船模试验中电机直流调速控制系统的设计

船模试验中电机直流调速控制系统的设计

船舶模型的自航行试验通常在阻力试验和自适应试验之后进行。为了在船舶的驱动下测量航行性能，我们可以测试船舶、客车和螺旋桨之间的合作，从而获得船舶类型在一定速度下的相移量和相移量的比率。自动演差试验方法包括两种自动演差自动演差和强制自动演差自动演差。在这里，自动演差法采用了自动演差试验，保持船速vm（即预定义船速）的行驶，调整螺旋桨的旋转，克服其阻力（rm-z）（其中rm是船模的总阻力）。当船模速度与船速一致且稳定时，测量并记录船模速度vm、强制力z、螺旋桨速度n、驱动力t和扭转p的数据。从而分析了改进的效率，并预测了实际船的性能。试验数据的准确性与船模电机速度的精度直接相关。因此，提高船模电机准备控制系统的动态质量和稳定性非常重要。为了确保船舶的稳定运行和有限的采样时间内的数据测量，有必要提高船模型电机准备控制系统的控制精度高、控制参数稳定、速度快的特点。目前随着现代电力电子技术的发展,具有自关断能力并可在高速下工作的绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor)大功率器件作为开关元件的脉宽调制(pulsewidthmodulation)直流调速系统成为更为先进的直流调速方案,使直流电动机调速系统的动态性能、精度、可靠性有了更大的提高,已经逐步取代了以晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器.因此,船模直流驱动电机调速系统采用IGBT大功率器件作为驱动元件,改善了系统的调速性能.对整个船池技术改造,提高试验数据精度,进而预报实船性能、提高产品质量有着一定的借鉴意义.1闭环配时pid控制策略图1是PWM直流调速系统控制框图.本系统以ATmega128单片机和CPLD可编程逻辑器件为核心组成速度闭环控制,能够实现速度预置并能够对转速进行精确的测量.该控制系统由控制板,IGBT驱动板,IGBT母板构成.其中控制板主要是记录处理反馈速度,完成速度环调节并产生PWM开关逻辑信号,同时监控保护系统.由于电机时间常数较大,单纯应用PID调节作用很小,不能达到超前控制误差的目的,因此采用引入一阶惯性环节的不完全微分PID控制策略.系统的闭环调速控制工作原理为:电机转速由光电旋转编码器检测,测得实际转速与给定速度进行比较,然后进行不完全微分PID校正,产生相应的PWM信号,把恒定的直流电源调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列,从而可以改变平均输出电压的大小,以调节电机的转速.在比较几种PWM驱动方式后,采用了H桥结构的双极性可逆的驱动电路.该电路有以下的优点:电流连续;可使电动机在四象限运行;电动机停止时有微振电流,能消除静摩擦死区;低速平稳性好,系统的调速范围宽,每个开关器件的驱动脉冲仍较宽,有利于保证器件的可靠导通.双极性的不足之处是:工作时,4个开关器件可能都处于开关状态,开关损耗较大,而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故.为防止直通,在上、下桥臂的驱动脉冲之间,应设置逻辑延时.2cpld模块复杂可编程逻辑器件(complexprogramablelogicdevice)是近年来迅速发展起来的一种大规模可编程专用集成电路ASIC.由于CPLD的可擦写性,使得控制逻辑的调整变得非常灵活,不需要对其硬件电路进行重新设计.在本系统中采用Altera公司的MAX7000系列中的EPM7064AETC44,可以驱动3.3V的逻辑电平,并且支持JTAG边界扫描协议,使用Altera公司提供的EDA工具QuartusII,应用VerilogHDL语言对CPLD进行编程.在本控制系统中CPLD主要是用来实现正交编码器接口和用于驱动IGBT的PWM信号接口.电机编码器为A、B两相在相位上相差90°的脉冲信号.设当A超前B时,电机正转,编码器值增加;当A滞后B时,电机反转,编码器值减小.通过对CPLD编程实现编码器输出脉冲A、B相信号4倍频,得出状态转换图如图2所示.ATmega128通过8位I/O口并行访问此计数器,由于计数器是16位的,而ATmega128是8位AVR微处理器,因此在发生数据读写时,须将16位的计数器值锁存,然后依次读取计数器的低8位、高8位.图2中“00”表示编码器当前状态为A=0,B=0,则当状态“00”的前一状态为“10”时,计数器自减1,当其前一状态为“01”时计数器自加1.用VerilogHDL语言实现上述计数过程,并进行仿真验证如图3所示.图3中clk_in为时钟信号为40MHz,a_in、b_in为电机正交编码器信号,rst_in为计数器清零信号,en_in是读写使能信号,qep_out为模块输出信号,qep_out_reg为锁存寄存器值,qep_reg为计数器值,state_reg为锁存使能信号.单片大容量CPLD的使用,提高了系统的集成度,从而提高了系统的可靠性,便于系统的扩展.3igbt的驱动板及保护机构设计IGBT是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的,从而IGBT和功率MOSFET一样,通过电压信号可以控制开通和关段动作.文中用IGBT作为大功率全桥变换的功率元件,由于工作在高速大功率开关状态,要使它安全可靠地工作,IGBT驱动器应具有以下基本要求:能提供适当的正、反向门极电压;信号具有足够的功率并有一定的前沿陡度和宽度;驱动电路必须与主电路隔离,其自身应有一定的保护功能.为此调速电路中的IGBT采用专用混合集成驱动板TX-DAH962/959来驱动.该驱动板是北京落木源电子技术有限公司生产的IGBT专用驱动板,它由驱动电源电路和驱动电路组成,5(4)组独立电源为功率放大IGBT模块的栅极驱动回路供电,能够驱动高达300A/1200V或600A/600V的4只IGBT.最高工作频率可达60kHz.其保护措施比较完备,自带短路、过流检测及软关断保护、PWM信号封锁功能.用户可根据实际需要设定IGBT的短路阈值、保护盲区时间、软关断的斜率、故障后再次启动的时间,以最大限度地保护IGBT.本设计是在TX-DAH962/959驱动板的基础上,重新设置了一些参数,增加了少量外围元件,使驱动保护更趋完善、工作更可靠、更稳定.驱动板及其外围器件连接原理如图4所示.具体改进措施有:1)为改善驱动信号的前后沿陡度和防止振荡,减小IGBT集电极大的电压尖脉冲,需要在栅极串联驱动电阻Rg.根据电流容量和电压额定值及开关频率的不同,选择合适的阻值,一般选Rg为几Ω至几百Ω,本设计选用Rg为6Ω.2)该驱动板通过检测集电极对发射极的饱和电压即阈值电压触发过流保护动作.由于尖峰干扰的存在,为避免频繁的保护影响开关电源的正常工作,有必要设立保护盲区时间.阈值电压Vn由Rn调整,盲区时间Tblind可由Cblind调整.本设计选用Rg为13kΩ,阈值电压Vn为4.6V,选用Cblind为56pF,盲区时间Tblind为3.5μs.3)由于流过IGBT的电流较大,开关频率较高,故而器件损耗比较大,易使器件结温超过最大值导致IGBT损坏.为此利用IGBT模块的热敏电阻R7和2个模拟比较器LM393构成窗口电路,实现IGBT温度超过临界温度(75℃)或断开IGBT时报警并封锁驱动信号,其中R4=R6=R9=10kΩ,R5=R11=3kΩ,R8=1.5kΩ,R10=5.1kΩ.4)为防止开关器件在切换时发生上、下桥臂直通的事故,有效地保护IGBT并减小开关损耗.通过电容充放电实现驱动信号的死区,CPLD输出的PWM驱动信号通过模拟比较器LM393后接入阻容电路,再经施密特SN74HC14N整形即可得到理想的死区时间.阻容电路选用电阻Rz为1.2kΩ,电容C1为0.001μF,死区时间为3.5μs.其中R1=R3=3.3kΩ.由于驱动电路和控制电路的参考电位不同,为避免各部分相互干扰,采用电气隔离提高系统抗干扰能力.驱动板内部集成高速光耦,将信号分成输入和输出2部分.4试验测试结果直流电机调速控制系统实验环境如图5、6所示,工控PC机通过dSPACE实时仿真系统的编码器接口采集直流电机的编码器信号,经过PID控制运算后通过串行接口向调速系统发送速度指令.为验证上述驱动方案的可行性,首先由ATmega128单片机控制输入10.821kHz的脉冲信号进行试验,试验波形如图7、8、9所示.图7为ATmega128发出的H桥同侧上下路相位相反并带死区的脉冲信号,幅值为5V;图8为经过功率放大电路后的IGBT开关管同侧上下2路驱动信号.图9为IGBT集电极与发射极2端电压,幅值为24V.从上面输出波形可以看出,该驱动电路能够在上下桥臂的驱动脉冲之间实现逻辑延时,达到驱动脉冲信号的功率要求,从而实现IGBT的可靠开通关断,具有良好的驱动特性.取输入速度为480r/min,调节不完全微分PID控制器的参数为Kp=2.192、Ki=0.002、Kd=5.117,闭环调速系统的输入、输出信号响应如图10所示.从图的波形可以看出,输出信号上升时间700ms,达到低电压大功率电机的快速响应性;最大误差为1.3%,在允许误差2%范围之内;最大超调量为2.9%,在允许误差5%范围之内;具有较强的抗干扰性,说明系统在该控制器作用下,输出信号能够很好地跟踪输入信号,满足系统调速要求.5试验结果分析以船模驱动电机为研究对象,对船模电机调速系统进行了理论分析,并引进了一种直流调速方案—基于I