直流電機驅(qū)動控制在自帶動力靶車中的應用

1 問題的提出

為了配合靶場實彈射擊訓練的需要，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了幾種遙控靶車。近年來，為適應部隊現(xiàn)代化訓練要求，已有一些靶場裝備了由卷揚機拖動靶架在軌道上往復運行裝置或軌道式運動靶車，但這類靶車以直流或交流電為動力源，需軌道和動力線，配套設施多，維護保養(yǎng)復雜，在多塵的現(xiàn)場由于接觸不良而造成失控、速度調(diào)節(jié)精度差，且需操作人員在目標區(qū)靶房操縱，不安全因素突出。本設計采用直流電機驅(qū)動控制的自帶動力靶車結構簡單，方便易用。靶車速度可調(diào)、設置簡便、自帶動力、無需軌道，不依賴場地設施，不需要保障人員在目標區(qū)操控，從而解決了長期困擾部隊實彈射擊訓練時的人員安全問題。從經(jīng)濟效益分析，不需要修建隱蔽部，也不需要架設動力線，效益顯著。

2 電力拖動方案

在電力拖動方案中，有交流拖動和直流拖動。長期以來，由于直流電機具有良好的起動性能，且能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟的調(diào)速、起動、制動和正反轉(zhuǎn)等，因此被廣泛應用于起動和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上。直流傳動系統(tǒng)—直在變速傳動領域占統(tǒng)治地位。在進行自帶動力靶車設計中，根據(jù)“既要優(yōu)化，又要繼承”的原則，沿用了這套成熟的方案，采用進口高性能汽油發(fā)電機為車體內(nèi)電動機及電氣控制系統(tǒng)提供電源，電壓220VAC；采用直流電動機為靶車提供動力；采用接觸器換向，直流調(diào)速器調(diào)節(jié)直流電機速度的方式實現(xiàn)了電力拖動問題。

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

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

本設計中，系統(tǒng)經(jīng)常要正、反轉(zhuǎn)運行，為了盡量縮短起動和制動過程的時間，在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機的允許過載能力，最好在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為最大允許值，使靶車盡可能用最大的加速度起動；到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。直流調(diào)速系統(tǒng)仍采用雙閉環(huán)結構，電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）仍采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器以提高系統(tǒng)響應時快速性和限流的必要性，電壓環(huán)（外環(huán)）以提高其魯棒性，二者之間實行串級連接。這樣就構成了電壓、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。

3 可控硅直流調(diào)速器

本設計使用了可控硅直流調(diào)速器，它是由可控整流橋構成主回路，由集成電路及觸發(fā)專用電路等組成給定積分、速度調(diào)節(jié)、故障保護及觸發(fā)脈沖電路，組裝在同一單元內(nèi)的直流電動機調(diào)速裝置。
可控硅信號觸發(fā)單元采用進口的芯片，包括型號為TCA785的鋸齒波集成移相觸發(fā)器、ULN2004七重達林頓反相驅(qū)動器、或邏輯門和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，對過零點識別更可靠、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調(diào)節(jié)。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?zhèn)鬟f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(diào)速器的上板是控制、調(diào)節(jié)單元。包含了給定積分電路、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電流斷續(xù)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(diào)節(jié)電路。直流調(diào)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(wěn)壓器組成控制電源，它們提供了控制系統(tǒng)所需的+24V整流電源，以及±15V,壓電源，變壓器同時提供了同步信號；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(diào)速器主要使用了原裝進口的SKKT57／16E集成可控硅模塊（參數(shù)：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，這時如果調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角，即可實現(xiàn)電機電樞電壓的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)直流電機的速度調(diào)節(jié)，其電路原理圖如圖1。

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

直流調(diào)速器第一次開機接電時，必須仔細檢查外部接線是否正確，內(nèi)部短接線是否與預定的工作狀態(tài)相一致。

內(nèi)部短接線的檢查：

本直流調(diào)速器的控制電源與主電源同時供電，其相序相同?？刂齐娫刺峁┛刂齐娐返某Ｓ秒娫礃藴剩麟娫刺峁┲绷麟姍C工作電源。另外，勵磁電源通過全橋整流把AC 220V電源轉(zhuǎn)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、內(nèi)部短接線正確無誤后．就可以開機并調(diào)試了。

直流調(diào)速器的調(diào)試按下列步驟進行：

（1）斷開電機電樞回路，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(diào)，然后將給定端子上的電壓調(diào)為0V。

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

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

（4）調(diào)整給定電壓，使電機轉(zhuǎn)速緩慢上升到額定值。此時的給定電壓應為10V，否則調(diào)整電位器，使系統(tǒng)滿足；當給定10V時，轉(zhuǎn)速達到額定值。

4 電動機的功率計算

靶車帶動靶運動要抵抗外力，包括風力、車體重、摩擦力等，還要有加速度，考慮這些因素，根據(jù)項目提出的速度要求，首先計算出拖動力，然后計算出電動機的功率和電流，再根據(jù)電動機的功率和電流選擇發(fā)電機的型號。按給定，靶車重量為500kg，靶車速度要求是7km／h-25．5km／h或1．94m／s-6．94m／s，靶車行進的摩擦系數(shù)取0．1，靶車行進的最大加速度為2m／s ，通過這些已知條件可以計算出最大推動力，式（1）是最大推動力的計算式，進而計算出最大功率，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)電機過載能力較小，實際選定的額定功率是5．5kW。此時的最大負載時電機過載系數(shù)稍大，但可以滿足要求。

5 電壓反饋

在本系統(tǒng)的調(diào)速電路中，使用測速反饋和電樞電壓反饋的區(qū)別主要有2點：其一是調(diào)速比，采用直流測速電機反饋可以控制調(diào)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，那么采用直流測速電機反饋無疑是一個好的方案，但如果對調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)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簡單、方便的措施。在本設計中，為了省卻測速電機，并節(jié)約系統(tǒng)空間和減輕重量，采用了簡單易用的電樞電壓反饋?？紤]到正、反轉(zhuǎn)的要求，根據(jù)2個接觸器切換設計的反饋接線圖如圖2。接觸器1在主拖動電機正轉(zhuǎn)時接入速度反饋電壓；接觸器2在主拖動電機反轉(zhuǎn)時接入速度反饋電壓。

反饋是通過改變晶閘管導通角的大小，調(diào)節(jié)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機能耗制動回路

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

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

7 結論

從測試結果看，這種直流電機驅(qū)動系統(tǒng)具有驅(qū)動平穩(wěn)、測速精度高等優(yōu)點。靶車的無級調(diào)速通過可控硅直流調(diào)速器實現(xiàn)，實際使用中，曾因使用不當，導致調(diào)速器損壞。通過設置相應合適的保護電路，合理設置了過電流報警和保護以后，經(jīng)反復試驗，運行良好!