基于相位閉環(huán)控制的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法
朱安定，邢建國，趙文敏
（浙江工商大學(xué)，浙江杭州310018）
摘要：提出了采用v／φ變換器將和直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)的triac兩端壓降轉(zhuǎn)換為相位脈沖，通過測量相位脈寬，獲得直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在可變負(fù)載應(yīng)用中轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制，具有成本低、控制靈活、轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；相位控制；lriac;v／φ變換器
中圖分類號(hào)：tm33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004-7018( 2010) 07-0041-03
0引言
直流電動(dòng)機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，較高的效率，優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，一直廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速控制系統(tǒng)中。采用雙向可控硅triac開關(guān)元件對直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，具有體積小、成本低、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。
一般情況下，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，即機(jī)械特性主要有恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、通風(fēng)機(jī)類負(fù)載。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是傳動(dòng)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)；恒功率負(fù)載是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)；而通風(fēng)機(jī)類負(fù)載是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。這些負(fù)載的變化都是可預(yù)測的，可以通過開環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的功率輸出�？刂品椒ㄖ饕邢辔豢刂品绞胶瓦^零調(diào)功方式。相位控制主要是同步供電交流電源的電壓過零點(diǎn)或電流過零點(diǎn)，通過移相觸發(fā)triac導(dǎo)通角；而過零調(diào)功主要是通過在給定時(shí)間內(nèi)改變加在負(fù)載卜的交流正弦波個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)負(fù)載輸出功率。
而另外一些系統(tǒng)的負(fù)載卻是可變轉(zhuǎn)矩特性的，比如按摩機(jī)、跑步機(jī)等，由于人體產(chǎn)生反抗力矩并不是恒定不變的，而是隨機(jī)改變的，所以此類機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)需要隨負(fù)載阻力力矩的變化而進(jìn)行閉環(huán)控制。直流電動(dòng)機(jī)凋速的反饋信號(hào)一般取自轉(zhuǎn)速，目前轉(zhuǎn)速信號(hào)的采樣主要有兩種方法：一種是直接物理測量轉(zhuǎn)速，如光電式編碼盤、霍爾傳感器、商流測速發(fā)電機(jī)等，這類方法的優(yōu)點(diǎn)在于直接測量電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速，測量精度高，反饋快，缺點(diǎn)在于增加了系統(tǒng)成本；另一種是間接測量轉(zhuǎn)速，通過測量直流電機(jī)兩端的電壓，或者流經(jīng)的電流來估計(jì)轉(zhuǎn)速，這類方法精度較低，并且需要將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姎飧綦x。
本文利用直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和triac電壓存在的關(guān)系，提出通過v／φ變換器測量triac兩端電壓相位脈寬，估計(jì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變負(fù)載應(yīng)用的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。
1直流電動(dòng)機(jī)等效電路模型
直流電動(dòng)機(jī)電樞的等效 電路為阻抗尺和感抗聯(lián)而成，如圖1所示。
當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)受到負(fù)載的反抗力矩增加。，轉(zhuǎn)速降低，電樞繞組中的感應(yīng)電流頻率減少，感抗wl減少，而阻抗r不變，所以直流電動(dòng)機(jī)的總的阻抗z =r+wl降低。又：
直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。表達(dá)式：
式中：u為電樞端電壓；i為電樞電流；r為電樞電路總電阻；k為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)；φ為每極磁通量，對于特定的直流電動(dòng)機(jī)k和φ都是常數(shù)。對于中小功率直流電動(dòng)機(jī)，電樞電路電阻非常小，式(2)中ir項(xiàng)可省略不計(jì)，則：
將式(1)代人式(3)得：
由式(4)可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和triac兩端壓降呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。
2 v/φ中變換器設(shè)計(jì)及相位閉環(huán)調(diào)速原理
圖2為采用v／φ變換器的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。圖中虛線框內(nèi)部分為v／中變換器的一種低成本實(shí)現(xiàn)電路，tr |
