6RA70全数字调速系统的分析

16RA70全数字调速系统的分析师红吉摘要：文章概述了SIEMENS公司的6RA70直流调速装置的硬件及软件原理，对部分硬件电路进行了细致的分析。关键词：6RA70装置硬件原理软件原理直流调速原理1．概述自从20世纪80年代中后期，德国Siemens公司推出SIMOREGK6RA22以来，到现在又相继推出了6RA23、6RA24和6RA70。他们的共同特点是采用单片机开、闭环控制、逻辑运算、故障诊断、参数设置、状态故障显示。当在主机板上加上扩展模板时，则可实现与其他自动化系统的通讯能力，或完成特殊的控制能力。6RA24采用的是Intel的16位单片机80C97,6RA23采用的是Intel的16位单片机80C196KC。由于单片机本身的性能没有太大的改进，6RA23与6RA24基本相同，如同步信号取自控制回路，因此要求控制回路相序与主回路相序要严格一致，这样在现场调试中就很不方便。另外，从严格意义上讲，6RA24和6RA23并不完全是全数字装置。因为6RA22的励磁电流控制环是模拟线路，而6RA23的励磁是不可控的，这主要是单片机性能的原因。6RA70采用的时Siemens公司自身开发的单片机80C166,它的性能要比Intel80C196KC高的多，因此，6RA70装置无论在性能和功能方面都比6RA24、6RA23有了很大的提高。特别是在6RA70种，同步信号取自主回路，这样主回路相序与控制回路相序就没有关系了，随便怎么接都可以。6RA70采用的是C166家族的80C167和80C163，他的性能与6RA24基本一样，当功能更多些。由于工作的原因，作者对以上几种装置的软件和硬件都有深刻的了解，下面主要对6RA70装置作些分析。22．单片机系统线路8066是16位单片机，它是C166系列的一种，最高时钟为40MHZ，它执行指令采用4阶段管道方式（4-StagePipeline）。即每条指令的执行分4个阶段，每个阶段的执行时间为一个指令周期，但同一时刻可以执行4条指令，这4条指令处于不同阶段。因此从表面看，每条指令的执行，仅需一个指令周期。在CPU的频率为20MHZ时，每个指令周期为100ns。80C166具有32个中断源，16级中断。另外，80C166集成有10路A/D转换，启动一次可以把10路A/D转换都执行完，并保存在指定的存储区内，期间几乎不需要CPU的干预，这主要得益于它的PEC（PeripheralEentController）。80C166还集成有16路捕获/比较单元，2个多功能的通用定时器，2个串口（USART）等等。P0口16根地址线，使80C166的最大寻址空间为256K。P5口除了作为A/D转换的模拟输入口以外，也可以作为普通的双向口，在本装置中，主要用于主回路的交流线电压、直流侧电压、电枢电流、测速机反馈和励磁回路线电压的模拟输入。P1口为双向口，作为开关量的输入输出。P2口为捕捉/比较单元的输入输出，在本装置中，用于主回路脉冲和励磁回路脉冲的输出。专用芯片主要处理码盘反馈，高精度A/D转换和开关量输入等。框图如图1。380C16627C102428C6462256X2专用芯片162573X2P4P0P11616GALX2245X2P210P5开关量输入/输出模拟输入图1单片机系统单线图3．软件功能概述6RA70软件不仅实现了调速装置的所有调节功能，而且有大量辅助功能、提供了极佳的用户界面、极强的自适应和扩展能力。与6RA24、6RA23装置软件比较，软件整体结构大致一样，主要有主循环和中断各部分组成，其中中断程序又分成电枢回路中断和励磁回路中断程序。3．1主循环图2中主循环体每20ms执行一次，它完成了所有的辅助功能。其中系统初始化，包括对一些临时变量区清零，以50HZ电网的假设对一些变量赋初值，检测EEPROM等等。4延时20ms循环处理子程序集开始系统初始化起动电枢控制中断起动励磁控制中断起动动显扫描开始图2主循环框图子程序集包括：检测EEPROM,比较RAM是否与EEPROM区相等；串口通讯；键盘，显示及恢复出厂值；P参数刷新；电机接口；故障检测；优化设定；功率部分I2t监视；串口PKW处理；双端口RAMPKW处理；磁场反向控制。3．2中断程序电枢电路中断控制程序循环时间为电网周期的1/6，励磁回路中断控制程序循环时间为电网周期的二分之一，其中A/D转换的首次起动是在电枢回路中断程序中完成的。以后每0.25ms循环一次。电枢回路中断程序包括：存储跟踪信号；开关量输出；模拟量输出；优化；码盘反馈；双端口RAMPZD处理；自由功能快；工艺调节器；电动电位器；斜坡函数发生器；模拟量输入；串口PZD处理；开关量输入；速度调节器；电流调节器；电流预控；脉冲形成。励磁回路中断程序包括：EMF的预控；EMF调节器；励磁电流调节器；励磁电5流预控；脉冲形成。3．3同步实现同步信号检测入图3，图中U、V、W三相进线室通过脉冲变压器与主回路连接的。线电压UV经过差分放大器N1衰减再加上一个偏置电压后，输入到80C166的P5.6端进行A/D交换。A/D采样周期为0.25ms，这样对于50HZ工频电网，一个周期内采样80次，因此数字量完全可以真实的反映电网的变化情况，通过A/D变换得到的数字量再减去一个恒定的数字偏置值就得到了UV、VW线电压的真正数字值。比较本次采样值与上次采样值的符号，以便求出电网的实际电压有效值，用于欠压、过压以及电流预控中使用。如果符号不同，说明在上次采样与本次采样之间线电压经过了过零点，根据上次采样的时间、数值大小、以及本次采样的时间、数值大小，用线性插值的方法就可以求出电压过零点的时刻。W4390kUV4390k4390k3.3nF2.2k3.3nF+-N227k2.2k3.3nF+-N127k2.2k2.2kP5P5.5P5.62.2kP5图3同步信号检测如果本次采样值为正，说明此过零点为从负到正，反之为从正到负。这样就6求出了UV、VW4个过零点。根据UV+VW+WU=0，因此WU=－（UV+VW），可以求出WU的2个过零点。这样在一个周期内的6个过零点就都求得了。如图4为电网电压A、B、C与装置的端子1U、1V、1W连接时各过零点的情况，图5为电网电压A、C、B与装置的端子1U、1V、1W连接时，各过零点的情况，其中5806H、5808H、580AH、580CH、580EH、5810H为保存各个过零点时刻的内存单元。考虑到α=0点落后过零点60º，减去60º就得到了α=0的时刻，然后加上电流调节器输出的值就求得了各个脉冲的触发时刻。另外通过比较UV、VW的过零点时刻的先后，可以判断主回路接入的是正相序还是负相序。当为正相序时，P2.8=L；当为负相序时，P2.8=H.5806H5808H580AH580CH580EH5810H5806H图5主回路接线为负相序过零点1W1U1VCA1U1VBC5806H5806H图4主回路接线为正相序过零点580CH5808H580AH5810H580EH1V1U1VAC1W1UBA3．4脉冲合成6RA70装置与6RA24、6RA23装置不同，单片机输出的并不是用于触发晶闸管的脉冲信号，而是一些周期变化的信号和开关量信号，这些信号经过GAL逻辑运算才生成脉冲触发信号。73．5故障查询和故障指示当出现一个故障或报警信息时，他将在简易操作控制面板（PMU）和舒适型操作控制面板OP1S上显示。在PMU上显示F加三个数字，红色LED（故障）亮；在OP1S上显示在工作下一行，红色LED（故障）亮。它总是显示一个现实的故障信息，而其他同时存在的故障信息被覆盖，多个故障信息仅在一定的工作状态下被激活。当出现一个故障信息后，系统做出如下响应：电枢回路电流减小，触发脉冲被封锁且SIMOREG进入工作状态o11.0（故障）。在操作面板上显示故障信息B0106置位且抹去B0107自行修改内部变量，如r047、r049、r947、r949等等在报警原因消失后，报警信息立即终止，但是在故障原因消失后，必须按下PMU上的P键或OP1S上的复位键（面板处于“工作显示”状态）消除故障信息。关于故障原因更详细的内容可在参数r047中查到。在r047.001中的值称为“故障值”。它存贮在r949中，它也包含属于老故障信息的故障值。当发生下一个故障信息时，在r047中的值重写。当r047的值没有包含在表中时，SIEMENS专家能帮助你找出故障原因。为此，每当发生一个故障信息，甚至如果参数r047的各变址的意义不能说明下表每个故障信息意义时，r047参数的所有变址应被读出。所以遇到任何故障信息时要注意参数r047所有变址内容。4．6RA70直流装置简要调试步骤4．1系统设定值复位及偏差调整8用PMU执行功能P051=21（P051=22偏差调整同时进行）,或在PC中调用缺省的工厂设置参数构成基本参数文件,凡是下文中未提到的参数都利用缺省参数,参数值见手册，用P052=0显示那些与初始工厂设置不同的参数。合上装置控制电源执行功能P051=22,偏差调整开始,参数P825.II被设置。上述两步在合上装置控制电源的情况下即可完成。4．2整流装置参数设定P075=2整流器电枢电流被限制在P077*1.5*整流器额定直流电流,当电枢电流达到允许值时,故障F039被激活,本参数根据电机额定参数值和使用工况,从保护装置过载的角度出发进行设置.P078.01=630V主回路进线交流电压,作为判断电压故障的基准值P078.02=380V，励磁进线电压作为欠压或过压的判断门槛电压,相关参数见P351,P352,,P361-P364.4．3电机参数设定P100(F)=额定电动机电枢电流(A)P101(F)=额定电动机电枢电压(V)P102(F)=额定电动机励磁电流(A)P103(F)=最小电机励磁电流(A),必须小于P102的50%.在弱磁调速场合,一般设定到防止失磁的数值.P110(F)=电枢回路电阻(Ω),由优化过程自动设定P111(F)=电枢回路电感(MH),由优化过程自动设定P112(F)=励磁回路电阻(Ω),由优化过程自动设定P114(F)=电动机热时间系数(MIN),根据本参数和P100参数对电动机进行热过载保护.当电机温升达到报警曲线值时触发A037报警,当温升达到故障报9警曲线值时触发F037故障,缺省值10MIN.P115(F)=电枢反馈时,最大速度时的EMF(%),以整流器进线标准电压(R078)为基准,设置时应考虑进线电压实际值等各种参数影响.P115=EMF额定值/R078(见功能图,缺省值100),EMF额定值=P101-P100*P110P117(F)=1励磁特性优化有效,优化完后置1.P118(F)=额定EMF(V),EMF额定值=P101-P100*P110P119(F)=额定速度(%)P118,P119是在励磁减弱优化过程中P051=27设置的,当由于P100,P101,P110参数发生变化后,弱磁点也随着变化,不在是P118,实际额定速度=P119*实际额定EMF/P118.当P102变化时,励磁减弱优化重做.4.4实际速度检测参数设定P083(F)=实际速度反馈选择当当P083=1(模拟测速机)时为P741参数值当P083=2(脉冲编码器)时为P143参数值当P083=3(电枢反馈)时为P115参数值所对应的速度当P083=4速度实际值自由连接.P140=0或1，脉冲编码器类型1,两通道互差90度,有/没有零标志，未对编码器波形进行校验前电枢反馈P083=3时，令其为零；编码器反馈时P083=2，令其为“1”。P141=1024脉冲编码器每转脉冲数P142=115V电源供电P143(F)=编码器反馈时最高的运行速度(转/分钟)P148(F)=1使能编码器监视有效(F048故障有效)104．5励磁功能参数设定P081=0恒磁运行方式P081=1弱磁运行方式(必须在弱磁优化后设置)P082=2达到运行状态07后,经过P258的延时,输出经济励磁电流P257.P0