旋转变压器实验教学装置设计

吕淑平, 张 强, 王 珅, 张 炜

(哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

自动控制元件课程作为工科高等院校自动化专业重要的专业基础课,可使学生掌握控制系统中作为执行、测量、放大、校正等元件的结构和原理,为学生进行控制系统设计打下基础[1]。实验内容主要包括对直流电机、交流电机、步进电机、自整角机、旋转变压器等元件的工作特性及技术数据测定[2],训练学生应用理论知识分析实验现象的能力。旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件,当激磁绕组以一定频率的交流电激励时,输出绕组电压与转角成正弦、余弦函数关系,或在一定范围内成线性关系。它被广泛应用于自动控制系统中的三角运算、角度数据传输等[3-4]。

本文就旋转变压器实验教学需求,设计开发了一套旋转变压器实验教学装置。该装置不但可以很好地完成外购设备常规的实验项目,如正/余弦旋转变压器空载和负载输出特性测定，副边补偿、原边补偿后的负载输出特性测定，线性旋转变压器空载和负载工作特性测定，旋转变压器角和或角差测量等,同时还可以完成用旋转变压器求反三角函数实验项目,使学生更好地掌握角度测量原理。

1 系统总体设计

1.1 实验装置组成

如图1所示,实验装置由中频电源和实验台架两部分组成。

图1 旋转变压器实验装置

实验台架上装有型号为36xz10-5旋转变压器元件,中频电源通过交-直-交电力变换方式将市电转换为0～70 V可调的、频率为400 Hz电压,为旋转变压器元件提供电源。为完成用旋转变压器求反三角函数实验项目,中频电源设计了两路输出；为使输出正弦波电压有效值能快速准确跟踪给定值,中频电源工作在闭环状态,控制框图如图2所示。

图2 中频电源控制框图

1.2 中频电源组成

中频电源由整流桥电路、逆变桥电路、LC滤波电路、信号调理电路及控制电路组成,其结构如图3所示。

图3 中频电源结构

220 V/50 Hz市电经变压器变压、不可控整流桥整流得到100 Hz正弦半波,经电容滤波后近似成为直流电；直流电经逆变桥输出一系列单极性方波,该方波经LC滤波后即可得到所需的正弦波电压；该正弦波电压经电压检测电路将其转换为有效值,反馈给DSP控制器,与给定值进行比较得到偏差；经PI控制器运算,输出SPWM波控制逆变桥上的IGBT开关通断,从而调整其电压输出值。

本装置输出电压控制采用的是比例积分控制算法,比例控制能迅速响应控制作用,积分控制则能消除稳态误差。

2 中频电源硬件设计

如图3所示,中频电源电路分控制电路和主电路两部分。控制电路主要包括TMS320F28335最小系统模块(DSP核心板)、电压检测模块、电源模块等。控制电路板设计如图4所示；主电路主要包括整流桥电路、逆变桥电路、LC滤波电路等。电路板设计如图5所示。

图4 控制电路电路板设计

图5 主电路电路板设计

2.1 控制电路

2.1.1 DSP核心板

最小系统核心芯片选用DSP TMS320f28335。该器件与以往定点型DSP相比,具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据及程序存储量大、A/D转换精确及快速等特点[5],同时150 MHz的高速处理能力,能够满足本装置生成400 Hz的SPWM控制脉冲需求。该款DSP控制器被广泛应用于电机控制、变频电源、光伏并网逆变器、风力发电并网变流器等领域[6-7],获得了很高的市场认可度。DSP TMS320F28335最小系统板如图6所示。

图6 DSP TMS320F28335最小系统板

2.1.2 电压检测电路

为实现电源输出电压能快速、稳定、准确地跟踪系统输入,减小负载扰动带来的波动,设计了输出电压检测电路,对输出电压进行实时采样并反馈。

电压检测电路主要由LEM LV25-P型电压传感器和AD637转换器组成,LV25-P型电压传感器具有测量精度高、抗扰能力强、线性度好、反应时间短等优点[8]；AD637转换器能计算任何复杂波形的有效值、平方值、均方值及绝对值[9]。在本实验装置中LV25-P测量系统输出的正弦交流电压值,AD637将正弦交流电压值转化为有效值,再经电压跟随器反馈给DSP控制器,实现闭环控制。电压检测电路如图7所示。

图7 电压检测电路

2.1.3 供电系统

根据不同芯片对电源的需求,设计了一套供电系统。采用URA2415YMD-6WR3型DC-DC模块将12 V电压转换成±15 V电压,为电压检测电路供电；采用VRB1215YMD-6WR2型DC-DC模块将12 V电压转换成15 V电压,为逆变桥驱动供电；采用L7805CV稳压芯片将15 V电压转换成5 V电压,为液晶显示屏和光耦隔离电路供电；采用AS1117稳压芯片将5 V电压转换为3.3 V电压,为TMS320F28335最小系统核心板供电。供电系统电路如图8所示。

图8 供电系统电路

2.2 主电路

2.2.1 整流电路

该电路将50 Hz市电整流成稳定的直流电压,作为逆变电路输入。整流桥采用D25SBA80,其耐压800 V,额定电流25 A,能满足本装置设计需求。整流电路如图9所示,P6接线端子输入50 Hz市电,经D25SBA80整流后输出100 Hz正弦半波,再经电容滤波,得到稳定的直流电。右侧电解电容为2 200 μF滤波电容,左侧电容为浪涌电压保护电容。

2.2.2 逆变电路

该电路将直流电逆变为一系列单极性方波,经LC滤波后得到正弦波。为有效减少电源体积、缩短开发时间,逆变器采用三菱公司的智能功率模块PS21765,外围电路如图10所示。其内部集成了IGBT硅片、IGBT驱动和保护电路,最大输出电压为600 V,最大输出电流为20 A,输出范围广,能够满足本装置的技术要求。

图9 整流电路

图10 PS21765外围电路

PS21765接线示意如图11所示,左侧为控制信号和驱动供电端,右侧为主电路端,其中P为整流电路的正极,L1为交流滤波电感,控制脉冲信号通过Up、Un、Vp、Vn 4个管脚输入。为保证控制电路安全,减小主电路对控制电路的干扰,控制脉冲信号经光耦隔离与互锁电路后输入到智能功率模块,光耦隔离与互锁电路如图12所示。同时为保护IGBT不被电压尖峰击穿,设计了RC吸收电路,用于吸收杂散电感产生的电压尖峰[10-11]。

3 中频电源软件设计

中频电源软件主要包括主程序与PWM中断产生程序设计。

3.1 主程序

主程序流程图如图13所示,其主要功能是完成DSP28335系统初始化、相关寄存器和I/O管脚配置、循环刷新LCD12864液晶显示屏、等待SPWM中断等。系统配置的载波频率为20 kHz,SPWM信号的频率与载波频率相同,由SPWM信号触发AD采样信号,采样频率同样为20 kHz。

图11 PS21765接线示意图

图12 光耦隔离与互锁电路

图13 主程序流程图

3.2 中断服务程序

中断服务程序主要完成对系统输出电压进行采样、处理和分析,以及实现过压保护和闭环控制。其中数字滤波采用限幅消抖滤波算法,有效屏蔽了误采样和尖峰信号的干扰；同时采取对电压信号进行过压判断,有效防止了智能功率模块因过压被烧毁的情况。当电压采样值在合理的范围内时,与给定值比较得到偏差再经PI调节,改变SPWM占空比,使系统输出有效跟踪输入[12]。中断服务程序流程图如图14所示。

图14 中断服务程序图

4 结论

本文基于自动控制元件课程实验教学需求,研制开发了旋转变压器实验教学装置。该装置能够完成正、余弦旋转变压器空载工作特性和负载引起的畸变测试,研究正、余弦旋转变压器的畸变补偿方法和效果；实现了线性旋转变压器的空载和负载工作特性测试,研究线性旋转变压器的工作原理；学生可自己设计线路,构成旋转变压器测量角和或角差系统，能实现旋转变压器反三角函数变换等。该装置弥补了外购设备的不足,经实际教学应用,系统安全稳定、可靠性高,适合大规模实验教学。