【文章內容簡介】 電源換相、相位控制。特別是采用了微機及其他先進技術，使數(shù)字式直流調速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強大的抗干擾能力，在國內外得到廣泛的應用。全數(shù)字化直流調速裝置作為最新控制水平的傳動方式更顯示了 強大優(yōu)勢。全數(shù)字化直流調速系統(tǒng)不斷推出，為工程應用提供了優(yōu)越的條件。 采用微機控制后 ,整個調速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化 ,結構簡單 ,可靠性高 ,操作維護方便 ,電機穩(wěn)態(tài)運行時轉速精度可達到較高水平 .直流電機具有優(yōu)良的調速特性 ,調速平滑 ,方便 ,調速范圍廣 。過載能力大 ,能承受頻繁的沖擊負載 ,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動 ,制動和反轉 。能滿足生產過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求 .由于微機具有較佳的性能價格比 ,所以微機在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用 .近年來 ,盡管交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快 ,但是直流電機良好的啟動、制動性能 ,在軋 鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要廣泛范圍內平滑調速的高性能可控電力拖動領域中得到了廣泛的應用 . 現(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化控制直流調速裝置商用，國外先進的控制器價格昂貴，研究及更好的使用國外先進的控制器，具有重要的實際意義和重大的經濟價值。 6 2 直流電機 PWM 調速系統(tǒng)原理設計 PWM 脈寬調制 PWM 脈寬調制介紹 脈寬調制的全稱為： Pulse WidthModulator,簡稱 PWM。 由于它的 特殊性能常被用于直流負載回路中燈具調光或直流電動機調速 ， HW1020 型調速器就是利用脈寬調制 (PWM)原理制作的馬達調速器 ， PWM 調速器已經在工業(yè)直流電機調速、工業(yè)傳送帶調速、燈光照明調解、計算機電源散熱 及 直流電扇等得到廣泛應用。 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器 直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調速系統(tǒng)，或直流 PWM調速系統(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；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧 波少，電機損耗及發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達 1:10000 左右；若與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強；電力電子開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網功率因數(shù)比相控整流器高。因而， PWM 調速系統(tǒng)的應用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經完全取代了 VM 系統(tǒng)。 目前，高頻電壓領域的具體發(fā)展狀況基本情況是這樣的。目前已經提到并得到應用的 PWM 控制方案就不下于數(shù)十種， 尤其是微處理器應用于 PWM 技術數(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)，轉矩脈動最少，再到消除噪音等， PWM 控制技術的發(fā)展經歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項技術的研究方興未艾。不少方法已經趨向于成熟，并有許多已經在實際中得到應用。 PWM 控制技術一般可分為三大類，即正弦 PWM、優(yōu)化 PWM 及隨機 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）。 隨著計算機畢業(yè)設計技術的不斷進步，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。交流電機調速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM 技術的不斷進步。目前廣泛應用的是在規(guī)則采樣 PWM 的基礎上發(fā)展起來的準優(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。 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調整，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。自從全控型電力 電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器 直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流 PWM 調速系統(tǒng)。 7 直流 PWM 調速系統(tǒng)采用門極可關斷晶閘管 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）型的調速系統(tǒng)近年來已經發(fā)展成熟，用途越來越廣泛，與晶閘管可控整流調速系統(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） 開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較??； （ 3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，因 而調速范圍寬； （ 4） 系統(tǒng)頻帶寬，快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強； （ 5） 主電路元件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，裝置效率較高； （ 6） 直流電源采用不可控三相整流時，電網功率因數(shù)高。 PWM 基本原理 脈沖寬度調制（ PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。 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)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，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 進行編碼。簡而言之，就是 用改變電機電樞 (定子 )電壓的接通和斷開的時間比 (占空比 )來控制馬達的速度，在脈寬調速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值。 總體方框圖 整個系統(tǒng)上采用了轉速、電流雙閉環(huán)控制結構，如圖 所示。在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速 調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出作為 PWM 的控制電壓。從閉環(huán)反饋結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，是內環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設計；轉速調節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質，調節(jié)器均采用 PI調節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以 GTR 為可控開關元件、 H 橋電路為功率放大電路所構成的電路結構?？刂?PWM 脈沖波形，通過調節(jié)這兩路波形的寬度來控制 H電路 中對電機速度的控制。 圖 系統(tǒng)結構 8 另外，數(shù)字式直流電機轉速控制系統(tǒng)設計有控制器、 PWM 驅動器、轉速檢測電路、按鍵設定、顯示輸出五部分。 PWM 驅動器、轉速檢測電路、按鍵設定、顯示輸出都是由控制器控制實施的?？傮w框圖 ： a)直流電機 PWM 調速系統(tǒng)原理圖 b)直流電機 PWM 調速系統(tǒng)設計方框圖 圖 系統(tǒng)設計 電機轉速是通過光電傳感器檢測產生觸發(fā)脈沖經過觸發(fā)器分頻觸發(fā)單片機中斷計數(shù)，經定時計數(shù)得到標準計數(shù)值，由單片機對數(shù)據(jù)的計算、處理，建立了時間和脈沖的關系式，得到每分中電機的轉 速。將轉速與給定轉速作差得到偏差量，再由 PID 進行調節(jié)，使轉速趨近給定轉速實現(xiàn)控制。電機的速控是通過 PWM 方式控制的。 PWM 是由三角波發(fā)生電路、比較器、反饋電路。反饋是由單片機輸入偏差量給高速的 DA，由 DA輸出反饋值作用 PWM 中達到閉環(huán)反饋控制。電機是由集成 H 橋芯片驅動，為了防止電壓的擾動控制中增，加了 ? 型濾波電路平直電流。電機正反轉是由電壓的正負方向控制的。當切換方向時電路中 ? 型濾波電路的電感會產生反電動勢會影響系統(tǒng)供 電，嚴重會使系統(tǒng)無法正常工作。所以切換使用了繼電器作為切換開關。按鍵功能可以設定轉速，控制電機的轉動的正反方向。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)調的原則的基礎上設計的。 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)及其靜特性 提出問題 由前面的分析可知，采用轉速負反饋和 PI 調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。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)過程的電流或轉矩。 在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，只有電流截至負反饋環(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，靠強烈的負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。帶電流截至負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)啟動時的電流和轉速波形如圖 所示。當電流從最大值降下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 對于像龍門刨床、可逆軋鋼機那樣的經常正反轉運行的調速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產率的重要因素。為此，在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，希望充分利用電機允許過載能力，最 好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）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，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又讓電流立即降低下來，使轉矩馬上與負載平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形見圖，這時，起動電流呈方形波，而轉速是呈線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(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反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就應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反饋，而不能讓它和轉矩負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)定轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種負反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調速系統(tǒng)可以解決這個問題。 轉速和電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別是轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如圖 所示。這就是說，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制 PWM 調制器。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速調節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器都采用 PI 調節(jié)器如圖 示。 10 圖 PI調節(jié)器 穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結構圖，如圖 所示。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 PI 調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達到限幅值；不飽和：輸出未達到限幅值。當調節(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節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關系，相當于使調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(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)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖 實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因 此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 （一）速調節(jié)器不飽和 這時，兩個調節(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，這就是靜特性的運行段。 （二）轉速調節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達到限幅值 *imU ，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉 速的變化對系統(tǒng) 不再產生影響。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 是設計者選定的，取決于電機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?