兩種自控式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電子控制
顧 宏 陳隆昌（西安交通大學(xué)）
【摘 要】介紹兩種自控式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）的共性、速度閉環(huán)微機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及逆變器控制方法等。該系統(tǒng)在一種新研制的醫(yī)療器械上試運(yùn)行表明，電機(jī)效率高、調(diào)速范圍寬而平穩(wěn)、噪聲小，效果令人滿意。
【敘 詞】無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)永磁電機(jī)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)速度控制閉環(huán)微機(jī)控制逆變器
1 引 言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新型釹鐵材料的出現(xiàn)，在小功率驅(qū)動(dòng)、伺服領(lǐng)域，由自控式電機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)顯示出極大的優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)外專家預(yù)計(jì)這種系統(tǒng)最終有取代其調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)(1，2)；目前國(guó)內(nèi)外的研究表明，永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)是普遍采用的兩種自控式電機(jī)系統(tǒng)。
這兩種電機(jī)系統(tǒng)用作驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有調(diào)速特性好、效率高和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)已研制的兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行考核表明，這兩種系統(tǒng)完全適用于滌綸長(zhǎng)絲高速紡機(jī)、制冷壓縮機(jī)、醫(yī)療器械、小型電動(dòng)工具等場(chǎng)合，一般在中高速場(chǎng)合宜采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)，在中低速場(chǎng)合宜采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)。
本文旨在介紹研制的永磁無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合一種交一直一交可控硅(scr)昀永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和一種動(dòng)力晶體管(gtr)四相六極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，討論兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共性問(wèn)題、速度閉環(huán)微機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及逆變器控制策略等。
2 電機(jī)一系統(tǒng)的共性
永磁無(wú)刷直流電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)是其內(nèi)部的電磁關(guān)系還是外部的控制系統(tǒng)有許多共性。從內(nèi)部電磁關(guān)系看，理想的樞電流波形呈方波，由這一電流產(chǎn)生的磁是一個(gè)步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子呈近一拉開(kāi)的周期關(guān)系，在平均意義上轉(zhuǎn)子保持同步。盡管在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中，于電樞繞組電感隨位置的變化和功率器件遲關(guān)斷的作用而使電流波形畸變，但電樞流產(chǎn)生的磁場(chǎng)仍具有上述特點(diǎn)。
從外部控制系統(tǒng)的組成看，這兩種電系統(tǒng)都包括如下三個(gè)部分，變流器、轉(zhuǎn)子置檢測(cè)器和控制單元。由于兩種電機(jī)系統(tǒng)采用自控式運(yùn)行方式，因此控制單元完成控制功能極為相似，一般為三個(gè)方面�？貑卧獙�(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理、完成濾酒消除干擾和速度測(cè)定等；控制單元根據(jù)有：的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和電機(jī)的運(yùn)行要求，完成．變器脈沖分配和觸發(fā)延時(shí)等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電：電流的相位控制；控制單元通過(guò)速度調(diào)節(jié)，（有時(shí)也需電流調(diào)節(jié)器）完成對(duì)整流器的：發(fā)角控制，構(gòu)成一個(gè)速度閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系和保護(hù)等電路，硬件各部分承擔(dān)的功能簡(jiǎn)統(tǒng)。圖1是自控式電機(jī)速度閉環(huán)控制的基本 述如下框圖。
上述系統(tǒng)的調(diào)速方式可有多種。比如對(duì)scr逆變器的系統(tǒng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)輸入的直流電壓或通過(guò)改變電樞電流和電壓之間的相位差達(dá)到調(diào)速的目的；而對(duì)gtr逆變器的系統(tǒng)，還可采用調(diào)制等手段。研究表明，把上述系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，其調(diào)速方式應(yīng)首推調(diào)壓調(diào)速。其原因在于：①一般工業(yè)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速精度的要求不是十分嚴(yán)格，低速時(shí)一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是可承受的；③一般工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)其成本和運(yùn)行指標(biāo)的要求是嚴(yán)格的，即應(yīng)盡可能采用廉價(jià)的功率器件(scr和gtr)和低損耗的運(yùn)行方式，而研究表明，采用spwm型逆變器供電時(shí)，其損耗將大于可控硅逆變器供電時(shí)的運(yùn)行方式(4）。
為了使電機(jī)工作在****效率和****輸出轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，逆變器控制所遵循的原則是應(yīng)盡可能減少電樞電流和電勢(shì)（基波分量）之間的相位差。在scr無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)和gtr開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中，都對(duì)逆變器采取超前觸發(fā)導(dǎo)通的措施。對(duì)前一系統(tǒng)其目的是為了在保證負(fù)載換流安全的前提下提高輸出轉(zhuǎn)矩，而對(duì)后者是為了補(bǔ)償由于電流波形畸變而造成酌電流與電勢(shì)間的相位差，其目的是盡可能使系統(tǒng)得到較好的運(yùn)行指標(biāo)。
3微機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件
采用單片機(jī)8031實(shí)現(xiàn)上述基本系統(tǒng)的硬件電路，一般要在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充輸入／輸出口、數(shù)模轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處。
采用8255擴(kuò)充輸入／輸出口，用于讀入濾波整形后的有效轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，供控制逆變器觸發(fā)查詢用；用于輸出逆變器的觸發(fā)控制信號(hào)；用于讀入速度設(shè)定和改變當(dāng)前運(yùn)行速度。
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