直流电动机调速（精选11篇）
直流电动机调速 第1篇
关键词：直流调速,变频调速,恒转矩
1前言
某装置喂料系统使用直流电动机带动螺旋输料器向挤压机内连续输送物料, 挤压机螺杆转速决定输送物料的快慢, 即控制直流电动机的转速。近一年以来, 喂料系统连续发生数起停机故障, 造成装置停工。经过反复检查分析, 造成故障频繁发生的原因是由于直流电机与直流调速器严重老化 (其中直流电动机烧毁2次;更换碳刷3次;更换直流调速器1次) , 已不能满足装置正常运行的要求, 因此, 决定将直流调速系统改为交流变频调速系统。
2 交流变频与直流调速的对比
与直流调速系统相比, 利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点, 如节能、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围的高效连续调速控制、容易实现电动机的正反转切换、可以进行高频度的起停运转、可以进行电气制动、可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制、电源功率因数大、所需电源容量小、可以组成高性能的控制系统等等。
在此次改造中, 我们主要看中了交流变频的以下几个优点:
a因为没有碳刷, 交流电动机更便于维护, 防护等级为IP54的防爆异步电动机即可满足现场高粉尘的环境要求;
b交流变频器经过近几年的迅猛发展, 矢量控制的恒转矩变频器其负载性能已经可以与直流系统相媲美, 图一为变频调电动机的转矩特性, 与他励式直流电动机机械特性相似, 可以做到在启动时输出额定转矩。
c结构简单, 改造方便, 原有的仪表控制信号直接连上就可以使用。
由于以上特性, 我们最终决定淘汰原有的直流系统, 改为交流变频调速系统。
3 改造前的技术准备
首先对设备进行了详细的摸底, 此套直流调速系统用于装置的喂料系统, 包括直流电机驱动器、直流电机以及减速机。直流电机型号为L A K 1 3 2 B, 功率4 K W, 电压3 0 0 V, 电流为1 5.2 A, 转速2400转/分, 绝缘等级为F级, 防护等级为IP55;减速机型号为R83/A, 转速比为6 0, 这些参数对于改造相当重要。直流电机控制方式为电枢电流反馈控制方式。由此可见, 系统对于调速的精度要求并不高, 采用直流系统最主要的是为了满足恒转矩的要求。
3.1 异步电动机的功率
根据工艺提供的资料, 正常情况下装置投料在7.3t/h时减速机输出转速为30转/分, 按照物料重量与转速为线性关系推算, 物料投放量在2~10t/h时减速机输出转速应为10~40转/分, 则相对应的电动机输出转速为600~2400转/分。
在实际运行中, 我们很难测定负载的转矩, 而对于恒转矩负载, 转速在额定转速以下调整, 直流电动机的运行电流基本不变 (要求小于额定电流) , 所以电动机的额定输出转矩即为负载可能出现的最大转矩。
根据电动机铭牌参数计算出直流电动机最高转速时输出转矩:
M1=9550 P1/n1=9550*4/2400=15.9N.M
假如我们使用4 K W的2极交流电动机, 其转矩为:
M2=9550 P1/n1=9550*4/2900=13.2N.M<15.9N.M
不能满足生产装置的要求, 因此, 电动机应该选用5.5 K W的2极交流电动机。
M2=9550 P2/n2=9550*5.5/2900=18.1N.M>15.9N.M
3.2 变频器的功率
电动机选定以后, 我们就可以选择变频器了。首先, 根据电动机的选型以及装置所处海拔比较高 (1 6 0 0米) , 变频器功率必须增加一个等级的要求, 我们选择了7.5 K W的变频器。在选择变频器的种类上, 我们必须考虑到负载为旋转喂料系统, 可以近似地看作是恒转矩负载, 而且运行中经常出现低转速、大转矩的情况。因此, 我们必须选用带矢量控制方式的变频器。
4 具体改造方案
4.1 选择合适的电机和变频器进行改造
根据以上计算, 我们选用的电机为佳木斯生产的YBPT系列5.5KW隔爆型变频调速三相异步电动机, 按照原减速机尺寸, 重新加工制作电机基座 (降低原高度) 及电机对轮。电机冷却风扇电源接入原直流机风扇控制系统, 并与变频器开停控制联锁。
变频器采用施耐德Altivar 71系列A T V 7 1 H U 7 5 M 3 (7.5 K W) 恒转矩变频器, 该变频器具有高达220%过力矩的性能, 可以进行在线自整定 (F V C) , 使用其开环磁通矢量控制功能, 在不带速度反馈的情况下就能满足工艺控制要求。按照变频器的尺寸及技术要求, 相应的对电气控制柜进行了改造, 因为变频器比老型号的直流驱动器要小, 再加之电源、开停控制、速度给定均相近, 因此改造工作比较简单。
4.2 变频器的参数设定
施耐德Altivar 71有近540个参数, 可以完成150种不同的功能。我们要针对实际的应用, 参照说明书对特定的部分参数进行设定, 就可以使变频器发挥出理想的效果。并且, Altivar 71还提供了简单启动设定和宏设定, 这样就大大简化了参数设定的工作。对应于本次改造的参数设定, 因为其应用于恒转矩负载, 所以基本符合变频器的出厂设定值。输入电动机铭牌参数, 进行“自整定”操作, 完成后再对几个重要参数进行修改就可以试运行了。
a由于以前的系统使用的是0–10V的速度给定信号, 因此必须改变模拟量输入A L 2的类型为“1 0 V电压”, 并设定其最小值为0 V。
b为了保证称重系统的准确性, 就必须使电动机尽量的快速启动和停止, 因此我们增加了“电机预磁”及“直流制动”两项功能, 确保在极短的时间内完成加减速, 而不引起“过电流”和“过电压”故障。
c以前经常发生物料结块后在通过螺旋送料器时卡住, 并使螺杆断裂的故障, 因此我们使用了“电流限幅”功能。需要注意的是电流限幅的值不是设定的越小越好, 设定小了可能造成系统经常停车。我们可以通过螺旋送料器所能承受的最大转矩反算出电动机的最大电流加以设定。
经过大家的努力, 我们只用了1天的时间就完成了安装和调试, 新的变频调速系统投运半年来没有发生任何故障, 完全达到了工艺的要求。
5 结束语
随着交流变频的不断发展, 低效率、难维护的直流调速系统必将被淘汰。对于生产中所使用的老旧直流系统, 改造时一定要注意负载的特性, 根据不同的负载, 选用不同的电机及变频器, 在使用上述方法还不能满足的情况下可以适当增加电机及变频器功率;对于速度精度要求比较高的, 可以考虑加装速度反馈系统, 最终一定能够得到满意的效果。
参考文献
[1]汪国梁主编.电机学.机械工业出版社.1981年
电梯门机直流调速装置设计 第2篇
【摘 要】本文介绍了电梯门机的技术要求，并就采用直流调速还是交流调速做出了比较，最终采用了直流调速装置。根据设计要求最终采用了串电阻的调速方法，很好的满足了技术要求。
【关键词】电梯门机；直流调速；电阻
0.引言
随着现代化城市的高速度发展，为节约城市用地和适应经贸事业迅速发展的需要，一幢幢高楼拔地而起时，电梯这种工具也随之进入了人们的日常生活中。
为了适应高层建筑多用途全功能的需要。出现了智能大厦。智能大厦要求大厦主要垂直交通工具——电梯智能化。智能电梯就是利用推理和模糊逻辑，采用专家系统方法制定规则，并对选定规则作进一步处理，以确定最佳的电梯运行状态。同时，及时向乘客通报该梯信息，以满足乘客生理和心理要求，实现高效的垂直输送。一般智能电梯均系多微机控制系统，并与维修、消防、公安、电信等部门联网，做到节能、环境优美，实现无人化管理。
1.电梯的电气控制系统
电梯的电气控制系统由控制柜、操控箱、指层灯箱、召唤箱、限位装置、换速平层装置、轿顶检修箱等十几个部件，以及拽引电动机、制动器线圈、开/关门调速开关、极限开关等十几个分散安装在电梯井道内外和各相关电梯部件中的电器元件构成。
电梯的控制系统决定着电梯的性能、自动化程度和运行的可靠性。随着科学技术的发展和技术引进工作的进一步展开，电梯控制系统改进换代迅速。在国产电梯中，在中间逻辑控制方面，已经淘汰了继电器控制，采用了可编程控制（PLC）和微机控制。在拖动方面，除了速度V〈=0.63m/s的低速梯仍有部分产品采用交流双速电动机变极调速拖动外，对于速度V〉=1.0m/s的各类电梯中，均已采用交流调压调速和交流调频调压调速的拖动系统。
2.电梯的门系统
门的关闭、开启的动力源是门电动机，通过传动机构驱动轿门运动，再由轿门带动层门一起运动。根据电梯的使用要求，可以选择适当的传动系统。传动机构应满足：安全可靠、运行平滑、噪声小、重量轻和体积小等要求。从安全考虑，门在平均关门速度下的动能应不超过10J，阻止关门力应不超过150N。
门机一般设在轿厢顶部，门电机的控制箱也设置在轿厢顶部。根据开关门方式，门机可设在轿顶前沿中央或旁侧。电动机可以是交流的也可以是直流的。
2.1电梯门电机控制系统
这部分主要由门电机控制器＼门电机驱动装置以及门电动机等组成。其中门电机控制器主要用来控制门电机，使其沿给定门机曲线运行，以快速、安静、准确的开关电梯轿厢门和厅门。这部分如同一个小型的电机拖动控制系统。
2.2电梯的门结构
此部分主要由门扇、导轨、厅门门锁等构成，目前主要采用单扇门和中分门两种结构。为了提高门系统的快捷性，高性能的电梯系统多采用中分门结构。其中门扇必须具有坚固、防火的特点；导轨用来支撑门扇，故必须表面光滑、坚固且足够大，以便门扇可靠的移动；厅门门锁必须满足安全要求，当门扇到达关门点时应及时的锁住门。这部分对乘客安全非常重要。
2.3安全检测
在电梯控制系统中，为了避免乘客被正在关闭的门扇伤害，在门系统中大都设置安全检测系统，以检测关门时是否还有乘客从电梯门上通过。当轿厢门正在关闭时，如果此时有乘客欲进、出入电梯轿厢（包括乘客位于轿厢门前某段距离或乘客阻挡轿厢门关闭），则轿厢门应该停止关闭，且重新打开。目前的安全系统主要大都采用光电式装置（如光敏元件），也有的采用电磁式装置。
2.4乘客检测系统
在一些高性能的电梯系统中，都设置了大厅内乘客检测装置，确定乘客是否全部进入电梯。当乘客或物体仍在门检测区域内时，电梯的门系统能自动延时关门，确保乘客全部进入电梯。目前主要采用光电装置和热敏装置来检测乘客或物体。有的门机系统还采用热敏电磁装置和图象采集系统检测乘客或物体，由于受到性能和成本的限制，应用的并不多。
2.5过载保护装置
有的门系统设有门过载保护开关装置，当电梯在开关门过程中，因轿厢门受阻而导致动作力矩过大，梯门会自动向反方向动作，从而达到保护门电机的作用。
2.6速度度曲线及运行过程
电梯门机系统的速度曲线如图。速度曲线大致可分为四个阶段：加速阶段、匀速阶段、减速阶段和厅门锁定阶段。t1-t2时间段为加速阶段；t2-t5为匀速阶段；t5-t6为减速阶段；t6-t7为门锁定阶段。以关轿厢门为例，在t1时刻，门电机得到控制信号（一般为脉冲信号），經过一段时间延迟，轿厢门开始动作，一直到t2时刻，此段时间为加速阶段，其运行距离一般较短。从t2开始到t5时刻，为匀速阶段。此时，如果有乘客在轿厢门前一定距离内或者在门扇中间阻挡轿厢门的关闭，则电机得到一个脉冲信号，则电机提前进入减速阶段，如t3、t4时刻所示，然后反转，轿厢门从新打开。直到全部乘客进入轿厢，从时刻t5开始进入减速阶段。在t6时刻，轿厢门实际已经关闭。在t6-t7的门锁阶段，电机继续转动，轿厢门被压紧，门刀关上，同时通过机械结构关闭厅门。直到t7时刻，电机停止转动。门关闭过程结束。
为了防止电梯运行时厅门打开而出现危险，一般在电梯运行时还有强行关闭厅门的措施，即电梯运行时厅门不可轻易打开。目前主要有两种措施实现这种功能：一是让门电机堵转，压紧两扇厅门：二是采用电磁结构，厅门关闭后通过电磁力令两扇厅门紧紧闭合，不能轻易打开。
以上简要叙述了电梯门系统的组成和功能.在电梯门系统中，还有一个重要的问题就是门保持时间的选择.因为门的保持时间过长，会影响电梯的运行效率，而保持时间过短又不能保证乘客全部安全的进入轿厢。因此应对门保持时间进行很好的选择：在保证乘客全部安全进出电梯的情况下，尽可能的缩短电梯开关门时间。目前较好的方法是采用相对时间自适应控制方式。
3.电动机的选择
电梯门机控制系统要使电梯门开关动作时快速起、停、加速、减速，且运行平稳，到位准确。要实现这个目标，需解决好电机的选择问题，控制电路的选择及设计问题，以及电机的控制策略问题。
众所周知，在所有的电机中，直流电机的调速特性最好，但其不可避免的有刷结构制约了其应用场合。在工业生产中大量应用的交流异步电机虽然控制简单，却有着调速精度不高的问题，而交流同步电机存在着控制复杂，容易失步的缺点。相对而言，直流电机有着交流电机不具备的优点。
4.电梯门机原理图及分析
4.1原理图
4.2工作原理：
A.开门步骤
先将门关好。
按下开门按钮SB-K，继电器JKM线圈得电，JKM1常开触头闭合自锁，JKM2常开触头、JKM3常开触头、JKM4常开触头闭和。电机DM得电正转，带动凸轮转动，当轿门开到距中线L1处时，凸轮OA1的触点开始闭和，切除电阻DOR的3-4段，转速变大，当轿门开到距中线L2处时，凸轮OD1的触点断开，接通电阻DOR2-3段，电阻变大，转速变小。当门开到距中线L3时，凸轮OD2的触点闭和，接通电阻D2的一部分，转速又加大一点。最后门开到全开位置，凸轮DOL的触点打开，断开开门继电器JKM，JKM线圈失电，JKM常开触头恢复断开，常闭触头恢复闭和。开门过程结束。
B.关门步骤
从开门位置调试。
按下关门按钮SB-G，继电器JGM线圈得电，JGM1常开触头闭合自锁，JGM2常开触头、JGM3常开触头、JGM4常开触头闭和。电机DM得电反转，带动凸轮转动，当轿门开到距中线L5处时，凸轮CA1的触点开始闭和，切除电阻DCR的3-4段，转速变大，当轿门开到距中线L6处时，凸轮CD1的触点断开，接通电阻DCR2-3段，电阻变大，转速减小。当门开到距中线L7时，凸轮CD2的触点闭和，接通电阻D2的一部分，转速又加大一点。最后门开到全开位置，凸轮DCL的触点打开，断开开门继电器JGM，JGM线圈失电，JGM常开触头恢复断开，常闭触头恢复闭和。关门过程结束。
5.结束语
随着社会的发展和科技的進步，对于电梯的需求量越来越大。进一步提高电梯可靠性和现场调试的要求，是电梯控制技术的方向。随着电梯控制技术的迅猛发展，对电梯门机的要求也越来越高。 [科]
【参考文献】
[1]王风喜，杜秋平，徐游.电梯使用与维修问答.机械工业出版社，2003.8.
[2]李发海，王岩.电机与拖动基础.清华大学出版社，1994.6.
[3]赵士滨.现代电工技术疑难解答.广东科技出版社，2003.1.
直流电动机调速 第3篇
关键词：晶闸管,电动机,直流调速系统,故障,对策
1 概述
晶体闸流管简称晶闸管是一种由三个PN结构成的大功率半导体器件, 在七十年代出现, 晶闸管的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管具有硅整流器件的特性, 能够在高电压、大电流条件下工作, 并且工作过程可以被控制, 由于这些特点晶闸管被广泛的应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。目前, 在实际产品的电路中, 晶闸管元件已经被广泛的应用到了调温、调光、自动控制系统等领域。
2 电路的结构和主要测试点
电路原理图如图1所示。其中图1 (a) 包含了主电路, 电压反馈电路和触发脉冲电路的输出环节;图1 (b) 是触发电路, 速度给定电路的主体;图1 (c) 是直流电动机的励磁回路;图1 (d) 是速度反馈环节。在安装结构上, 图1 (a) 和图1 (c) 的元件安装于电路板A, 图1 (b) 和图1 (d) 的元件安装于电路板B, 如图2所示。机组和转速表另行组装。
当把有的相连的点确定为特殊测试点时必须根据电路的工作情况以及电路的工作原理模式, 而且在测电压波形或电压值时必须在工作状态正常的时候。
(1) 关于电路测速点的情况。图1中, 没有代圆圈编号的1~12就是一些比较重要的测试点。
(2) 重要测试点及测试方法: (1) 以0为参考点的是测试点0~10;以11为参考点的测试点是11~12。 (2) 用万用表或市北区测量的是1~2;用万用表测量的是3~8和11~12;必须用示波器测量的是9~10;通常, 用示波器的跟踪方法来进行测量。 (3) 和电网没有隔离的测试点有E1~E2和U+~U-, 它们的电压都较高, 因此, 为了保证测量的安全性, 测量时不能用示波器。
(3) 参考电压值:下面的直流电压值是器件正常且电路安装没有发生错误而测出来的, 对电路进行检修时, 通常用比较法:电压值在32~34V的是U0-1;电压值大约是17V的是U0-2;电压值大约是20V的是U0-3;
调节数值时可以通过RP2的是:U0-4 (约为0~20V) ;U0-5 (约为0~1.4V) ;U0-6 (约为0~1.4V) ;U0-7 (约为20~15V) ;U0-8 (约为20~15V) ;
和晶闸管导通角有关的是:U11-12 (约为2~12V) ;UU+-U- (约为0~170V) ;
空载大约为300V的是UE1-E2。
图3中的正弦波、梯形波、锯齿波和脉冲是示波器对1、2、9、10四个测试点进行测试后而得出的。
3 分析直流电动机调速的电路故障
3.1
对于刚装好的电路, 一定要特别注意由于人为而产生的可能性故障现象:安装B板之后, 把电源接通, FU很容易就被烧坏了。分析:很可能是因电路短路而造成。此时, 一定要详细观察电路中是否发生短路, 整流桥中的二极管和各个电位是否发生了不同程度的连接, 另外还要检查其极性的连接是否发生了错误。结果都没有发现问题, 后来才知道原来是因为某导线和线芯部分有连接而导致的。
3.2
对某些线路发生故障的现象用测量法和逻辑分析而得出结论:原本运行没有发生错误的某电路板, 在运行时电压降到0。分析:可能是自然故障。由于A、B两块电路板都有可利用的相同部件, 于是换了一块性能良好的A板, 可是还是没有把故障解决。由此可知, 发生故障的是B板。对B板电路中1~8测试点进行测试, 为了有效简化电路控制环节, 可用开关 (7) 、 (8) 作为短接反馈方式。
对电位器RP2进行各种合适调节及配合, 分析各电压的变化情况都符合电路的工作原理, 可断定信号放大环节、信号给定环节以及电路的电源都没有发生故障。
对测试点9和10进行测试时都用示波器, 然后发现它们的波形图分别是一条直线以及VP-P值为0.4V的梯形波, 而且, 无论RP2如何旋转, 波形都没有发生改变。此时要缩小故障点至锯齿波, 以使其和电路相互吻合。
对在移相电路上的测试点9以及在脉冲环节上的是测试点10进行分析。检查这两个测试点的表面时没有发现异常情况。其中, 倘若R13、R14、R15值的改变仅仅会使脉冲和锯齿波的导通角发生改变, 那么它们输出的电压不会是0V, 产生的也不会是波形直线。因此, 必须把故障范围缩小到三个管子:V1、V2、C7。
结合RP2调节, 用万用表直流电压档对R15二端电压进行测量时, 可检测到电压的改变情况, 表明V2能电流进行有效放大, 在V1或C7中可能有故障元件。因此, 拆下C7作检查, 确认C7击穿。替换后, 不再存在故障。
晶闸管—直流电动机通常在触发电路中触发环节中发生调速电路故障。脉冲耦合、脉冲形成以及锯齿波发生器都是触发环节的组成部分。
如图4, 光耦DT的工作电源是C6、VD4、R8、VD22, 脉冲形成的有V1、R13、R14, 组成移相电路的有V2、C7、R15, 触发脉冲输出与耦合的有R6、R7、R12、DT。
某些器件的性能参数的质量优劣 (如P-N结特性的改变、单结晶体管的分压比改变、光耦的传输比改变等) 都会导致这部分电路发生故障, 对器件的质量用万用表电阻法进行判断分析也不能准确地说明并发现问题。因此, 用替代法对器件质量进行分析是最简便快捷的。表1就反映了此部分移相电路和脉冲形成波形的测试情况及对相关问题的说明。
3.3 对主电路故障的分析判断。
如图5, 可控整流主电路主要由SCR1、SCR2和VD1、VD2组成, 保护主电路的整流元件是R2~C5、C2和R5。而组成电源高频过电压保护电路的是R1和C1。
此电路采用的是半控桥运行控制。晶闸管换相时的电压对晶闸管有一定的损坏作用, 因此, 把C5、R5、C3和R3进行并联, 并根据电容两端电压不能突变的特点对此电压进行控制能对品闸管进行有效保护。
为了防止整流输出电压过低, 可不在交流电源侧装接进线电抗。
其中, 使电压以0~120V的半波输出的情况有:脉冲耦合电阻R6、R7和SCR1、SCR2、VD1、VD2中有某只引脚虚焊或有某一管子发生断路。需留意的是如果二极管中某只管子击穿或接反都会导致电路发生短路。
4 结语
综上所述, 晶闸管直流调速系统具有控制方便、运行噪声小等优点, 在工业生产上, 晶闸管直流调速系统将获得越来越广泛的应用, 快速性好、效率高、经济性好、体积小。但是要在电路故障检修中达到准确、快速确定故障点, 还是需要掌握比较完整的基础知识, 并作出相应合理, 便捷的处理, 综合运用故障检查的多种方法才能提高工作效率。
参考文献
[1]丁元杰.中小型直流电机可控硅调速[M].上海:上海科学出版社, 2008, 8.
[2]李雅轩, 杨秀敏, 等.电力电子技术[M].北京:中国电力出版社, 2004.
直流电动机调速 第4篇
1：列写SPWM控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形和电机工作情况
SPWM
30HZ
同步调制
CH1=20.0mv
CH1/23.2mv
CH1=50.0mv
CH1/314mv
CH1=200mv
CH1/1.15v
SPWM
30HZ
异步调制
CH1=20.0mv
CH1/124mv
CH1=200mv
CH1/1.12v
CH1=5.00v
CH1/31.4v
SPWM
30HZ
混合调制
CH1=10.0mv
CH1/62.8mv
CH1=100mv
CH1/628mv
CH1=100mv
CH1/31.2v
2：列写电压空间矢量控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形和电机工作情况
SVPWM
50HZ
同步调制
CH1=10.0mv
CH1/62.8mv
CH1=10.0mv
CH1/31.2v
CH1=5v
CH1/27.4v
SVPWM
50HZ
异步调制
CH1=10.0mv
CH1/62.8mv
CH1=100mv
CH1/560mv
CH1=5.00v
CH1/27.2v
SVPWM
50HZ
混合调制
CH1=10.0mv
CH1/62.8mv
CH1=50.0mv
CH1/27.2v
CH1=5.00v
CH1/27.2v
SVPWM
30HZ
同步调制
CH1=10.0mv
CH1/65.2mv
CH1=50.0mv
CH1=100mv
CH1/652mv
SVPWM
30HZ
异步调制
CH1=10.0mv
CH1/65.2mv
CH1=50.0mv
CH1/326mv
CH1=5.00v
CH1/27.2v
SVPWM
30HZ
混合调制
CH1=20.0mv
CH1/130mv
CH1=50.0mv
CH1/326mv
CH1=5.00v
CH1/27.2v
3．调节低频补偿度，列出电机能均匀旋转的最低工作频率。
0.2Hz,0.12Hz 4．SPWM控制，电压空间矢量控制，不同调制方式时的电机气隙磁通轨迹，定子电流及电机平稳性与噪声比较。
电压空间矢量控制与SPWM控制相比较，电机气隙磁通轨迹，效果更加的明显，电机更加的平稳，噪声更小。同步调制，异步调制，混合调制定子电流越来越小，电机越来越平稳，噪声越来越小。
七．思考题
1．低频时定子压降的补偿度是否越大越好？过大了会造成何种不良结果？应该如何调节才算恰到好处？
不是越大越好。端电压提高过大，会使转矩过大，使得磁通太强，使铁芯饱和，导致励磁电流过大，严重时因绕组过热会孙桓电机。2．SPWM控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，那么电压空间矢量控制的目标是什么？它与SPWM控制相比，有哪些特点？ SVPWM的目标是电动机空间形成圆形旋转磁场，能产生恒定的电磁转矩。在每个小区间虽然有多次开关切换，但但是每次开关切换仅涉及一个器件，所以开关损耗小；利用SVPWM直接生成三相PWM波，计算简单；逆变器输出电压基波最大值比PWM的输出电压高15%。3．设单相输入的交-直-交变频调速系统的直流母线电压为310V，按SPWM控制时电机线电压的最大值为几伏？如要达到电机线电压为220V有否可能？如何实现？
浅析变频调速电动机的设计特点 第5篇
关键词变频；调速；电动机；设计
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)051-0110-01
紧跟现今变频技术发展的潮流，利用变频技术的电动机的动态性能得到更明显的增强。现今各个领域的工业，由于运用变频技术的电动机，本身具备的简便构造、物美价廉、经久耐用、操作可靠、便于维护等等优势，同时，还表现在容量大、转速高、安全性高等方面，已得到广泛的应用。通过与变频器供电相融合的特点分析，围绕电机的发热冷却、噪声、振动和转子轴电流，全面的了解变频调速步电动机的设计特点。
1电动机受到变频器供电的具体影响
1）变频器供电对电机绝缘结构的影响变频器输出的波形不是正弦波而是脉宽跳变冲波。较高的变频器元器件的开关频率，一定程度上会造成较高的变频器输出电压对应值。变频器供电时，电机线圈承受很高的电压上升率，相当于线圈反复承受电压陡度很大的冲击电压。冲击电压作用在线圈的首末匝的引线上主要影响匝间绝缘。
线圈承受冲击电压时，由于电离作用在绕组绝缘气隙中以及绕组主绝缘表面上会产生大量空间电荷。当电压极性改变时，空间电荷产生的电场与外加电场相迭加形成一个很强的电场。电荷在电场的作用下在绕组匝间绝缘和主绝缘上产生局部放电现象。由于脉宽跳变冲波的频率很高，电压陡度大，导致变频调速电动机绝缘系统局部放电的数量远远大于一般工频异步电动机，从而加速了变频调速电动机的绝缘老化。
另外，当电机绕组匝间发生局部放电时，会使绝缘中分布电容所储存的电能变为热、幅射、机械和化学能，从而使整个绝缘系统劣化，绝缘的击穿电压降低，最终导致绝缘击穿。
由于变频器供电对电机主绝缘的影响主要取决于脉宽跳变冲波幅值的大小，而电机主绝缘的击穿电压较高，因此变频器供电对电机匝间绝缘的影响更严重一些。
2）电机效率和温升受到谐波的影响。由于在变频器输出中含有不同程度的谐波电压和谐波电流，造成电机端输入的电压、电流为非正弦。虽然随着电力电子技术的发展，变频器输出中的低次谐波几乎为零，但还是不可避免地有大量的高次谐波输入变频电动机中。高次谐波的存在引起电机的定子铜耗、转子铜耗、铁耗和附加损耗的增加，这些损耗的增加又导致了电机效率降低和温升升高。
3）电机噪声和振动受到的影响因素。变频供电时，由于变频器中的各次谐波与电机电磁部分的固有谐波相互干扰形成电磁激振力。当电磁力波与电机结构件固有频率一致或接近时将产生共振现象。变频电机调速范围大很难完全避开电机结构件的固有频率。因此，变频调速电动机的电磁噪声和振动比一般工频电动机要大。
4）冷却变频电机的表现。采用自扇冷却方式的变频电动机在恒转矩调速时会有通风冷却问题，造成电机低速时温升过高。分析下来主要有以下原因:
首先电机转速向下调速时，同轴风扇所提供的风量与电机转速的三次方成比例减小，散热效果大大降低。
其次，电机基速以下为恒转矩调速，电机功率随转速降低成线性关系下降，因此电机向下调速时，发热量的下降速度远远低于冷却风量的下降速度。
另外，变频电动机在低速运行时由于电机阻抗不理想需要进行低压电压补偿。而低压电压补偿往往导致铁心磁场饱和，磁场饱和后空载电流增大使得电机发热加剧。
因此，自扇冷却方式不适用于有调速要求的变频电动机。变频异步电动机一般采用带独立方风机的通风冷却方式。
5）轴电压和轴电流的具体表现。在正弦波电源供电时，电机的工频频率低，电源中点对地阻抗及电机容性电抗较大，有效地抑制了轴电压和轴电流。因此，虽然工频电机也会产生轴电压和轴电流，但是影响不是很显著。
在变频器供电时，高频脉宽调变脉冲波使得供电的不平衡变得更加严重。轴与轴承之间会产生更大的轴电压，并且零点漂移电压中含有大量的高次谐波，零序阻抗很小，使产生的轴电流加大。同时， 脉宽调变脉冲波的频率很高，使得变频调速电动机的轴与轴端之间产生轴电压值远远高于一般工频电机的轴电压值。
变频器供电的变频调速电动机的转子轴与轴端之间，或轴与轴承之间会产生轴电压。当该电压达到一定数值时，将击穿油膜，在转轴、轴承和底板构成的回路内引起轴电流。轴电流会造成油膜破坏，使滑动轴承的轴瓦及轴颈上产生电弧灼点，或者使滚动轴承内外圈跑道上产生洗衣搓板样的条形烧伤痕迹，同时还伴有麻点、裂纹等伤痕出现。
2设计电磁的过程
在普通电动机设计基础之上，为进一步提高变频调速电机的性能，对变频调速电动机的设计参数也要进行更加细致的考虑。满足高性能要求时的变频电机设计参数的变化与设计目标之间的关系。在设计参数和性能要求之间还必须折衷选择。电磁设计时不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求。由于谐波磁势是由谐波电流产生的，为减小变频器输出谐波对电动机工作的影响，总之是限制谐波电流在一定范围内。
1）削弱齿谐波可利用斜槽来实现。变频调速电动机定子槽斜一个齿距后，同一根导体内各点所感应的齿谐波电势的时间相位不同。一根导体的齿谐波电势可以看成许多小段导体感应的齿谐波电势的矢量和。这样可以大大削弱导体中的总齿谐波电势，因此采用定子斜槽可削弱齿谐波对电磁噪声利振动的影响。
2）选取或对谐波有削弱作用。因为变频器输出的谐波不影响异步附加转矩和同步附加转矩的产生，所以变频调速电动机设计时，可通过采用普通电动机的一些措施来削弱或避免附加转矩、同步附加转矩。而变频电动机选取转子槽数时，主要考虑杂散损耗和电磁噪声对电机性能产生的不良影响。
从减小杂散损耗的角度来看，定转糟数越接近杂散损耗越小。但是定转糟数越接近齿谐波所产生的力波次数越低，而越低次数的力波所引起的电磁振动和噪声越大。因此变频调速电动机设计时可综合考虑杂散损耗、电磁振动和噪声的影响选取转子槽数来削弱谐波影响。
3设计变频电动机的转子槽形
变频电动机的设计不用考虑电机起动性能参数的大小。因此，变频电动机设计时，为减小转子基波及谐波损耗，在转子磁密允许的情况下通常会尽可能地增大转子槽面积。另外考虑到由于高次谐波的影响使得集肤效应对变频电动机的影响更加显著，为了减小集肤效应的影响，变频电动机槽形一般设计成矮胖型。转子槽形设计时为了抵制谐波减小转子损耗，中小型变频电动机采用平行齿设计的矮胖型梯形闭口槽，大型变频电动机由于转子直径大转速高则采用平行槽设计的矮胖型矩形半闭口槽。
4加强变频电动机绝缘的有力措施
由于变频电动机运行时所产生的冲击电压会对电机的匝间和对地绝缘造成损伤。因此，变频电动机设计时会通过增加对地绝缘厚度、采用防晕处理、采用真空压力无溶剂浸渍以及采用旋转烘焙工艺等措施来提高电机绕组的承受冲击电压和防电晕的能力，从而确保变频电动机的绝缘寿命。
5轴电流的规避手段
变频电动机在使用过程不可避免地会产生转子轴电压。造成轴电压的原因主要表现在：一方面是由于磁不对称在转子的轴与轴端之间产生轴电压。另一方面是由于变频器输出脉动电压通过静电感应在轴与轴承之间产生轴电压。所以，在较大容量的变频调速电动机设计中，采用轴承绝缘的措施来防止磁不对称所产生轴电压在轴与轴承之间形成回路产生轴电流。采用在电机的轴伸端加装接地碳刷的措施来防止静电感应产生轴电压在轴与大地之间形成回路产生轴电流。
6结束语
通过全面的分析了变频调速电动机自身的特征，真正掌握了设计过程中的侧重点，有效侦破设计过程中遇到的各种难题，最大限度的掌控了变频调速电动机的设计特点。
参考文献
[1]杨德印.电动机的起动控制与变频调速[M].机械工业出版社,2010.
[2]周彬.电动机控制与变频技术[M].重庆大学出版社,2010.
直流电动机调速 第6篇
随着工业生产过程越来越复杂,生产对象对于电动机的工作性能要求就变得越来越高。电动机控制系统由最初的单闭环改进为目前应用较为普遍的双闭环控制系统。然而在某些精密产品的生产中,传统PID控制系统的静态特性可以满足要求,但其动态特性仍不能满足要求。鉴于智能控制方法日渐成熟,加之它凸显出的巨大优势以及其应用越来越广泛,人们开始将传统PID控制与一些智能控制方法[1]结合起来,使电动机获得了更好的工作特性,尤其提高了电动机的动态特性。
2 电动机双闭环控制系统设计
电动机控制器的工程设计方法[2]很多,本文将运用模最佳法来设计电流环,分别运用Mpmin法、对称最佳法以及模型系统法来设计速度环。以下给出具体的设计方法。
2.1 电流环设计
给定电动机固有参数PN=10k W,UN=220V,IN=53.5A,nN=1500rpm,电枢电阻Ra=0.31Ω,电枢回路总电阻R=0.4Ω。给定参数:电枢回路电磁时间常数TL=0.0128s,系统机电时间常数Tm=0.042s,速度反馈系数α=0.0067,电流反馈系数β=0.072。电流环滤波时间常数To i=0.002s,晶闸管放大倍数Ks=30。三相全控桥平均滞后时间TS=0.00167s,速度环滤波时间常数Ton=0.01s。
按典型系统Ⅰ设计方法设计电流环。典Ⅰ系统传递函数如下:
将电流环传递函数与典Ⅰ系统传递函数进行比较,以期确定电流控制器。因为
所以根据式(2),电流控制采用PI控制器。其传递函数为:
将小时间常数进行等效处理:
由式(2)、(3)可得:
将已知量带入式(4)中得:
由式(5)得:T=0.00367s。
根据模最佳设计方法有:
所以由式(6)得:
因此电流环调节器的传函为:
2.2 速度环设计
由上述电流环的计算可得电流环等效传递函数为:
按典型系统Ⅱ设计方法设计速度环。典Ⅱ系统传递函数为:
对小时间常数进行近似处理:
将速度环开环传递函数与典Ⅱ系统的传递函数进行比对,转速调节器选用PI调节器。调节器传递函数如下:
因此由式(9)、(10)可得:
设开环增益为:
速度环开环传递函数如下:
(1)采用Mpmin法设计速度环
由Mpmin法原理有:
由式(12)、(13)可得:
代入给定电动机参数得:
所以PI速度调节器的传递函数为:
(2)采用对称最佳法设计速度环
由对称最佳法原理有:
所以由式(12)、(15)可得:
代入给定电动机参数得:
PI速度调节器的传递函数为:
(3)采用模型系统法设计速度环
由对称最佳法原理有:
所以由式(12)、(17)可得:
代入给定电动机参数得:
PI速度调节器的传递函数为:
3 模糊控制器设计
对于模糊控制器[3,4]的设计,本论文采取从简到难的策略。即先考虑单输入单输出这种简单模型,若这种简单模型能够达到良好的性能指标,则采用简单模型,而不再讨论更为复杂的多输入多输出模型,从而降低系统设计的复杂性。
(1)选取变量
输入变量为e,其论域为[-1 1],变量e的模糊子集为[N、ZE、P]。输出变量为u,其论域为[-1 1],变量u的模糊子集为[N、ZE、P]。隶属度函数选为三角函数,量化因子Ku=596,在Matlab中的模糊逻辑工具箱设计模糊推理系统。
(2)编写模糊规则
总结电动机控制原理,分析其输入变量、输出变量以及状态变量之间的关系,编写模糊控制规则如下:
4 电动机控制系统仿真
根据上述计算结果,可得电动机控制系统仿真模型。由Mpmin法设计的控制系统仿真模型如图1所示。
由对称最佳法设计的控制系统仿真模型如图2所示。
由模型系统法设计的控制系统仿真模型如图3所示。
由模糊PI算法设计的控制系统仿真模型[5]如图4所示。
由上述模型得到的各控制器阶跃响应曲线如图5所示。由仿真波形图,就很容易得出各种控制方法的优劣。
5 结论
通过上述仿真结果分析得出,Mpmin法在文中所提到的几种工程设计方法中,其控制性能更加优良,然而与模糊PI控制方法比较,后者的响应曲线的超调量更小,动态响应速度更快,使系统具有更好的性能。
摘要：以给定的电动机为控制对象,分别运用几种工程设计方法设计了该电动机的控制系统。为进一步提高该电动机的工作性能,采用模糊PI两级复合控制策略。通过Matlab仿真比较了以上各工程设计方法之间的优劣,并证实模糊PI控制方法能使该电动机的动态性能获得很大改善。
关键词：模糊PI复合控制,Matlab,工程设计,调速系统
参考文献
[1]Bimal K Bose.Modern Power Electronics and AC Drives[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1992.
[3]王立新.模糊系统与模糊控制教程[M].北京:清华大学出版社,2003.
[4]M M,S M.A self-Tuning Fuzzy Controller[J].Fuzzy Setsand Systems,1992,(51):29-40.
直流电动机调速 第7篇
无刷直流电机(BLDCM)结构简单、运行可靠、没有火花、电磁噪声低,广泛应用于航空航天、机器人、交通、煤矿自动化和工业自动化等领域。
传统的调速系统为PID模拟控制系统,结构简单,但是其控制要想达到很好的控制效果必须调整好P、I、D三者之间的关系,但是这种关系又不是简单的线性关系,而模糊控制具有很强的非线性映射功能[4],可是简单实用的模糊控制器又难以达到较高的控制精度。若要综合两种优势,则需要将模糊控制与PID控制结合在一起[2,3,5,6],本文在模糊控制与PID控制相结合的智能控制方法基础上,增加一个模糊变积分环节,控制器的输出为两分量之和,这样既能保留经典控制器的特性,又能增加模糊控制器快速响应的特点,完善了传统的PID控制。仿真实验表明,这种方法具有比单纯的模糊PID方法更好的动、静态性能,并提高了系统的鲁棒性,系统取得了较好的控制效果。
2 无刷直流电动机的数学模型
对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的状态方程为[6]
式中:ua、ub、uc为定子相绕组电压(V);ia、ib、ic为定子相绕组电流(A);ea、eb、ec为定子相绕组电势(V);L为每相绕组的自感(H);M为每两相绕组间的互感(H);p为微分算子,p=d/dt。定子绕组产生的电磁转矩为
由式(2)可以看出,BLDCM电磁转矩公式与普通直流电动机相似,其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比,所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制电磁转矩。为产生恒定电磁转矩,要求定子电流为方波,反电动势为梯形波,且在每半个周期内,方波电流的持续时间为120°电角度,两者应严格同步。
运动方程为
式中:Te为电磁转矩;TL为负载转矩;B为阻尼系数;ω为电机机械转速;J为电机的转动惯量。
2 控制方法设计
2.1 模糊PI智能控制方案
传统BLDCM调速系统应用的是单纯的PID控制器,其动态抗扰性能较差,故文献[5]进一步改进了PID控制器,在速度环中将模糊控制器和PID控制器复合控制,成为二维模糊控制,构成新型调速控制系统,这种控制器的优点是综合了PID和模糊控制的优点,并且控制智能化,但是这种结构的缺点就是存在着切换“毛刺”。1983年W.L.Bialkowski提出了混合型模糊PID控制器:在二维模糊控制器的基础上叠加常规积分控制器,将模糊控制器的输出与积分控制器的输出相叠加作为混合型控制器的总输出,此种控制器的优点是可以消除极限环振荡,也可消除误差,但是不足是积分控制器的参数相对固定,不能满足自适应调节,为了取得更好的控制效果,可将控制器改进,结构如图1。改进思想为:在原来二维模糊控制器(模糊控制器1,对应模糊规则库A)的基础上,在增加一个积分模糊控制器(模糊控制器2,对应模糊规则库B),对积分器的参数进行在线模糊调节,间接调整系统的控制器规则,同时补偿由于模糊量化使得模糊控制器1丢失的信息。故此系统可以增强系统的鲁棒性和自适应能力,提高系统的控制精度,避免二维模糊控制器1在控制切换时产生的“毛刺”,在一定程度上改善无刷直流电机的控制效果。
图1混合模糊PID控制器结构(参见下页)
系统控制原理如下:模糊控制器和PI控制器之间的切换条件存储在智能协调器中,并能实现在线检测与转换,即:程序运行时智能协调器不断监视系统输入输出特性,即时在线协调两种控制规律之间的自动转换。当检测庄子即图1中的智能协调器检测到系统发生震荡,表现为某段时间内误差绝对值之和与误差之和绝对值不相等,即有成立或者检测到系统发生超调使得系统误差等于零,但是误差变化率不等于零时,图1中的开关M会自动切换至模糊控制器工作状态,此工作时间在调速系统调节初期;否则,传统PID控制器起作用,此时主要工作于系统调节后期,系统误差逼近零点,积分环节时间常数变小,可以将系统视为一个线性系统,只要合理调节PID参数就可发挥PID算法在控制系统中的优势,实现无差调节。总之,在不同的调节时期,根据不同的PID的参数要求,自动在线调节积分环节在整个控制过程中的参数值,使此系统成为比二维模糊PID控制器的误差更小,鲁棒性更好的双模PID调速系统。
2.2 模糊控制器的设计
在图1所示的模糊PI智能控制中,根据人类已有的经验,设计简单的模糊控制器的结构应用于BLDCM速度环,在该控制器中选择的输入变量为转速误差e、误差变化率ec以及变积分系数ei,输出变量为积分控制器(模糊控制器2)输出ui和二维模糊控制器(模糊控制器1)输出uf。无论是误差、误差变化率还是变积分系数,都是精确输入值。模糊化就是使之离散化,变为整数论域中的元素。将误差e,变积分系数ei、误差变化ec及控制量uf和ui的模糊集及其论域分别定义如下:
e、ec和ei的模糊集均为
uf的模糊集为
ui的模糊集为
e、ec和ei的论域均为
uf的论域为
ui的论域为
上述的误差模糊集选取八个元素,用以区分NO和PO两个元素,目的在于提高系统的稳态精度。输入误差、输入误差变化率、输入变积分系数及输出变量的隶属度函数关系如图2、3、4、5、6、7所示,输出控制曲面如图8所示。
模糊控制规则是专家的经验和操作者的技能加以总结而得出的模糊条件语句的集合,此集合能够保证控制器输出能使系统的动静态特性最佳,本文设计的系统需要有两个规则库,即模糊PID控制器的模糊规则库A和模糊变积分参数的规则库B。在整个控制过程中,先在模糊规则库A中进行模糊PID控制,再使用规则库B进行PID控制向误差零点逼近,实际控制过程中两组规则库同时使用。根据BLDCM调速系统的特点和大量仿真实验得出模糊控制规则如表1所示。
BLDCM调速前期,由于误差较大,Ki为零,系统主要是模糊控制,使系统有很好的鲁棒性,这时以规则库A为控制规则。调速后期,速度基本接近于给定速度,误差接近于零点时,误差e较小,这时系统切换为模糊PID控制,此时使用规则库A和B,对积分环节的参数实现在线调节,避免系统在切换过程中出现的“毛刺”,改善系统的控制性能。故在设计规则库B时考虑系统误差为零且超调量小。规则库B如表2,表中“×”为积分控制死区,由模糊控制实线,即调速前期工作段。
3 系统仿真实验
在Matlab中进行仿真实验,其中速度环调节用本文设计的混合模糊PID控制器结构BLDCM控制系统从启动到稳态运行的仿真结果如图9与图10所示。仿真结果表明,采用混合模糊PID控制算法,系统的动静态及稳定性能都比模糊PID控制方法具有一定的优越性。
4 结论
本文提出将模糊变积分参数的模糊控制与PID算法相结合的一种新型控制器应用于BLDCM的速度环控制。仿真结果表明:系统的响应速度加快,没有超调和震荡,调节精度提高,具有较强的鲁棒性,抗干扰能力好,这是单纯的混合PID控制难以实现的系统特性,特别是对于非线性系统可以得到满意的控制效果。
参考文献
[1]LI W.Design of a hybrid fuzzy logic proportional plusconventional integral-derivative controller[J].IEEETrans on Fuzzy Systems,1998,4(6):449-463.
[2]Kenichiro H,Akifumi O,Shuta M,et al.Realization ofnonlinear PID controls using simplified indirect fuzzyinference method[J].Elesevier Science on Fuzzy Setsand Systems,1999,105(3):409-414.
[3]Dave M,Heidar A M,Guanrong C.Design and analysisof a fuzzy proportional-integral-derivative controller[J].Elsevier Science on Fuzzy Sets and Systems,1996,79(3):297-314.
[4]李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002.
[5]纪志成,沈艳霞,姜建国.一种新型的无刷直流电动机调速系统的模糊PI智能控制[J].电机与控制学报,2003,7(3):248-254.
[6]朱四华,陈少昌.BLDCM调速系统模糊-PI混合控制的建模与仿真[J].微计算机信息,2003(6):4-5.
[7]张琛.无刷直流电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1996.
[8]李国民,曹东,夏长亮.提高电机位置伺服系统鲁棒性能的最优模糊模型跟踪控制[J].电工技术学报,2003,18(1):43-46.
[9]郑吉,王学普.无刷直流电动机控制技术综述[J].微特电机,2002,30(3):11-13.
直流斩波调速系统设计 第8篇
直流斩波调速系统的核心技术是脉宽调制控制技术, 称为PWM控制技术。在国内目前仍有大量的各类机床和系统使用直流电动机作为伺服驱动。如果将其改造为微处理器控制PWM调速控制, 能与数字速度给定信号直接接口等优点, 则更有利于国家工业化的发展。
2 系统设计
2.1 直流电机P WM控制原理
PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断, 把直流电压变成电压脉冲列, 控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的, 或达到变压变频目的的一种控制技术。
设, α可定义为占空比。设定输入电压Ud不变, α越大, 电机电枢端的平均电压Uα越大, 反之也成立。改变α值就可以达到调压的目的。
2.2 方案的选择
在许多单片机的测控系统中, 需要PWM功能实现直流电机的调速控制。
(1) 选用具有PWM功能的单片机。
(2) 采用软件模拟的方法实现PWM输出。
对于前者来说, 虽然已经出现了不少具有PWM功能的新型单片机, 但是它们的价格一般都比较高。所以本设计选用51系列单片机采用软件模拟的方法实现PWM输出。
电机驱动部分, 为了简化电路, 决定使用集成有桥式电路的电机专用芯片L298。
2.3 总方案的确定
由单片机AT89S51接受键盘或红外遥控器的信号并产生相应的信号输出, 其中两路信号控制L298的使能端控制电机的启动和停止, 一路占空比信号送给AT89C2051;AT89C2051接受到占空比信号后产生出对应的PWM波形送L298控制直流电机的速度。在直流电机中安装霍尔开关传感器, 把速度信号传送AT89S51, 进行定时计数, 并LED显示。整个系统的电源由外接双路稳压电源提供。
2.4 电机驱动部分
L298及其外围电路比较简单。其中ENABLE、PWM和DIRECTION三路信号由控制电路部分给出。在使用过程中, L298内部的两个桥式驱动器并联使用, 使直流电动机的持续工作电流最高可达到4 A。当ENABLE输入为低电平时, L298内的8个开关管都不会导通, L298没输出。当ENABLE输入为高电平时, 可看出8个开关管根据输入端信号的变化而变化的情况。我们可以见到PWM波形的占空比的变化。在ENABLE输入为高电平的情况下, 当DIRECTION输入为低电平时, 可以见到VA1与VB3一直导通, 臂桥VA2与VB4一直截止。这过程中VA4与VB2一直与PWM波形变化一致。电机正转;当DIRECTION输入为高电平时, 可以见到VA3与VB1一直导通, 臂桥VA4与VB2一直截止。这过程中VA2与VB4一直与PWM波形变化一致。电机反转。
2.5 测速显示部分
本设计选用的是霍尔元件CS3020作为测速的传感器。在电机的转叶上贴上两片小磁钢, 那么电机每转一圈, 霍尔传感器输出两个脉冲。
本系统使用四位共阳数码管显示直流电动机的转速, 为了节省I/O口, 我们使用74LS47把四位的BCD码转换成LED显示。单片机P2.0、P2.1、P2.2和P2.3作为BCD码的输出口, 分别与74LS47的A、B、C和D引脚相接。单片机的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7分别作为四位LED由低位到高位的选通脚通过三极管选通LED。
2.6 单片机红外解码技术
在本设计中, 编码专用集成电路芯片使用了HT6221。AT89S51是接收引脚接三端红外一体化的接收头HS0038。当接收头接收到38 k Hz的载波时, 接收头输出低电平, 没有接收到载波时, 输出为高电平。所以单片机接收到的信号刚好与HT6221发出的信号相反。单片机的I/O口通过判断接收头输出的高电平时间就可以分析出HT6221发出的数据:单片机首先判断出9 ms低电平, 然后判断4.5 ms的引导码电平。如果引导码正确, 继续接受数据和分析数据, 接收的载波宽度都是0.56 ms, 因此只需要分析间断的高电平:如果数据是0, 高电平的时间是0.56 ms, 如果接收到的数据是1, 高电平的时间是1.68 ms。
3 结语
本设计线路比较简单。设计的主要技术在于PWM信号通过单片机对L298的信号传输实现对小型直流电动机启动、正转、反转等控制。设计难点在于用软件产生可变的稳定的高频的PWM波型往往是矛盾的, 要在两者中取求平衡点。
摘要：主要完成以89s51单片机为核心的PWM直流电机的调速系统。该系统具有速度给定、速度显示、速度测量和速度控制, 并在最后的扩展功能里加上了红外遥控功能, 采用软件进行红外解码。
关键词：脉宽调制,直流电机调速,单片机,转速检测
参考文献
[1]丁元杰.单片微机原理及应用.第2版.机械工业出版社, 1999.8
[2]吴守箴, 臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术.第2版.机械工业出版社, 2004.2
[3]李刚, 林凌, 姜苇.51系列单片机系统设计与应用技巧.北京航空航天大学出版社, 2004.1
直流电动机调速 第9篇
在工程实践中,电动机作为现代工业的“心脏”,已得到了越来越多的重视和发展。其中,直流电动机更是以其稳定的性能,良好的调速性,得到了工业生产的认可和应用,这就使得对直流电动机的控制成为越来越多人研究的重点和方向。在目前工程中,直流电动机中直流电源的控制常为晶闸管-电动机调速系统(V-M系统)。但由于晶闸管对过电压、过电流敏感,须加可靠的保护电路和符合要求的散热条件,同时,系统在较低速运行时,晶闸管导通角小,系统功率因数低,会产生较大的谐波电流,引起电网电压波形畸形,危害附近的用电设备,即所谓的“电力公害”[1,2]。
针对传统电动机电源控制中的危害,提出了一种基于SG3524的直流电动机双闭环调速系统,对直流电源采用直流斩波器,进行脉宽调制,产生可变的平均电压,从而实现直流电动机的平滑控制。此系统电流容易连续,谐波少,电动机损耗及发热较小,低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,动态响应快,动态抗干扰能力强,具有很高的工程实用价值。
1 直流电动机控制需求给定
结合具体工程实际,给定直流电动机(他励形式,励磁电路参数略)参数:额定功率PN为10 kW,额定转速nN为1 500 r/min,额定电流IN为51.82 A,额定电压UN为220 V,电枢电阻Ra为0.26 Ω,允许过载倍数λ=1.5。控制系统总飞轮矩GD2为10.1 Nm2,电枢回路总电阻为R=3×Ra,脉宽调制器的调制波周期TPWM为100 μs;用于转速反馈的测速发电机:额定转速为1 900 r/min,额定电压为110 V,额定电流为0.21 A;用于电流反馈的电流检测:采用霍尔电流传感器。
直流电动机的控制,要求系统具有良好的调速性能,稳定的动态响应,强大的抗干扰能力。给定技术指标:调速范围D=20,静差率s≤0.05,电流超调量σi≤5%;空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%;最小不间断电枢电流IMIN=5%IN。
2 总体设计
结合上述给定的直流电动机系统以及相关的指标参数,设计双闭环调速系统。此直流脉宽调速系统采用三相整流变压器降压后,再经过二极管三相桥式整流,电容滤波获得斩波输入直流电源,经IGBT直流降压斩波获得可控直流电源。对于IGBT的控制方案,采用转速、电流双闭环调速方法,由霍尔电流检测模块LEM模块检测主电路的电流大小,转化为电压后,反馈给控制电路,形成内环电流环,同时在内环内采用PI调节器,让给定与反馈值比较,经PI调节器后得到控制电压,由控制电压控制PWM产生模块SG3524产生占空比可变的PWM波,再经M57962L驱动IGBT的通断,来控制主电路中电压值的大小,从而控制电动机的转速。同时,对于电流环的给定,采用转速环来提供,由测速发电机检测电动机的转速大小,转化为电压的大小,反馈给控制系统,与给定值比较,形成偏差电压,经PI调节器,形成电流环的给定。以此形成双闭环调速系统,控制直流电动机。以电流环抵抗电网电压扰动,以转速环抵抗负载扰动,以转速环调节为主,抵抗扰动。
3 系统硬件设计[1,2,3,4,5]
3.1 供电电路设计
供电电源模块是整个控制系统稳定、可靠工作的前提条件。控制系统的供电电路分为控制芯片的低压供电以及直流电动机的高压供电,二者之间要进行隔离设计,提高抗干扰能力。
对于控制芯片的低压供电,考虑SG3524,EXB841以及功率放大器的供电需求,采用线性电源原理设计,220 V/50 Hz的交流市电经过变压器的降压后,将电压稳定在36 V状态下,再经过整流桥作用得到直流电源,由大电容稳压,小电容滤波后,经过三端稳压芯片7815,7915以及7824芯片,得到15 V,-15 V和24 V的三个电压等级,为控制电路提供能量供应,使其稳定的工作。
对于直流电动机的高压供电,采用相整流变压器降压后,再经过二极管三相桥式整流,电容滤波获得斩波输入直流电源。这包括变压器、平波电抗器以及整流二极管的设计。具体的参数计算如下:
对于电动机来说,电动势:
对于三相桥式不控整流电路来说,
AεBU2ph=λINRa+CenN (2)
取A=2.34,电网电压波动系数ε=0.9,占空比的最大值B=0.9。
则可计算的U2ph=140.96 V (在计算中已考虑了电网电压波动和余量系数,故取计算值)
变压器变比:
对于变压器,一次测相电压U1=380 V,一次侧相电流I1=(I2/K)·1.05=16.45 A。
S1=3U1ph·I1=18.753 kV·A (4)
二次测相电压U2=140.96 V,二次侧相电流
S2=3U2ph·I2=17.892kV·A (5)
变压器容量:
对于整流二极管,三相桥式整流电路每个桥臂通过的有效电流
总结以上分析,可得到图1,图2的系统电源部分硬件电路图。
3.2 控制主电路设计
直流电动机控制系统采用测速发电机采集转速信号,霍尔电流传感器采集电动机电流信号,构成系统的内外环控制回路。考虑具体电动机参数,得到相关的设置。
额定励磁下的电动机的转矩系数:
Cm=30/π×Ce (7)
系统机电时间常数:
静差率:
开环稳态速降:
最大转速给定电压Un*(也即等于最大转速反馈电压Unmax)。Un*=80%Uc=0.8×5=4 V(说明:这里转速给定电压通过SG3524的16号+5 V电源引脚输出,但是为了一定余量和便于调节的范围取它的80%)
转速反馈系数:
最大电流给定电压Ui*(也即等于最大转速反馈电压Uimax)。同Un*max的取法,这里也取Ui*=80%Uc= 0.8×5=4 V
电流反馈系数:
对于测速发电机,电势系数Cetg=110/1 900= 0.057 9 V.min/r。分压电阻电位器RP,输出电位器RP2的分压系数α2=α/ Cetg =0.046 6
RR2=Cetg×nN /(0.2×INtg)=2 067≈2.1 KΩ (14)
WRP2=Cetg×nN×0.2×INtg=3.647 7 W (15)
为了不致使电位器温度很高,实际电位器的瓦数应为所消耗的一倍以上,所以选用RP为10 W,2.1 kΩ。
给定参数的电路设计如图3,图4所示。
3.3 电流、转速双闭环控制电路
直流电动机控制中采用转速、电流双闭环调速,动态性能高,能快速起制动,突加负载动态速降小,充分利用了电动机的过载能力,在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值,使电力拖动系统以最大加速度启动,到稳态时能使电流下降,达到转矩与负载平衡,达到稳定运行。同时,此系统能很好的抵抗负载扰动和电网电压扰动,抗干扰能力强。
对于电流环:整流装置滞后时间常数Ts取为0.1 ms则电流滤波时间常数Toi=3Ts=0.3 ms。
电流环小时间常数之和:
T∑i=Ts+Toi=4Ts=4×10-4s (16)
选用PI调节器,设传递函数为
τi=Tl=1.65×10-3 s
电流环开环增益:要求σi%≤5%,故取
KI× T∑i=0.5,KI=1 250
晶闸管装置放大系数:
则电流调节器的比例系数为:
电流环电路参数计算: 取R0=40 kΩ
Ri=Ki×R0=14.4 kΩ,取Ri=15 kΩ(标称值);
Rbal=R0//Ri=10.9 kΩ, 取10 kΩ,
Ci=τi/ Ri=0.1 uF取0.1 uF(标称值);
Coi=4×Toi/ R0=0.03 uF
对于转速环:由转速环退饱和
取转速滤波时间常数Ton=0.02 s
转速环小时间常数:
选用PI调节器,传递函数为:
按跟随性和抗扰性能都较好的原则,取h=5,则
τn=h×TΣn=0.104 s
转速环开环增益:
转速环调节器的比例系数为:
转速回路电路参数计算: 取R0=40 kΩ
Rn=Kn×R0=354.8 kΩ,取Rn=350 kΩ(标称值);Rbal=R0//Ri=35.89 kΩ 取40 kΩ(标称值)
Cn=τn/ Rn=0.297 uF,取0.3 uF(标称值);Con=4×Ton/ R0=1 uF(标称值)
由此,可设计出双闭环反馈电路,如图5所示。
4 系统仿真验证
为验证直流电机双闭环调速系统的性能,建立上述电动机模型,并进行仿真,得到相应的响应曲线。其中模型图如图6所示。
分别给定转速为1 500 r/min,1 000 r/min,600 r/min,300 r/min,150 r/min,得到转速与电动机电流变化曲线图(图7)。
图7中,上部分曲线为转速调节曲线,给定转速为 150 r/min,300 r/min,600 r/min,1 000 r/min,1 500 r/min,超调量逐渐减小,在额定转速的时候,超调量为1.9%;下部分为电流调节曲线,开始突加给定电压,由于转速很小,转速调节器输出保持限幅值,强迫电流Id迅速上升,直到Id=Idm,从而ASR始终饱和,Id保持恒定,转速线性增长。当转速达到给定值,由于ASR的积分作用,仍在加速,转速超调后,ASR输出为负,开始退饱和,由于Id仍大于负载电流,转速仍然增加,直到Id等于负载电流,转速达到最大值。然后在负载的作用下,转速下降,经过一段时间调整,转速稳定,电流也达到稳定。由此可知,控制系统调速性能好,超调量小,稳定性较好。
在电动机额定负载稳定启动后,加入干扰信号,仿真系统的抗干扰能力,得到如图8的仿真曲线。
从仿真结果可以看出,在电动机稳定运行后,加入干扰信号,引起转速与电流的动态变化,但整体变化很小,且能很快的恢复到稳定状态,表明系统具有良好的抗干扰性能,转速在扰动后能够很快恢复到额定给定转速。而电流环也具有十分好的跟随性能。
5 结论
对于存在一定的非线性,工作环境变换不定的直流电动机控制系统,常规晶闸管控制系统已很难满足其需求,本文提出了利用SG3524进行电动机的脉宽调速,由电力电子器件IGBT实现信号的控制,结合转速、电动机电流的双闭环反馈,设计出直流电动机控制系统,并结合相关具体工程中的电机与技术指标参数,设计出响应的硬件电路。构建出系统的结构图,进行仿真验证。仿真结果表明,这种设计方法合理,调速性能好,稳定性高,抗干扰能力强,符合系统的控制要求,达到了系统的设计目的,具有很高的工程应用价值。
摘要：针对常规直流电动机晶闸管控制系统的电力危害,结合SG3524脉宽调制的理论,设计了一种直流电动机双闭环调速系统。通过对具体工程中电动机控制系统参数的理论推导,设计出硬件电路,并得到了系统结构图。仿真结果验证了系统具有良好的调速性能与稳定性,抗干扰能力强。
关键词：直流电动机,SG3524,双闭环,直流调速
参考文献
[1]郑大钟.线性系统理论[M].北京:清华大学出版社,2000.
[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2002.
[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2007.
[4]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社,2002.
直流电动机调速 第10篇
关键词异步电动机；变频调速；节能
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)042-0182-01
当前各种高科技的快速发展及普遍应用，催动了异步电动机的再次改革，节能应用已引起相关企业的高度重视，深入探究运用变频调速技术的异步电动机，全面掌握有效节能的各种因素以及进一步的改进手段，是各大企业创造最大经济利润的有力点。
1异步电动机耗能的因素所在
通过对各大企业应用变频调速技术的异步电动机的具体调查探究，其主要的耗能因素在于：铜耗能；铁芯耗能；机械耗能；通风耗能；摩擦耗能等因素。对此，根据引发异步电动机耗能的饮因素来讲，铜耗能与铁耗能难以通过改造对其进行适当的改变，只有机械耗能可适当的加以改造。总体说来，级数越少的异步电动机，也即是转数越高，电动机的机械耗能越大，铜耗能相对越小；相应的，级数越多的异步电动机，也即是转数越低，电动机的铜耗能占得比重比机械耗能大得多。对此，有效的减少异步电动机的机械耗能是真正降低电动机消耗能量的最佳解决措施。
2减少机械耗能的有力手段
1）电机风扇需合理改造。要调整电动机的风扇，怎样了解风扇的尺寸更加具有合理性，如何通过改变风扇尺寸进行节能，那么大家都要知道电动机是把电能转变成机械能的设备，在转换过程中都要产生损耗，那么肯定损耗是以热的形式出现，大家一定都知道是电能转变让电动机发热。这样定子绕组有电流流过后产生铜损耗，经槽绝缘材料把热传导给定子铁芯，再由定子铁芯传给电机外壳散发到空间。转子的热量是由转子铝耗及其摩擦产生的，它传给转子铁芯和内风扇表面，这样热能只有靠内风扇搅拌使热量散发在电机内空间，然后再传给定子铁芯、端盖、机座。所以说，外风扇风量的大小、风扇所用材料、风机效率、风道设机等都是决定电动机的温度不能超过其绝缘材料等级所允许温度的关键。
2）电机摩擦需控制好。众所周知，机械损耗一般占总损耗的10%～50%，可见机械损耗在节能方面的重要性。机械损耗重要在电机的摩擦，我们所说的电机摩擦通常是指轴承摩擦损耗，电动机轴承的正常运转、噪声、振动、过热、等因素是机械损耗的原因之一，另外对绕线式转子还存在电刷摩擦损耗。
直接关系到轴承摩擦耗能的因素主要在于轴承型号、配置高低、润滑脂等方面。如何选择优质的润滑脂也是降低机械损耗的一种重要方法。最大限度的使用性能优质的润滑脂来改善电动机的运行状况以降低机械损耗。还需在电动机上选用优质、合理配套的轴承上下功夫，这样也可以达到节能降耗；只有这样才能尽量减少电动机摩擦从而达到节能降耗的目的。
3电动机的功率因数需适当提高
国内的各大企业的转机设备大部分是交流异步电动机，而交流异步电动机是低功率因素的设备。如果恰当提高其功率因素可以充分发挥电动机的潜在能力，同时也可以降低生产成本和节约电能。要提高电动机的功率得到有效提高的因素主要在于以下几个方面：
1）运行设备合理调整，功率因数合理提高。在企业内的设备都是配套的无需我们在容量和选型上考虑，只需考虑运行中的电机，有效规避不合理现象的发生，低于40%的负载率时，更换小容量的电动机是必须要考虑的。当负载率低于30%时，可将三角接线的绕组改为星形接线的与运行方式，这样一来电动机的效率和功率因数均有所提高。这是日常工作中经常遇到的事情，不过没有引起大家们重视。避免“大马拉小车是，提高功率因数的一种重要措施。
一定要对机械损耗大的老系列电机进行改造或淘汰，老系列电机内部材料老化严重，有些电机的使用时间在20-30年以上。其中，有些电机制造技术已远远跟不上科技发展的步伐，性能也相差甚远。由于电机的运行负荷一般是因为电机陈旧或制造工艺落后引起的，效率低下的电机，也不能与新型电机的耗能率相对比。对此，适当的进行合理的电动机节能更换，是有效降低电机机械耗能的良好措施之一。
需正确使用和维护电机，坚决控制其频繁启动，精心的检修，在电动机安装时调整好中心线及电机转、静子间隙也是必不可少的，因为气隙不均会造成空载电流增大，功率因数降低。
2）新技术作为异步电动机节能的坚实后盾。合理的使用变频器进行调速来实现提高电机功率因数的目的，也是常用的节能方法，在普通的交流异步电动机上加装变频器，加装变频器是改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。改善技术应用环境，并运用新技术对电动机进行合理的调速，达到最佳性能，提升生产率，有效保障产品质量，使异步电动机设备更加智能化、合理化。要实现异步电动机节能的最终目的，需加装合理的变频器。具体可通过调整电机的流量或压力改变风机或泵类机械的转速，并合理改造，达到最大限度的电机节能。同时，由于安置加装变频器的操作较为简便，更为有效的提高了节能效果。
调节旋转磁场的最好办法是变频，它能保证异步电动机在宽广的调速范围内高效地运行，且使电动机有良好的起动特性。好的变频电源是实现变频调速的必备条件之一。同时，调压调速是调转差最为简便的方式。异步电动机的输入电压科通过控制电磁的或电子的调压装置来实现，并对电机内部的磁场进行合理的改变，从而较合理的调整电动机的转速，适用于转子电阻比较大的高滑差小功率电机和力矩电机。效率较大的大中型异步电动机不适合，电阻较小的转子。另外一种电磁滑差离合器，它是通过调节直流励磁电流来实现的，与异步电动机本身调压调速相似。如果是绕线式转子串级调整系统，也是属于调转差率的调速方法。
3）变频器的电动机耗能有哪些表现。电机的转、静子铜损是与频率变化无关的常数，但是在实际拖动中，为了补偿定子绕组电压降，要适当降低频率或者适当提高外施电源电压，因此U1/f不能保持比值不变。再有，为了电动机处于最佳运行状态，也要求改变U1/f的比值，所以实际电流也多少有些变化，因此铜耗也多少随频率改变而改变，但是变化不大。
铁耗能主要表现在：铁损耗随频率的降低而降低，由于采用电压型逆变器的变频电源供给电动机，电源电压波形中含有高次谐波分量，与具有正弦波电源相比，铁损耗要增加。所有杂散损耗也均随高次谐波分量的增大而增大。
机械耗能的主要表现在于：一般情况下，轴承摩擦损耗与电动机转速的1～2次方成正比，而通风损耗是与电动机转速的3次方成正比，所以当电源频率降低时，机械损耗也降低。同时，一般都明白，机械损耗在整个电动机的损耗中只占总损耗的50%以下，所以说安装变频器是十分必要的。合理运用变频调速，不仅能确保负荷大小不一致的情况下电动机能运行，而且能一直保持高效运行。
4结束语
现今变频调速技术在异步电动机中得到了广泛的应用，结合当前低碳经济的重点推广，电动机的节能降耗运行也引起了各大企业的重视。对此，通过全面分析了影响应用变频调速技术的异步电动机节能的各个因素，采取了合理的改进手段，有效的增加了企业的经济收益。
参考文献
[1]戴广平.韩冰.电机与可逆性原理与电动机节能.中国石油出版社.2008,1.
[2]余龙海.电动机能效与节电技术.机械工业出版社.2008,8.
直流无级调速控制系统的设计 第11篇
关键词：无刷直流电机,控制器,设计
0 引言
力矩电机是控制系统中最常用的执行元件, 目前在惯性仪表中应用较多的是直流有刷力矩电机。有刷直流电机由于机械结构上有电刷和换向器, 电机在长时间运行过程中由于存在摩擦力, 极易打火花, 使得电刷组件之间接触不良而影响仪表正常作业。为了规避这些缺陷, 本文介绍了一种结构简单, 不需要经常维护和检修的无刷直流电机。它结合传统有刷电机的设计理念, 在组成元件上优化设计, 解决了有刷电机的电刷及换向器的设计缺陷, 并且创造性的利用电子开关线路及位置传感器实现了电枢绕组电流换向。尤其在最近几年, 永磁材料不断更新换代, 带动了电子器件水平不断提升, 无刷电机的功能特性及使用性能逐步巩固, 应用范围也逐渐拓展到航空、航天等特殊领域。本文将重点分析无刷直流电机控制电路的设计。
1 无刷直流电机概述
无刷直流电机是一种无换向器电机, 又称无整流子电机, 是一种新型的无级变速电机。它由一台同步电动机, 一套简单的逆变器和一个转子位置检测器组成, 具有结构简单, 不需要经常维护和检修的特点。
1.1 基本结构
无刷直流电机主要由电机本体、位置传感器和控制驱动电路三大部分组成。系统组成框图见图1。
1.2 工作原理
无刷直流电动机具有直流电动机的特性, 其工作原理见图2。其中, ps是位置检测器, 常称作位置传感器, 用于检测侧磁极的位置并发出型号去触发电子开关线路中的功率开关元件, 使之严格同步。从电机的接线方法来看, 电动机相数越多, 其起动特性及低速运转平稳性越好, 但控制线路越复杂。直流电机的接线方法详见表1。
2 无刷电机的控制驱动设计
目前众多领域采用无刷直流电机为执行元件, 它的核心是控制器。无刷力矩电机的控制驱动主要包括:位置信号处理电路、各相信号分配电路和功率电路三个环节。
2.1 位置信号处理电路
位置传感器主要用于确保定子绕组产生的旋转磁场与转子磁场之间保持规定的超前关系, 通过位置信号处理电路将位置传感器信号转换为三相方波信号, 经信号分配电路产生的换相顺序信号, 控制功率开关器件根据相应指令控制电机绕组的通断, 由此产生转矩。控制信号的极性决定转矩的方向, 控制信号的幅值决定转矩的大小。此外, 位置信号一律按方波信号的格式进行整形和处理, 并且导通区、截止区都应执行180°电角度, 两相信号间隔120°电角度, 以防死区与控制状态错乱, 同时避免功率电路中同一桥臂的两个大功率管相互导通。
2.2 信号分配电路 (换向逻辑电路)
信号分配电路的作用是根据三相传感器的不同状态, 产生六种状态的控制信号, 利用这六个控制信号, 可以对功率电路中相应桥臂六个功率管的通断进行操控。当然, 在这部分电路也囊括了电机的正、反转控制, 脉冲宽度调制 (PWM) 等相关电路。一般来讲, 宽范围调速是衡量调速系统性能的重要指标。特别是宽范围的线性条速又是任何一种伺服电动机的基本要求。本文所用PWM调宽方案:保持每相导通时加载电枢线圈上的电压幅度大小不变, 改变每相导通时间的长短。实质上, 这就是改变了加在线圈上的平均电压的大小, 从而能实现调速。调速方案详见图3。实施PWM调宽方案后, 再利用电流反馈法, 通过电流检测电路实时比较和反馈流经功率管的电流, 并将其整定为系统所认定的控制信号, 从而实现对力矩的控制。
图4所示电路包括锯齿波形成, 信号合成及比较器等主要部分。锯齿波形成电路中, 用单结晶管构成自激振荡器, 其频率约为500Hz左右, 输出的尖脉冲开关管VT2短暂导通。晶体管1构成一恒流源给电容器C1充电。C1的电压线性上升构成锯齿波的上升段。VT2的短暂导通使C1的电压迅速下降, 从而构成锯齿波的下降段。运算放大器A4构成信号合成电路, 指令电压Ug从同相端输入。速度反馈电压Uf从反相端输入, 从而能方便地在指令电压中引入速度负反馈。如需要对电动机进行力矩控制, 也可以在反相端引入一电流负反馈。合成信号经电压跟随器A5构成可调基准电压UB送入比较器A2的反相端, 比较器A2的输出经VT3管导向整形后送至换向信号逻辑电路进行脉宽调速。值得注意的是:如在开环下采用脉宽调速, 起跳速特性是非线性的。
2.3 功率电路
功率部分电路可采用常用的三相逆变桥形式, 并且给每个功率管并联续流二极管。 (图5)
3 无刷直流电动机调速系统应用实例
该系统可应用于恶劣环境, 故采用无刷直流电动机及调速系统。需要在宽广的范围内进行无级调速 (根据指令电压的大小) , 电动机运行状态几乎没有阻力矩来实现自动减速, 故本系统采用了反接制动方式。为了减小功耗采用了脉宽调速方式, 并引入了速度负反馈, 以提高其线性度。无刷直流电动机本体定子采用了星形连接的三相绕组, 转子为二级的圆柱形永久磁钢。采用了磁电式位置传感器, 电子开关电路采用非桥式电路, 并采用功率晶体管为开关元件。该系统的主要技术指标:
3.1 无刷直流电动机
电源电压DC30V;控制电压DC10V;额定输出力矩<0.015Nm;额定转速2000r/min。
3.2 调速要求
根据指令电压Vg从0~10V变化, 占空度t/T正比变化调速范围3000r/min~20000r/min;根据给正转控制端或反转控制端高电平10V或低电平0V灵活地实现正反转控制;采用能耗制动的控制方式。根据技术指标绘制了具体流程图, 详见图6。
4 结论
直流无级调速控制系统近几年来有关的科学技术已经取得了很大进步, 电力电子变换器主要被功率开关器件所取代, 变换技术也主要以脉宽调制 (PWM) 为主;直流调速被交流调速取代已成不争的事实, 交流调速技术本身也有不小的进展。可作为高等院校自动化、电气工程及其自动化、机械工程及其自动化等相关专业, 以及高等职业技术学院、高等专科学校、继续教育学院等院校的自动化、电力技术类等专业的教材, 也可作为从事运动控制系统和电动机调速控制研究、设计的工程技术人员的参考用书。总之, 本系统的定型、投产和应用, 将会对地球环境以及人们的日常生活将做出不可估量的贡献。
参考文献
[1]李峻, 张俊儒.电机控制集成电路的原理和应用[M].冶金工业出版社.
[2]谭苇娃, 金如麟.大功率电子学和电机控制[M].上海交通大学出版社.