直流電機驅動(dòng)控制在自帶動(dòng)力靶車(chē)中的應用

1 問(wèn)題的提出

為了配合靶場(chǎng)實(shí)彈射擊訓練的需要，國內外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種遙控靶車(chē)。近年來(lái)，為適應部隊現代化訓練要求，已有一些靶場(chǎng)裝備了由卷?yè)P機拖動(dòng)靶架在軌道上往復運行裝置或軌道式運動(dòng)靶車(chē)，但這類(lèi)靶車(chē)以直流或交流電為動(dòng)力源，需軌道和動(dòng)力線(xiàn)，配套設施多，維護保養復雜，在多塵的現場(chǎng)由于接觸不良而造成失控、速度調節精度差，且需操作人員在目標區靶房操縱，不安全因素突出。本設計采用直流電機驅動(dòng)控制的自帶動(dòng)力靶車(chē)結構簡(jiǎn)單，方便易用。靶車(chē)速度可調、設置簡(jiǎn)便、自帶動(dòng)力、無(wú)需軌道，不依賴(lài)場(chǎng)地設施，不需要保障人員在目標區操控，從而解決了長(cháng)期困擾部隊實(shí)彈射擊訓練時(shí)的人員安全問(wèn)題。從經(jīng)濟效益分析，不需要修建隱蔽部，也不需要架設動(dòng)力線(xiàn)，效益顯著(zhù)。

2 電力拖動(dòng)方案

在電力拖動(dòng)方案中，有交流拖動(dòng)和直流拖動(dòng)。長(cháng)期以來(lái)，由于直流電機具有良好的起動(dòng)性能，且能在寬廣的范圍內平滑而經(jīng)濟的調速、起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉等，因此被廣泛應用于起動(dòng)和調速要求較高的生產(chǎn)機械上。直流傳動(dòng)系統—直在變速傳動(dòng)領(lǐng)域占統治地位。在進(jìn)行自帶動(dòng)力靶車(chē)設計中，根據“既要優(yōu)化，又要繼承”的原則，沿用了這套成熟的方案，采用進(jìn)口高性能汽油發(fā)電機為車(chē)體內電動(dòng)機及電氣控制系統提供電源，電壓220VAC；采用直流電動(dòng)機為靶車(chē)提供動(dòng)力；采用接觸器換向，直流調速器調節直流電機速度的方式實(shí)現了電力拖動(dòng)問(wèn)題。

本設計對靶車(chē)的重量有嚴格的要求（500kg～600kg），電動(dòng)機的功率過(guò)大必定會(huì )增加車(chē)體的總重量，使得控制車(chē)體的快速起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉以及變速增加了障礙；功率過(guò)小，則不能拖動(dòng)系統正常運行，因而選用電動(dòng)機的功率為5．5kVA。

由于系統對動(dòng)態(tài)性能要求較高，而直流調速裝置恰能很好地滿(mǎn)足系統的這一要求，所以選用直流調速裝置，并配以10kVA單相交流發(fā)電機提供電源?？煽毓枵{速控制器是目前應用相當普遍的晶閘管～電動(dòng)機直流調速裝置。根據部隊提出的實(shí)際的射擊狀況和射擊要求，加上減速機，可以把目標的運動(dòng)速度控制在0km／h～25km／h，并可以連續調節。

本設計中，系統經(jīng)常要正、反轉運行，為了盡量縮短起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間，在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，希望充分利用電機的允許過(guò)載能力，最好在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉矩）為最大允許值，使靶車(chē)盡可能用最大的加速度起動(dòng)；到達穩定轉速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉矩馬上與負載平衡，從而轉入穩態(tài)運行。直流調速系統仍采用雙閉環(huán)結構，電流環(huán)（內環(huán)）仍采用傳統的PI調節器以提高系統響應時(shí)快速性和限流的必要性，電壓環(huán)（外環(huán)）以提高其魯棒性，二者之間實(shí)行串級連接。這樣就構成了電壓、電流雙閉環(huán)調速系統，分別調節轉速和電流。

3 可控硅直流調速器

本設計使用了可控硅直流調速器，它是由可控整流橋構成主回路，由集成電路及觸發(fā)專(zhuān)用電路等組成給定積分、速度調節、故障保護及觸發(fā)脈沖電路，組裝在同一單元內的直流電動(dòng)機調速裝置。
可控硅信號觸發(fā)單元采用進(jìn)口的芯片，包括型號為T(mén)CA785的鋸齒波集成移相觸發(fā)器、ULN2004七重達林頓反相驅動(dòng)器、或邏輯門(mén)和KCB472／104B的可控硅觸發(fā)變壓器芯片。其中TCA785為第三代晶閘管單片移相觸發(fā)器，對過(guò)零點(diǎn)識別更可靠、輸出脈沖整齊度更好，移相范圍更寬，其輸出脈沖寬度可手動(dòng)調節。另外，可控硅觸發(fā)變壓器接在可控硅設備控制觸發(fā)單元與可控硅控制極之間，一方面傳遞觸發(fā)脈沖，另一方面對強弱電之間起到了可靠的隔離作用，對設備起到了保護的作用。直流調速器的上板是控制、調節單元。包含了給定積分電路、速度調節器、電流調節器、電流斷續補償、邏輯電路、故障綜合及保護電路，以及用于張力控制的限幅調節電路。直流調速器的下板是電源及觸發(fā)單元。由控制電源變壓器及三端集成穩壓器組成控制電源，它們提供了控制系統所需的+24V整流電源，以及±15V,壓電源，變壓器同時(shí)提供了同步信號；由集成電路及脈沖變壓器組成移相脈沖行程及輸出電路。

可控硅調速器主要使用了原裝進(jìn)口的SKKT57／16E集成可控硅模塊（參數：55A、1600V）和大功率的快速二極管集成模塊，將可控硅模塊和二極管模塊組合成單相橋式半控整流電路，整流后的直流電源提供給直流電機工作用，這時(shí)如果調節可控硅的觸發(fā)角，即可實(shí)現電機電樞電壓的調節，從而實(shí)現直流電機的速度調節，其電路原理圖如圖1。

二極管模塊在這里充當了邏輯門(mén)和續流二極管的雙重作用，壓敏電阻和阻容吸收電路可以實(shí)現可控硅的過(guò)電壓保護，其原理可以參考電力電子技術(shù)的相關(guān)教材，這里不再詳述。

直流調速器第一次開(kāi)機接電時(shí)，必須仔細檢查外部接線(xiàn)是否正確，內部短接線(xiàn)是否與預定的工作狀態(tài)相一致。

內部短接線(xiàn)的檢查：

本直流調速器的控制電源與主電源同時(shí)供電，其相序相同?？刂齐娫刺峁┛刂齐娐返某Ｓ秒娫礃藴?，主電源提供直流電機工作電源。另外，勵磁電源通過(guò)全橋整流把AC 220V電源轉變成DC 22O、供給直流電機作為恒定的勵磁電源，其相序和控制電源以及主電源的相序一致。當確認供電電源以及外部接線(xiàn)、內部短接線(xiàn)正確無(wú)誤后．就可以開(kāi)機并調試了。

直流調速器的調試按下列步驟進(jìn)行：

（1）斷開(kāi)電機電樞回路，接通控制電源及主電源，檢查±15V、±10V和+24V是否正常。由給定電位器給出正給定，檢測給定端子上的電壓應當在0V～10V之間可調，然后將給定端子上的電壓調為0V。

（2）切斷控制電源及主電源，恢復電機電樞回路接線(xiàn)，接通勵磁電源、主電源，緩慢調節給定電位器，電機開(kāi)始旋轉。注意此處的電位器就是速度的控制信號給定，手動(dòng)操作只需要調節這個(gè)10K的電阻就可以實(shí)現電機速度變化。自動(dòng)時(shí)，可以不用這個(gè)電位器，利用單片機的DA轉換功能直接給出0V-10V的速度控制電壓信號就可以了，這個(gè)就是單片機調速的接口。

（3）檢查反饋極性及電機的旋轉方向：若反饋極性相反，交換反饋信號兩線(xiàn)接頭；若電機的旋轉方向相反，交換電機電樞的兩接線(xiàn)及反饋信號兩線(xiàn)接頭。

（4）調整給定電壓，使電機轉速緩慢上升到額定值。此時(shí)的給定電壓應為10V，否則調整電位器，使系統滿(mǎn)足；當給定10V時(shí)，轉速達到額定值。

4 電動(dòng)機的功率計算

靶車(chē)帶動(dòng)靶運動(dòng)要抵抗外力，包括風(fēng)力、車(chē)體重、摩擦力等，還要有加速度，考慮這些因素，根據項目提出的速度要求，首先計算出拖動(dòng)力，然后計算出電動(dòng)機的功率和電流，再根據電動(dòng)機的功率和電流選擇發(fā)電機的型號。按給定，靶車(chē)重量為500kg，靶車(chē)速度要求是7km／h-25．5km／h或1．94m／s-6．94m／s，靶車(chē)行進(jìn)的摩擦系數取0．1，靶車(chē)行進(jìn)的最大加速度為2m／s ，通過(guò)這些已知條件可以計算出最大推動(dòng)力，式（1）是最大推動(dòng)力的計算式，進(jìn)而計算出最大功率，式（2）列出了最大功率的計算式。

F=ma+mkv+500×2+500×0.1×6.94=1347N （1）
Pm=FV=1347×6.94=9348.18W （2）

最大功率是額定功率的1．5倍，所以理想的額定功率為6．23kW。而由于發(fā)電機過(guò)載能力較小，實(shí)際選定的額定功率是5．5kW。此時(shí)的最大負載時(shí)電機過(guò)載系數稍大，但可以滿(mǎn)足要求。

5 電壓反饋

在本系統的調速電路中，使用測速反饋和電樞電壓反饋的區別主要有2點(diǎn)：其一是調速比，采用直流測速電機反饋可以控制調速比在l：100，而使用電樞電壓反饋卻只可以達到1：50；其二，采用直流測速電機可以有0．3％的控制精度，而采用電樞電壓反饋卻只能做到2％。

如果為了寬范圍、高精度的電機轉速調節，那么采用直流測速電機反饋無(wú)疑是一個(gè)好的方案，但如果對調速范圍和轉速精度要求不是非常嚴格的情況下，采用電樞電壓反饋將是一個(gè)簡(jiǎn)單、方便的措施。在本設計中，為了省卻測速電機，并節約系統空間和減輕重量，采用了簡(jiǎn)單易用的電樞電壓反饋?？紤]到正、反轉的要求，根據2個(gè)接觸器切換設計的反饋接線(xiàn)圖如圖2。接觸器1在主拖動(dòng)電機正轉時(shí)接入速度反饋電壓；接觸器2在主拖動(dòng)電機反轉時(shí)接入速度反饋電壓。

反饋是通過(guò)改變晶閘管導通角的大小，調節輸出電壓。將給定電壓與反饋電壓比較，差值決定導通角大小，差值大，導通角大；差值小，導通角小。

6 阻容吸收回路及電動(dòng)機能耗制動(dòng)回路

直流電動(dòng)機一般都加阻容吸收回路。如果不加保護措施，當電路分斷時(shí)感應電壓會(huì )在接觸器的觸頭問(wèn)產(chǎn)生火花，損害觸頭，使觸頭不能可靠吸合。

為了電動(dòng)機快速停轉，必須給電動(dòng)機并聯(lián)一個(gè)大功率的電阻，當電機停轉瞬間，電阻接入電機回路，電機線(xiàn)圈釋放反電勢，電阻加以消耗，從而起到能耗制動(dòng)的作用。電動(dòng)機能耗制動(dòng)和阻容
保護電路的接線(xiàn)原理圖如圖3所示。

7 結論

從測試結果看，這種直流電機驅動(dòng)系統具有驅動(dòng)平穩、測速精度高等優(yōu)點(diǎn)。靶車(chē)的無(wú)級調速通過(guò)可控硅直流調速器實(shí)現，實(shí)際使用中，曾因使用不當，導致調速器損壞。通過(guò)設置相應合適的保護電路，合理設置了過(guò)電流報警和保護以后，經(jīng)反復試驗，運行良好!