【文章內(nèi)容簡介】 電源換相、相位控制。特別是采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。全數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動方式更顯示了 強(qiáng)大優(yōu)勢。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷推出，為工程應(yīng)用提供了優(yōu)越的條件。 采用微機(jī)控制后 ,整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,可靠性高 ,操作維護(hù)方便 ,電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平 .直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ,調(diào)速平滑 ,方便 ,調(diào)速范圍廣 。過載能力大 ,能承受頻繁的沖擊負(fù)載 ,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動 ,制動和反轉(zhuǎn) 。能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求 .由于微機(jī)具有較佳的性能價格比 ,所以微機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用 .近年來 ,盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快 ,但是直流電機(jī)良好的啟動、制動性能 ,在軋 鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 . 現(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置商用，國外先進(jìn)的控制器價格昂貴，研究及更好的使用國外先進(jìn)的控制器，具有重要的實際意義和重大的經(jīng)濟(jì)價值。 6 2 直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計 PWM 脈寬調(diào)制 PWM 脈寬調(diào)制介紹 脈寬調(diào)制的全稱為： Pulse WidthModulator,簡稱 PWM。 由于它的 特殊性能常被用于直流負(fù)載回路中燈具調(diào)光或直流電動機(jī)調(diào)速 ， HW1020 型調(diào)速器就是利用脈寬調(diào)制 (PWM)原理制作的馬達(dá)調(diào)速器 ， PWM 調(diào)速器已經(jīng)在工業(yè)直流電機(jī)調(diào)速、工業(yè)傳送帶調(diào)速、燈光照明調(diào)解、計算機(jī)電源散熱 及 直流電扇等得到廣泛應(yīng)用。 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)。與 VM 系統(tǒng)相比， PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：主電路簡單，需用的電力電子器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧 波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:10000 左右；若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；電力電子開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。因而， PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了 VM 系統(tǒng)。 目前，高頻電壓領(lǐng)域的具體發(fā)展?fàn)顩r基本情況是這樣的。目前已經(jīng)提到并得到應(yīng)用的 PWM 控制方案就不下于數(shù)十種， 尤其是微處理器應(yīng)用于 PWM 技術(shù)數(shù)字化后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最少，再到消除噪音等， PWM 控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項技術(shù)的研究方興未艾。不少方法已經(jīng)趨向于成熟，并有許多已經(jīng)在實際中得到應(yīng)用。 PWM 控制技術(shù)一般可分為三大類，即正弦 PWM、優(yōu)化 PWM 及隨機(jī) PWM，從實現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為 兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控型）。 隨著計算機(jī)畢業(yè)設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化 PWM 已逐步取代模擬式 PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM 技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣 PWM 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準(zhǔn)優(yōu)化 PWM 法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量 PWM 法，這兩種方法具有計算簡單、實時控制容易的特點。 直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)整，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。自從全控型電力 電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 7 直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)采用門極可關(guān)斷晶閘管 GTO、全控電力晶體管 GTR、 MOSFET、IGBT 等電力電子器件組成的直流脈沖寬度（ PWM）型的調(diào)速系統(tǒng)近年來已經(jīng)發(fā)展成熟，用途越來越廣泛，與晶閘管可控整流調(diào)速系統(tǒng)（ VM 系統(tǒng)）相比，在很多方面具有較大的優(yōu)越性： （ 1）主電路線路簡單，需用的功率元件少； （ 2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較??； （ 3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，因 而調(diào)速范圍寬； （ 4） 系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)； （ 5） 主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高； （ 6） 直流電源采用不可控三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。 PWM 基本原理 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。簡而言之，就是 用改變電機(jī)電樞 (定子 )電壓的接通和斷開的時間比 (占空比 )來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時，其速度增加；電機(jī)斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。 總體方框圖 整個系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖 所示。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為 PWM 的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用 PI調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機(jī)進(jìn)行檢測，達(dá)到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以 GTR 為可控開關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)?？刂?PWM 脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制 H電路 中對電機(jī)速度的控制。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8 另外，數(shù)字式直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計有控制器、 PWM 驅(qū)動器、轉(zhuǎn)速檢測電路、按鍵設(shè)定、顯示輸出五部分。 PWM 驅(qū)動器、轉(zhuǎn)速檢測電路、按鍵設(shè)定、顯示輸出都是由控制器控制實施的?？傮w框圖 ： a)直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)原理圖 b)直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方框圖 圖 系統(tǒng)設(shè)計 電機(jī)轉(zhuǎn)速是通過光電傳感器檢測產(chǎn)生觸發(fā)脈沖經(jīng)過觸發(fā)器分頻觸發(fā)單片機(jī)中斷計數(shù)，經(jīng)定時計數(shù)得到標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)值，由單片機(jī)對數(shù)據(jù)的計算、處理，建立了時間和脈沖的關(guān)系式，得到每分中電機(jī)的轉(zhuǎn) 速。將轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速作差得到偏差量，再由 PID 進(jìn)行調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速趨近給定轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制。電機(jī)的速控是通過 PWM 方式控制的。 PWM 是由三角波發(fā)生電路、比較器、反饋電路。反饋是由單片機(jī)輸入偏差量給高速的 DA，由 DA輸出反饋值作用 PWM 中達(dá)到閉環(huán)反饋控制。電機(jī)是由集成 H 橋芯片驅(qū)動，為了防止電壓的擾動控制中增，加了 ? 型濾波電路平直電流。電機(jī)正反轉(zhuǎn)是由電壓的正負(fù)方向控制的。當(dāng)切換方向時電路中 ? 型濾波電路的電感會產(chǎn)生反電動勢會影響系統(tǒng)供 電，嚴(yán)重會使系統(tǒng)無法正常工作。所以切換使用了繼電器作為切換開關(guān)。按鍵功能可以設(shè)定轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動的正反方向。顯示電路是用了高亮數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)是以高精度和實時性相協(xié)調(diào)的原則的基礎(chǔ)上設(shè)計的。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 提出問題 由前面的分析可知，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起、制 9 動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動 態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流 Idcr 值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 所示。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 對于像龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)那樣的經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)允許過載能力，最 好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程波形見圖，這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) b) 理想的快速起動過程 圖 理想快速啟動過程及其轉(zhuǎn)速波形 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖 所 示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實現(xiàn)。為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值 Idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過程。問題是希望在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個問題。 轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如圖 所示。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM 調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器如圖 示。 10 圖 PI調(diào)節(jié)器 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達(dá)到限幅值；不飽和：輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓， U在穩(wěn)態(tài)時總是為零。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 實際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因 此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 （一）速調(diào)節(jié)器不飽和 這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此 *nnU U n??? 和 *i i dU U I??? 由第一關(guān)系式可得： 0inUnn??? （ 2— 1） 從而得到圖 靜特性的 0nA? 段。 11 與此同時，由于 ASR 不飽和， *iU 〈 *imU ，從上述第二個關(guān)系式可知： dI 〈 dmI 。這就是說， 0nA? 段靜特性從 dI =0 （理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 d dmII? 。而 dmI 一般都是大于額定電流 dnomI 的，這就是靜特性的運(yùn)行段。 （二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn) 速的變化對系統(tǒng) 不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 *imd dmUII??? （ 2— 2） 式中，最大電流 dmI 是設(shè)計者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加度（ 2－ 2）所描述的靜特性是圖 中的 AB 段。這樣的下垂特性只適合于 n0n的 情況。因為如果 0nn? ，則 *nnUU?