(duì)CPLD編程實(shí)現(xiàn)編碼器輸出脈沖A、B相信號(hào)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(jì)數(shù)器,由于計(jì)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(shí),須將16位的計(jì)數(shù)器值鎖存,然后依次讀取計(jì)數(shù)器的低8位、高8位.圖2中“00”表示編碼器當(dāng)前狀態(tài)為A=0,B=0,則當(dāng)狀態(tài)“00”的前一狀態(tài)為“10”時(shí),計(jì)數(shù)器自減1,當(dāng)其前一狀態(tài)為“01”時(shí)計(jì)數(shù)器自加1.用VerilogHDL語言實(shí)現(xiàn)上述計(jì)數(shù)過程,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證如圖3所示.圖3中clk_in為時(shí)鐘信號(hào)為40MHz,a_in、b_in為電機(jī)正交編碼器信號(hào),rst_in為計(jì)數(shù)器清零信號(hào),en_in是讀寫使能信號(hào),qep_out為模塊輸出信號(hào),qep_out_reg為鎖存寄存器值,qep_reg為計(jì)數(shù)器值,state_reg為鎖存使能信號(hào).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(kuò)展.3igbt的驅(qū)動(dòng)板及保護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hào)可以控制開通和關(guān)段動(dòng)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(dòng)器應(yīng)具有以下基本要求:能提供適當(dāng)?shù)恼?、反向門極電壓;信號(hào)具有足夠的功率并有一定的前沿陡度和寬度;驅(qū)動(dòng)電路必須與主電路隔離,其自身應(yīng)有一定的保護(hù)功能.為此調(diào)速電路中的IGBT采用專用混合集成驅(qū)動(dòng)板TX-DAH962/959來驅(qū)動(dòng).該驅(qū)動(dòng)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(dòng)板,它由驅(qū)動(dòng)電源電路和驅(qū)動(dòng)電路組成,5(4)組獨(dú)立電源為功率放大IGBT模塊的柵極驅(qū)動(dòng)回路供電,能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)300A/1200V或600A/600V的4只IGBT.最高工作頻率可達(dá)60kHz.其保護(hù)措施比較完備,自帶短路、過流檢測(cè)及軟關(guān)斷保護(hù)、PWM信號(hào)封鎖功能.用戶可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定IGBT的短路閾值、保護(hù)盲區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷的斜率、故障后再次啟動(dòng)的時(shí)間,以最大限度地保護(hù)IGBT.本設(shè)計(jì)是在TX-DAH962/959驅(qū)動(dòng)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(dòng)保護(hù)更趨完善、工作更可靠、更穩(wěn)定.驅(qū)動(dòng)板及其外圍器件連接原理如圖4所示.具體改進(jìn)措施有:1)為改善驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(jì)選用Rg為6Ω.2)該驅(qū)動(dòng)板通過檢測(cè)集電極對(duì)發(fā)射極的飽和電壓即閾值電壓觸發(fā)過流保護(hù)動(dòng)作.由于尖峰干擾的存在,為避免頻繁的保護(hù)影響開關(guān)電源的正常工作,有必要設(shè)立保護(hù)盲區(qū)時(shí)間.閾值電壓Vn由Rn調(diào)整,盲區(qū)時(shí)間Tblind可由Cblind調(diào)整.本設(shè)計(jì)選用Rg為13kΩ,閾值電壓Vn為4.6V,選用Cblind為56pF,盲區(qū)時(shí)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(gè)模擬比較器LM393構(gòu)成窗口電路,實(shí)現(xiàn)IGBT溫度超過臨界溫度(75℃)或斷開IGBT時(shí)報(bào)警并封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào),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(shí)發(fā)生上、下橋臂直通的事故,有效地保護(hù)IGBT并減小開關(guān)損耗.通過電容充放電實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū),CPLD輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)間.阻容電路選用電阻Rz為1.2kΩ,電容C1為0.001μF,死區(qū)時(shí)間為3.5μs.其中R1=R3=3.3kΩ.由于驅(qū)動(dòng)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(dòng)板內(nèi)部集成高速光耦,將信號(hào)分成輸入和輸出2部分.4試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5、6所示,工控PC機(jī)通過dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的編碼器接口采集直流電機(jī)的編碼器信號(hào),經(jīng)過PID控制運(yùn)算后通過串行接口向調(diào)速系統(tǒng)發(fā)送速度指令.為驗(yàn)證上述驅(qū)動(dòng)方案的可行性,首先由ATmega128單片機(jī)控制輸入10.821kHz的脈沖信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)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(hào),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(dòng)信號(hào).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(dòng)電路能夠在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間實(shí)現(xiàn)邏輯延時(shí),達(dá)到驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的功率要求,從而實(shí)現(xiàn)IGBT的可靠開通關(guān)斷,具有良好的驅(qū)動(dòng)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(hào)響應(yīng)如圖10所示.從圖的波形可以看出,輸出信號(hào)上升時(shí)間700ms,達(dá)到低電壓大功率電機(jī)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(qiáng)的抗干擾性,說明系統(tǒng)在該控制器作用下,輸出信號(hào)能夠很好地跟蹤輸入信號(hào),滿足系統(tǒng)調(diào)速要求.5試驗(yàn)結(jié)果分析以船模驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)船模電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析,并引進(jìn)了一種直流調(diào)速方案—基于I