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1、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 SIMOREG K 6RA22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
2、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
3、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-Stage Pipeline ） 。即每条指令的执行分 4个阶段，每个阶段的执行时间为一
4、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（Peripheral Eent Controller） 。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
5、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。380C1627C104865 X专 用 芯 片2573 XP41616GAL X245P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
6、 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。31 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
7、 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 RAM PKW 处理；磁场反向控制。32 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 RAM PZD 处理；自由功能快；工艺调节器
8、；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。5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；励磁电流预控；脉冲形成。33 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
9、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。 W4390kUV4390k3.nF2+-N7k23.nF+-N17k2P5.6P5图 3 同步信号检测6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。这样就求出了 UV、VW4 个过零点。根据 UV+ VW+WU=0，因此 WU=（UV+ VW） ，可以求出 W
10、U 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 =0 点落后过零点 60，减去 60 就得到了 =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
11、时，P2.8=H. 5806HACE5810H6图 主 回 路 接 线 为 负 相 序 过 零 点WUVB5806H5806H图 4 主 回 路 接 线 为 正 相 序 过 零 点CA1EVUWUB34 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7GAL 逻辑运算才生成脉冲触发信号。35 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
12、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 r
13、047.001 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。46RA70 直流装置简要调试步骤841 系统设定值复位及偏差调整用 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
14、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。42 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
15、压,相关参数见P351,P352,P361-P364.43 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(),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(), 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9过载保护.当电机温升达到报警曲线值
16、时触发 A037 报警,当温升达到故障报警曲线值时触发 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
