直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制在自帶動(dòng)力靶車中的應(yīng)用

1 問題的提出

為了配合靶場實(shí)彈射擊訓(xùn)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(yīng)部隊(duì)現(xiàn)代化訓(xùn)練要求，已有一些靶場裝備了由卷揚(yáng)機(jī)拖動(dòng)靶架在軌道上往復(fù)運(yùn)行裝置或軌道式運(yùn)動(dòng)靶車，但這類靶車以直流或交流電為動(dòng)力源，需軌道和動(dòng)力線，配套設(shè)施多，維護(hù)保養(yǎng)復(fù)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(biāo)區(qū)靶房操縱，不安全因素突出。本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的自帶動(dòng)力靶車結(jié)構(gòu)簡單，方便易用。靶車速度可調(diào)、設(shè)置簡便、自帶動(dòng)力、無需軌道，不依賴場地設(shè)施，不需要保障人員在目標(biāo)區(qū)操控，從而解決了長期困擾部隊(duì)實(shí)彈射擊訓(xùn)練時(shí)的人員安全問題。從經(jīng)濟(jì)效益分析，不需要修建隱蔽部，也不需要架設(shè)動(dòng)力線，效益顯著。

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)。長期以來，由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)性能，且能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速、起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)等，因此被廣泛應(yīng)用于起動(dòng)和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上。直流傳動(dòng)系統(tǒng)—直在變速傳動(dòng)領(lǐng)域占統(tǒng)治地位。在進(jìn)行自帶動(dòng)力靶車設(shè)計(jì)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(jìn)口高性能汽油發(fā)電機(jī)為車體內(nèi)電動(dòng)機(jī)及電氣控制系統(tǒng)提供電源，電壓220VAC；采用直流電動(dòng)機(jī)為靶車提供動(dòng)力；采用接觸器換向，直流調(diào)速器調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度的方式實(shí)現(xiàn)了電力拖動(dòng)問題。

本設(shè)計(jì)對(duì)靶車的重量有嚴(yán)格的要求（500kg～600kg），電動(dòng)機(jī)的功率過大必定會(huì)增加車體的總重量，使得控制車體的快速起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及變速增加了障礙；功率過小，則不能拖動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，因而選用電動(dòng)機(jī)的功率為5．5kVA。

由于系統(tǒng)對(duì)動(dòng)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(jī)提供電源?？煽毓枵{(diào)速控制器是目前應(yīng)用相當(dāng)普遍的晶閘管～電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速裝置。根據(jù)部隊(duì)提出的實(shí)際的射擊狀況和射擊要求，加上減速機(jī)，可以把目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度控制在0km／h～25km／h，并可以連續(xù)調(diào)節(jié)。

本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)經(jīng)常要正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，為了盡量縮短起動(dòng)和制動(dòng)過程的時(shí)間，在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)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(dòng)；到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。直流調(diào)速系統(tǒng)仍采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(jí)連接。這樣就構(gòu)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(shè)計(jì)使用了可控硅直流調(diào)速器，它是由可控整流橋構(gòu)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(hù)及觸發(fā)脈沖電路，組裝在同一單元內(nèi)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置。
可控硅信號(hào)觸發(fā)單元采用進(jìn)口的芯片，包括型號(hào)為TCA785的鋸齒波集成移相觸發(fā)器、ULN2004七重達(dá)林頓反相驅(qū)動(dòng)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(duì)過零點(diǎn)識(shí)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(diào)節(jié)。另外，可控硅觸發(fā)變壓器接在可控硅設(shè)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(duì)強(qiáng)弱電之間起到了可靠的隔離作用，對(duì)設(shè)備起到了保護(hù)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(bǔ)償、邏輯電路、故障綜合及保護(hù)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(shí)提供了同步信號(hào)；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(jìn)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(jī)工作用，這時(shí)如果調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)電樞電壓的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)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(dāng)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(shí)現(xiàn)可控硅的過電壓保護(hù)，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(diào)速器第一次開機(jī)接電時(shí)，必須仔細(xì)檢查外部接線是否正確，內(nèi)部短接線是否與預(yù)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(shí)供電，其相序相同?？刂齐娫刺峁┛刂齐娐返某Ｓ秒娫礃?biāo)準(zhǔn)，主電源提供直流電機(jī)工作電源。另外，勵(lì)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(jī)作為恒定的勵(lì)磁電源，其相序和控制電源以及主電源的相序一致。當(dāng)確認(rèn)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(jī)并調(diào)試了。

直流調(diào)速器的調(diào)試按下列步驟進(jìn)行：

（1）斷開電機(jī)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(yīng)當(dāng)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(fù)電機(jī)電樞回路接線，接通勵(lì)磁電源、主電源，緩慢調(diào)節(jié)給定電位器，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。注意此處的電位器就是速度的控制信號(hào)給定，手動(dòng)操作只需要調(diào)節(jié)這個(gè)10K的電阻就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度變化。自動(dòng)時(shí)，可以不用這個(gè)電位器，利用單片機(jī)的DA轉(zhuǎn)換功能直接給出0V-10V的速度控制電壓信號(hào)就可以了，這個(gè)就是單片機(jī)調(diào)速的接口。

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

（4）調(diào)整給定電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升到額定值。此時(shí)的給定電壓應(yīng)為10V，否則調(diào)整電位器，使系統(tǒng)滿足；當(dāng)給定10V時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值。

4 電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算

靶車帶動(dòng)靶運(yùn)動(dòng)要抵抗外力，包括風(fēng)力、車體重、摩擦力等，還要有加速度，考慮這些因素，根據(jù)項(xiàng)目提出的速度要求，首先計(jì)算出拖動(dòng)力，然后計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的功率和電流，再根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率和電流選擇發(fā)電機(jī)的型號(hào)。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(jìn)的摩擦系數(shù)取0．1，靶車行進(jìn)的最大加速度為2m／s ，通過這些已知條件可以計(jì)算出最大推動(dòng)力，式（1）是最大推動(dòng)力的計(jì)算式，進(jìn)而計(jì)算出最大功率，式（2）列出了最大功率的計(jì)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(jī)過載能力較小，實(shí)際選定的額定功率是5．5kW。此時(shí)的最大負(fù)載時(shí)電機(jī)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(diǎn)：其一是調(diào)速比，采用直流測速電機(jī)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(dá)到1：50；其二，采用直流測速電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，那么采用直流測速電機(jī)反饋無疑是一個(gè)好的方案，但如果對(duì)調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)速精度要求不是非常嚴(yán)格的情況下，采用電樞電壓反饋將是一個(gè)簡單、方便的措施。在本設(shè)計(jì)中，為了省卻測速電機(jī)，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(gè)接觸器切換設(shè)計(jì)的反饋接線圖如圖2。接觸器1在主拖動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)接入速度反饋電壓；接觸器2在主拖動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)接入速度反饋電壓。

反饋是通過改變晶閘管導(dǎo)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(dǎo)通角大小，差值大，導(dǎo)通角大；差值小，導(dǎo)通角小。

6 阻容吸收回路及電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)回路

直流電動(dòng)機(jī)一般都加阻容吸收回路。如果不加保護(hù)措施，當(dāng)電路分?jǐn)鄷r(shí)感應(yīng)電壓會(huì)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(dòng)機(jī)快速停轉(zhuǎn)，必須給電動(dòng)機(jī)并聯(lián)一個(gè)大功率的電阻，當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)瞬間，電阻接入電機(jī)回路，電機(jī)線圈釋放反電勢，電阻加以消耗，從而起到能耗制動(dòng)的作用。電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)和阻容
保護(hù)電路的接線原理圖如圖3所示。

7 結(jié)論

從測試結(jié)果看，這種直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)、測速精度高等優(yōu)點(diǎn)。靶車的無級(jí)調(diào)速通過可控硅直流調(diào)速器實(shí)現(xiàn)，實(shí)際使用中，曾因使用不當(dāng)，導(dǎo)致調(diào)速器損壞。通過設(shè)置相應(yīng)合適的保護(hù)電路，合理設(shè)置了過電流報(bào)警和保護(hù)以后，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，運(yùn)行良好!