基于增量式PID算法的直流发电机数字励磁系统的设计

陈小卓

（国网湖南省电力有限公司后勤服务中心，湖南长沙，410004）

0 引言

直流发电机在野外基建施工、采矿等领域获得了广泛的应用，然而其励磁调节系统目前采用的仍是模拟线路，该线路虽在技术上较为成熟，且在目前的应用中发挥了一定的作用，但却存在线路复杂、抗干扰能力差、故障率高及维修不便等缺点，因此，研制基于数字控制技术的新型励磁调节系统以替代目前的模拟线路，对保证直流发电机运行的可靠性和稳定性以及实现产品的技术升级具有重要意义。

随着半导体技术发展日渐成熟，它的技术指标各方面都优于磁性元件，所以以半导体技术为依托的励磁控制器得到了广泛应用。将基本的控制调节采用软件来完成，具有控制灵活、操作简单等特点，可以实现许多在模拟调节装置中无法实现或较难实现的功能。

1 整体方案

在野外施工现场，直流发电机带动的大功率设备主要是电动机，其功率变化大，比如挖掘机在挖掘过程中遇到大块或根底时，提升和推压机构经常会造成堵转，这时电机既要维持出力又要保证不烧损，因此，根据挖掘机特性对其控制是非常重要的。挖掘机机械特性如图1 所示。在恒压控制下，随着电动机电枢电流的增加，电枢电阻压降增大，电动机转速略有降低。当电枢电流到达截止电流Ig 后，此时要加入电流负反馈，防止电流继续增大，此时特性急剧下降。当电枢电流到达堵转电流Id 后，此时堵转保护计时，超过设定时间后，大车跳闸。

图1 挖掘机特性曲线

系统采用的传动方式为直流发电机-电动机组，其特点是具有较好的调节特性，其中直流发电机的励磁电源具有正、反两组电源，分别提供正向励磁电流和反向励磁电流，两组励磁源均采用数字式脉冲触发电路控制。电动挖掘机电气传动系统主电路如图2 所示。系统采用两个霍尔传感器分别检测电枢电压和电枢电流，并将检测的电枢电压和电枢电流反馈到励磁调节控制系统，以实现对电枢电压的闭环控制及过压、过流保护等功能。其特点是线路简单、控制精度高、性能可靠及维修方便等，另外由于软件的可编程性，使微机数字触发器的调节范围相当灵活，能够满足多方面的需要。

图2 励磁调节系统主电路

2 系统设计

本文提出的自动励磁控制系统由以下部分组成：电源部分、信号转化部分、移相触发电路、脉冲调制、脉冲隔离输出电路。其中电源部分为系统供电，可将AC～220V 或AC～380V 交流电转化成系统所需的电源。该系统芯片及主电路所需的电源为±15V，还需提供经电桥整流后的直流±24V 电源用于驱动继电器。该系统同步信号也需从变压器二次侧取出；信号转化部分将不同的输入信号转化为系统内部通用的信号；移相触发电路通过集成芯片TCA785，输出触发晶闸管所需要的脉冲信号；脉冲调制电路将脉冲信号转化为脉冲列信号，保证触发的可靠性；同时，在不经过软启动电路时，通过开关量控制脉冲输出的封锁与输出；脉冲隔离输出将脉冲信号进行驱动放大，同时，还通过脉冲隔离变压器将内部电路与外部电路隔离，保护系统内部电路。

■2.1 电源设计

为增加系统的通用性，使用AC～220 或AC～380V 供电，电源变压器为原边3 抽头，副边4 抽头的变压器。端子A、N 接AC220V 交流电源，端子A、B 接交流380V 电源。变压器副边中心抽头接地，可得到为有效值为两个20V 的交流电源。经整流后得到+24V、-24 直流电源，该电源可作为继电器的电源使用。同时，经滤波后通过7815 和7915稳压，即可得到+15V、-15V 电源，在经过滤波，可作为该电路芯片的电源使用，电路图如图3 所示。

图3 电源部分设计

■2.2 输入信号归一化

目前较为常见的输入信号大致分为以下五种：0～10V、0～5V、1～5V 电压信号和0～20mA、4～20mA 电流信号。为便于后续电路的信号统一采集处理，需将不同的信号转换为统一的信号进行0～10V。实际应用过程中，只需要调节拨码开关即可。其工作原理是：不同的输入信号，只需将放大不同的倍数使得输出值为同一值，即将不同的信号转化为统一的信号0～10V。

（1）0～5V 信号转化

电路图如图4 所示，Vi=0～5V，Vo=0～10V。为满足线性关系，在Vi、Vo 取值范围内任意取出几点作为线性方程的约束条件。由约束条件可得Vo=2Vi；根据同相放大器的计算方法，可得：

图4 0～5V 信号转化电路

由以上关系可得，R2=43k。

（2）0～20mA 信号转化

如图5 所示，Vi 为电流信号经100Ω 采样电阻后的电压值。

图5 0～20mA 信号转化电路

代入数值求得A=5。求得：R2=10k。

（3）4～20mA 信号转化如图6 所示，Vi 为电流信号经100Ω 采样电阻后的电压值。

图6 4～20mA 信号转化电路

代入数值求得Vp=0.4V，A=6.25。求得：R2=8.2k，R3=200Ω，R4=5.85k。

■2.3 移相触发电路

为简化电路，采用TCA785作为主控芯片。TCA785 是德国西门子（Siemens）公司开发的晶闸管单片移相触发集成电路。它对零点的识别可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。

实际应用中，在外围电路完整的条件下，只需要调节控制电压的大小，即可得到移相控制所需的脉冲。其详细结构如图7 所示。

图7 TCA785 外围电路设计

■2.4 脉冲调制设计

为了保证晶闸管触发的可靠性，采用脉冲序列进行连续触发。该方法的工作原理是在触发过程中，将一次触发变为连续地多次触发。即在触发脉冲区间内，当第一次或连续几次触发失败以后，触发不会停止，而是还会有后续的脉冲进行触发。因此，该电路采用NE555作为脉冲序列发生器，在TCA785 进行脉冲触发的同时，通过控制TCA785 的脉冲信号禁止端，使TCA85 输出的脉冲变为断断续续的脉冲序列。根据晶闸管触发需要，脉冲序列的宽度仍为TCA785 的触发脉冲宽度，单个脉冲的触发时间为45μs 左右，间歇35μs 左右。为了降低功耗及防止误触发，可将触发脉冲限制在Qz 低电平区间内，如图8 所示。

图8 脉冲调制电路

■2.5 驱动输出电路设计

该电路采用ΜC1413 作为驱动芯片，该芯片驱动能力强，响应速度快。输出的脉冲列经脉冲变压器隔离后接晶闸管。变压器要求响应速度快，上升沿陡峭。为加快变压器响应速度，在变压器前加大容量电容，以保证能快速触发，使晶闸管快速导通。为防止逆电动势损害器件，在线圈处加快速二极管1N5819，提供逆电动势泄放回路。为防止主回路损害电路器件，在隔离变压器二次侧加可通过大电流的二极管1N4007，如图9 所示。

图9 脉冲驱动隔离电路

3 系统软件设计

该系统软件采用PID 调节器设计，主要包括信号采样与处理、智能增量式PID 控制、数字式移相、人机交互模块。

■3.1 信号采样与处理模块

信号分时采样程序单元对电压、电流反馈和外界操纵杆电路传输进来的信号进行分时采样，同时将采样过来的反馈电压、电流信号进行标量变换还原成实际的外部电压、电流值，把操纵杆电路给定信号转换成对应大小的给定电压，滤波程序单元对采样过来的多组相同信号进行平均值滤波和一阶惯性滤波；故障判定与处理程序单元根据设定的额定电压、截止电流、堵转电流与反馈电压，电流值相比较以判定系统当前状态是否正常，不正常时则进行故障处理。同时，信号处理模块的输出，作为PID 调节器模块的输入，进行下一环节软件处理。模块框图如图10 所示。

图10 信号采样与处理模块框图

■3.2 增量式PID 算法模块

PID 调解器采用增量式PID 算法。增量式PID 算法是以反馈量的增量作为算法的输入变量，算法的输出量作用于控制量的增量，从而进行闭环控制的一种算法。相对于位置式PID 算法，具有冲击小、过渡平滑、输出稳定的优点。算法公式见式（4）、式（5）。

结合本文实际，以电压反馈增量式PID 算法为例。式中，u(k)为第k次调节的控制电压（移相单元的输入电压），式（4）计算结果为增量，累加到第k-1 次控制电压上，作为第k次控制电压。e(k)为第k次控制时，控制目标（如励磁电压）与当前值的误差。Kp为比例控制因子，KI为积分控制因子，KD为微分控制因子。算法流程图如图11 所示。

图11 增量式PID 算法流程图

■3.3 数字式移相和人机交互模块

数字式移相程序单元将工频的半周期10ms 分成65536个移相单元，根据同步脉冲提供的基准信号和智能增量式PID 控制器的输出控制输出脉冲地前进或后移单元数。

TCA785 波形图如图12 所示，V5为输入同步信号，可取AC220 交流信号经变压器隔离输入，V10为芯片内部提取同步信号的过零点生成的锯齿波信号，V11为输入控制量电压，V14、V15为输出脉冲信号。从图中可以看出，脉冲信号的相位，实际上由输入信号V11的幅值决定的。因此移相实际上就是根据PID 的输出改变V11的信号幅值。16 位DA 输出对应0～65536 输出粒度，可实现半周波65536 个移相单元控制分辨率。

图12 TCA785 波形图

人机交互程序单元实时监测人机交互模块，一旦有通信请求，则进入通信模式，读入新设定的各种参数并保存，同时能够在线修改系统的运行参数。

4 结论

基于数字控制技术的新型励磁调节系统能够解决传统上使用模拟线路所带来的线路复杂、抗干扰性差、故障率高等一系列缺点，并且具有维修方便、调试简单、参数设置灵活、扩展性强等许多优点。本文是针对该系统的控制软件部分，在触发角调节上采用智能PID 控制，很好地实现了电压换向快、超调量小、上升斜率可调、调压平稳等一系列要求。同时，在控制处于零位时，采用半周期轮流触发二组正反晶触管模块（单相半控桥）的方法，使得电动机能够具有良好的“握手特性”。为了使电压上升斜率可调且不要更改PID 参数，首次设计了给定调节器，不仅使得电压上升斜率调节范围大，而且具有电压过渡平滑，无冲击等一系列优点。另外，通过根据外界给定量和反馈量对系统进行故障判断与处理，确保了系统的可靠与维修的方便性。该系统在现场调试中体现了良好的动态性能，能够适应于露天矿山、建基施工等复杂环境，具有一定的应用与推广价值，并能为实际应用提供参考。