葛洲坝工程活动桥导引随动同步系统微机控制

．葛湖坝工程活动桥导引随动同步系统微机控制引言魏国强微机控制同步系统是微计算机在电力拖动自动控制系统中的应用实例．该项目荣获1984年全国微计算机应用成果展览交流会一等奖。同步系统．TP80l微计算机为核心。配置相应的软件和硬件构成随动系统。它可控制两台及多台直流电机或滑差电机同步运行．若两台电机同步，可以一台为导引机，另一台为跟踪机构成导引随动系统；多台电机同步时，各台电机可跟踪一个标准频率或跟踪一台导引机。本系统除可应用于大型水利枢纽闸门启闭机、铁路公路活动桥梁、升船机外，还可用于各类厂矿、军工部门以及对电机有同步要求的自动控制系统。1984年lo月在长江葛洲坝2号船闸铁路、公路活动桥上进行了微机控制两点同步系统现场试验，证明效果良好，经评审可用于工程实践。2号船闸活动桥重200吨，跨度40米。其提升高度为18．5米。活动桥有四个吊点L每边各二个吊点)，每边各设一台滑差电机，通过减速箱和长轴将两个滚筒连在一起，每个吊点有一组平衡块，用钢丝绳将桥与平衡块连接，钢丝绳放在滚筒镶有尼龙的半圆槽内，当滚筒转动时，利用摩擦力将钢丝绳带着活动桥一起运动(见图1)。由于两台主拖动滑差电机系用微处理机控制，故简称微机控制两点同步系统，其框图如图2所示。滚弼猁活栅图1铁路、公路活动桥示意圈。U一给定电压LET一电磁离合器】EC一2一整形放大CF一可控硅触发器F一测速发电机LED一数字显示Ct86一分援嚣GD一光电器隔离器MF一负载SCR一可控硅uf速度盎反馈ST一速度调节嚣图2微机控制两点同步系统框图二、滑差电机及其特性滑差电机实为电磁调速异步电动机。又称电磁转差离合器或称VS电机或HC电机，转差离合器由电枢和磁极两部分组成，两者无机械联系，均能自由旋转。电枢与异步电动机同轴或用联轴节连结。当电动机带动杯形电枢旋转时，电枢会因切割磁力线而感应产生涡流，涡流又与磁极磁场作用产生电磁力。此电磁力所形成的转矩将便磁极与电枢同方·筋·图3滑差电机调速系统图向旋转，从而带动了工作机械旋转(见图3)。Eh于异步电动机的固有机械特性较硬，因而可以认为电枢的转速近似不变。而磁极的转速则决定于磁极磁场的强弱，即由励磁电流大小而定．只要改变励磁电流的大小，就可改变磁极转速，也就改变了工作机械的转速．滑差电机的机械特性很软，是非线性的。即随着负载转矩的增加，转速下降很快，故不能直接用于速度要求比较稳定的工作机械上．如果在控制系统中加入速度负反馈，机械特性将变硬，使得电动机在负载增加时转速的降低可由增加励磁来补偿，达到转速保持稳定(见图4)。-、7‘圈4滑差电机机械特性三、SCR--JZT系统的传递函数先讨论滑差电机的传递函数。在列滑差电机运动微分方程时，将异步电动机看作恒速运转(实际上转速随负载的增加而略有降低)，这样在研究动态特性时，只须推出电磁离合器的传递函数。励磁电路微分方程式为： u：iR+L鲁÷……………………(1)·嬲·式中：U、i分别为励磁线圈的电压与电流，R、L为其电阻、电感。滑差电机的机械特性虽是非线性的，但可用线性近似法分析，转矩平衡方程式为：K1i t_k2 n=黑葡dll……㈩式中：K i：而AM一(公斤力．米／安1；K2一五hM百(公斤力·分／转1对式(．1、与式(2)进行拉氏变换，整理得滑差电机传递函数：U1～_订1一n1TS……………(3、U～订‘‘一n……………～o’}是一1+JGlS／)K2……．．(4) r2《一………L4，式中：T=L衰(秒)．JG=案根据式(3)和式(4)可给出其数学模型如图5所示。由图5可见，滑差电机总的传递函数是由两个惯性环节(励磁电路惯性环节与机械环节)串联而成，当转速较低时，K2≈0，无负反馈，形成惯性环节与积分环节串联的通路，因而是不稳定的，必须采用负反馈才能使系统稳定。图5滑差电机数学模型由于可控硅控制角o【与输出电压平均值Ud的关系是非线性的，即Ud=Ud。Cos0c。可采用线性方法来分析。因可控硅是一开关元件，一经触发导通后，若改变触发脉冲的相位或让脉冲消失都不影响输出电压，必须等到下一脉冲到来时才能改变输出电压的大小，因而出现失控时间，为此引入一个时滞平均值百(其值与交流电压频率整流相数以及整流方式有关)。于是得可控硅的传递函数为：WscR㈣=导{：导_KS础“s式中：Ud(S)、0c(s)一分别为可控硅整流器输出电压平均值和控制角的拉普拉斯变换式；癌Kscx一可控硅整流器的传递系数(伏／度)，其值可用求微分小增量的方法或通过计算与实验得出．将eT5展开成幂级数，忽略高次项，则有 e卅8≈南于是可控硅的传递函数变为： w黜(s)一卉警即可用一个惯性环节的传递函数来代表SCR的传递函数。由于下值很小(仅几个毫秒，特别是当电源频率高时)，有时可忽略其影响，而把可控硅看成一个放大环节。其触发电路为一比例环节：击2KK式中：UK为控制电压。四、调速系统的动态校正自动调节系统的动态校正，离不开串联校正与反馈校正。在串联校正中，以往多是采用RC四端网络，但控制精度低。本调速系统采用高品质运算放大器，它可构成各种类型的调节器，使系统的动态性能可满足较高的要求。为进一步改善由调节器串联校正所得的二阶或三阶典型系统的瞬态响应性能，应用微分反馈校正，可以有效地解决瞬态响应超调量与快速性之间的矛盾，以增强系统抗扰动能力，故选用PID作本系统的校正环节。PID速度调节器如图6所示。图6PID速度调节器五、检测装置本系统检测部分主要是转速测量．它是测速系统的关键。为了将速度输出与速度给定相比较并给予直观显示，必须对滑差电机转速进行精确测量。为此，可通过各种形式的传感器进行模一数转换。速度转换目前用得较多的有两类，即电磁感应式与光电耦合式。前者又分三相中频永磁式交流测速发电机与脉冲测速发电机(又称磁阻变送器)，其输出脉冲的幅值和频率都和转速成正比，这对数字系统是非常有利的。但磁阻变送器应用于滑差电机中有一致命弱点，即受转差离合器漏磁影响严重，会使其线性度和转速指示误差加大，低速时(200转／分以下)，微机接口芯片CTC不计数，故不宜用于计算机系统。光电耦合式是目前广泛应用的速度发送器(见图2)，在滑差电机轴上直接连接一个圆盘又称码盘，在码盘的边上开有小孔。当电机旋转时光源通过小孔照射到光敏元件上，于是产生一系列脉冲信号。经放大整形后，送至速度显示器与微计算机中。设码盘孔数为Z，滑差电机转速为13-(转／分)，则速度发送器的频率为 fc_告(赫)光电式速度发送器测量的转速是没有下限的(即f。咖=0)，上限主要取决子光敏元·27·件的极限频率。通常取发送器的最大频率小于光敏元件时间常数f敏倒数的5～l o倍，即‰。≤(5～i0)未‘敢于是可求出最大转速时对光敏元件所要求的极限频率以及所需的每转脉冲数。每转脉冲数与测量、调整精度有关。精度高，脉冲数多；精度低，脉冲数少。本系统所采用的光敏元件是光电三极管3DU50，整形放大选用JEC一2集成电路，它是检测装置中码盘输入的光电读入电路。当码盘上无孔时，光不能照射光电三极管，JEC一2输出低电平；当码盘上有孔耐，光能通过，JEC一2输出高电平。随着码盘的旋转，有一孔即能产生一个脉冲。集成整形电路】EC一2相当于一个稳压管耦合的三级反相电路。其输入端采用了复合管组成的射极跟随形式，故电路输入阻抗较高，有较高的灵敏度，触发电流小于10微安，电路的放大倍数很大，具有较高的负载能力，‘负载电阻中可流过30毫安的电流，因此能驱动一般小型电磁继电器。这里，主要利用输入信号大于电路触发电压迅速翻转这一特性作整形的。分频电路的设置，主要根据检测系统所发出的脉冲数与所要求的脉冲数是否相符来确定。若两者一致，就不需要分频，不一致就需要分频。本系统为使速度数字显示直观，即电机转一圈显示1，转两圈显示2……．以此类推。故需将每转发10个脉冲变为只发一个脉冲，为此，选用C186任意迸制非同步加法计数器作lO分频用。放大整形及分频电路如图7所示。图7放大、整形、分频电路·28·速度显示采用CL一102集成组合显示器，它由CMOS与NPN驱动管混合集成以及LED七段数码管(磷砷化镓发光二极管)组合构成。它具有计数、复位、寄存、送数控灭、无效零值熄灭以及BCD码信息输出等多种功能。可直接或通过接口与TTL、CMOS、ECL等各种集成电路联用，显示清晰明亮。与其他数字电路相比，最突出的优点是只须单一的5伏电源。六、硬件及其接口电路本系统采用TPSOl微计算机构成控制电路，通过PIO通用接口芯片与外部电路相连。该PIO芯片包含有两路并行的8位输入／输出端口，其中B端口比A端口具有较大的驱动能力。因此，本系统中使用B端口(PORTB)作为输出，用于随动系统中的速度调整。其中PB o—PB3用于加速，PB4_PB，用于减速，而端口A(PORTA的PA。，PAi则用于报警和跳闸，Z8 o—CTC采用中断方式2用于计数工作。TP801单板机所用接口电路如图8所示。由于本系统是模拟控制系统、本应使用A／D及D／A变换电路。鉴于实际线路中，从光电距离传感器检测获得的信号已是脉冲数，它对应活动桥每提升(或降落)l厘米发10个脉两i，即数字量，故不需要采用A／D转换器。而D／A变换也未采用专门的D／A变换芯片，而是使用了SN74LSO4反相器、4N30光电耦合器及解码网络等构成。解码网络如图9所示。图中W-一W8为)调整量整定电位器，其脚标l一4为加速网络。5—8为减速网络。BG l一8三极管基极电位由计算机根据逻辑运算发出控制指令，该指令就是三极管的驱动信号。为了进行电平隔离，防止晶体管导通影响其它信号的正常工作，BG i—s三极管的集电极接在两段输入电阻之间(见图9)。当驱动信号为正时，相应的BG导通，其集电极所接的Q点电位为零，调整量U被钳制无法加到LLT输入端，实现加速。当驱动信号为负时，相应的BG截止，U可加到LLT输入端，进行减速．图8微机接口电路图9解码网络§詈由图8与图9可知，微机控制前PIO，输出端口(PB o—PB，)处于初始40”态．此时光电耦合器GD-一GD4(图上只画出GDl与GD5)截止。连接其上的四个红色发光二极管不亮，Rbl—Rb4为低电平，BG l—BG4截止，+5伏电源电压经电阻分压后能加到运放反相输入端。与此同时，GD s—GD s则导通，所连接的四个绿色发光二极管亮，Rb5一Rb8为高电平，BG5一BG8导通。+5伏电源电压不能经电阻分压后加到运放反相输入端。微机控制时，同步控制信号由PIOB口输出，即从PB o～PB，输出，高电平有效。也就是说，当PB o—PB3中任一输出端被置成“1”态(以PB u为例)，GD-导通。所连接的红色发光二极管亮，Rb-变为高电平，BG，饱和导通。Q1点电位被钳制在0．3伏以下，+5伏电源电压不能通过电阻分压加到运放反相输入端，相当于给调节器输入一个正反^馈信号，使得跟踪机转速nj。当PB a—PB，中任一输出端被置成。l”态(以PB t为例)，GD5截止。所连接的绿色发光二级管熄，Rb5变为低电平，BG s截止。+5伏电源电压经电阻分压后加至运放反相输入端，相当于给调节器一个负反馈信号，使得n z0．在数据入口处采用的GO一100光电耦合器，既是隔离器，又是光电传感器。它由发光和受光器件组成。其参数Ir与Ic分别为发光二级管及光电三极管的工作电流。应用时要求IF>10毫安。这样传输效率高，否则传输效率低。VF为发光二极管正向压降，其值约1．2伏，使用时电源电压必须超过VF的两倍。由于光电耦合器响应速度一般只有数微秒，为整形往往要构成施密特触发电路，如本系统CTC端口就接有74LSl32整形电路。数据输出口则采用SN74LS04与4N30TTL电路，以便在S一1 oo总线上扩展。在外部接口电路的实际设计中，应把抗干扰摆在首位。例如在接口元件的选择上，就其抗干扰能力而言，CMOS优于TTL，这点对微机入口尤其重要，同时被大量试验所。28·。证实．本系统经试验室与现场试验发现，只有输入输出口窜入微机的干扰及电磁辐感应对接口线路的干扰为害较大，为此采用光电隔离是行之有效的。对速度测量用的光电三极管馈线需用金属屏蔽线。因而收到了提高响应速度，抑制信噪比，增强线路抗干扰能力的良好效果。七、软件及其程序设计为了达到同步控制的目的，要求两台滑差电机转速完全一致。为此将光电距离传感器采集的数据(数字量)送到TPsol微处理机，由应用程序加以判断处理。然后从PIO‘送出控制信息，经D／A变换为模拟量，再送入SCR触发电路，控制SCR导通角，以改变跟踪机励磁电流的大小，使转速保持同步。达到预期控制的目的。为了有效抑制干扰，提高控制精度，系统必须实现闭环控制。对微机控制的两点同步导引随动系统，若以l号机为导引机，2号机为跟踪机，当1号、2号机同步时，则l号、2号机转速相等，即n，=112。由于某种原因(负载变化或机械特性及摩阻力不一致)，引起n t^增加，于是将发生以下一系列变化：即n2一^^11 l>n2_+n!一uK!．--．n1=112。最后达到同步。反之，1"1 l、}将引起uKa,I|，直至n1=112达到同步为止。可见为实现导引随动，计算机只需控制2。号机的ilK。也就是说，通过模数转换将两台电机的转速变成数字量进入计算机两个独立的CTC计数通道或PIO通道进行累加计数，计算机定时取数运算，根据位置误差给出相应的函数，对2号机进行速度调整。。在程序框图上给出的方式I一Ⅳ，就是针对不同差值在硬件上所配置的调整量。其中差值的大小及延时的长短均由试验确定。调整量的输入是通过解码网络实现的(见图9)。·30·当光电距离传感器不断把检测采集的数据送入微处理机TP80l进行处理时，如果出现两台滑差电机转速差值超过某一定值时(该值由同步精度确定)，则由PIO端口PA0、PA1发出相应的报警或跳闸信号。由于计算机运算速度很快，而滑差电机及负载均包含隋性元件，有较长的暂态过程。因此。只能间隔一段时间对系统进行调囝l0系统程序框图圉11程序框田

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