直流电机调速（共12篇）
直流电机调速 篇1
1 直流电动机
直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电, 通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉;但缺点是效率低、机械特性软, 不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期, 发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来, 随着电力电子技术的迅速发展, 由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统, 它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展, 使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管, 出现了性能更好的直流调速系统。
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为
式中:Ua——电枢供电电压 (V) ;
Ia——电枢电流 (A) ;
Ф——励磁磁通 (Wb) ;
Ra——电枢回路总电阻 (Ω) ;
Ce——电势系数, , p为电磁对数, a为电枢并联支路数, N为导体数。
由式 (1) 可以看出, 式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量, 只要改变其中一个参量, 就可以改变电动机的转速, 所以直流电动机有三种基本调速方法: (1) 改变电枢回路总电阻Ra; (2) 改变电枢供电电压Ua; (3) 改变励磁磁通Ф。
2 改变电枢电压调速
连续改变电枢供电电压, 可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。如前所述, 改变电枢供电电压的方法有两种, 一种是采用发电机-电动机组供电的调速系统;另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。下面分别介绍这两种调速系统。
2.1 采用发电机-电动机组调速方法
如图1 (a) 所示, 通过改变发电机励磁电流IF来改变发电机的输出电压Ua, 从而改变电动机的转速n。在不同的电枢电压Ua时, 其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线, 如图1 (b) 所示。由于电动机既可以工作在电动机状态, 又可以工作在发电机状态, 所以改变发电机励磁电流的方向, 如图1 (a) 中切换接触器ZC和FC, 就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。
由图可知, 这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机 (LF) , 因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。为克服这些缺点, 50年代开始采用水银整流器 (大容量) 和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。
2.2 采用晶闸管变流器供电的调速方法
有晶闸管变流器供电的调速电路如图2 (a) 所示。通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位, 即可改变整流电压, 从而实现平滑调速。在此调速方法下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图2 (b) 中。
图2 (b) 中的每一条机械特性曲线都由两段组成, 在电流连续区特性还比较硬, 改变延迟角a时, 特性呈一簇平行的直线, 它和发电机-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区, 则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。
变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中, 由于电动机在任何转速下磁通都不变, 只是改变电动机的供电电压, 因而在额定电流下, 如果不考虑低速下通风恶化的影响 (也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式) , 则不论在高速还是低速下, 电动机都能输出额定转矩, 故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统, 调速范围可达50:1~150:1, 甚至更大。
摘要：直流电动机具有良好的运行和控制特性, 长期以来, 直流调速系统一直占据垄断地位。在许多工业部门, 如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制技术的角度来看, 又是近年发展迅速的交流调速系统的基础。目前.直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。本文主要讲的是改变电枢电压调速。
关键词：直流电机,调速方法,换向器
直流电机调速 篇2
摘要：单相电机变频调速具有相当的实际意义。依据其调速的基本理论，就其常用的功率主电路部分和控制方案进行了详细的分析和综述，讨论了目前研究工作中存在的问题，并对其发展的方向进行了展望，给出了一些个人的观点。关键词：变频调速；单相电机；拓扑；控制策略
引言
变频调速技术在异步感应电机调速系统中，以其优异的调速和启动性能、高功率因数和节电效果，而被公认为最具发展前途的调速手段。
只有两套绕组的单相交流异步电动机，结构简单，生产成本低廉，使用维护方便，在小功率电机应用方面，如电冰箱、洗衣机、电风扇、空调等家用电器，汽车附件等领域占据主导地位。但是其工作效率低，仅为60％～70％，运行性能差，启动转矩小，一般不能应用在需要调速的场合，其转速的调节主要采用调节端电压和改变电机极对数的方法，调速效果已经越来越不能满足生产和生活的需要。为了弥补单相电机调速方面的缺陷，追求更高的性能，人们把更多的目光投向了无刷直流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。尽管这些电机在工作效率、稳定性和出力等方面表现出众，然而他们共同的致命缺点就是成本太高，难以普及。随着变频调速技术的日渐成熟，其在单相电机中应用的研究也逐渐开展起来。
尽管三相电机的变频调速技术已经日渐成熟，但是，单相电机的变频调速技术却还面临着以下一些问题：
1）单相电机的绕组不同于三相电机，其主副绕组多为不对称绕组，副绕组通常串联了运转电容，给合成圆形旋转磁场带来新的问题；
2）单相电机用的变频调速逆变主电路结构同样有其独特的一面，存在如何获得合理，高效的逆变电路的问题；
3）针对单相电机变频调速，存在采用什么样的控制技术，才能使得单相电机获得与三相电机，甚至与直流电机一样优良的调速效果的问题。
本文将主要依据以上3个问题，就单相电机绕组，主电路结构及其控制技术，对国内外单相电机变频调速技术的最新发展进行了较为详细的分析和综述，并在此基础上对其发展方向加以探讨。
1单相电机绕组分析
根据单相电机合成磁场的分析[1]，单相电机的定子上嵌放有两相绕组，设两相绕组轴线在空间相距β电角度，两相绕组中通入相位差为θ的电流，两相合成圆形旋转磁势的条件是
式中：FM为主绕组磁势幅值；
FA为副绕组磁势幅值。
在单相电机中，定子两相绕组轴线通常相距90°，为了获得圆形旋转磁势，总希望两相电流相位差等于90°。
参考文献[2]给出了不对称绕组单相电机的等效电路，依据此等效电路，当空间电角度β和相位差θ均为90°时，电机在以下条件下满足圆形旋转磁场的要求，获得最佳性能：
式中：Imain为主绕组电流；
Iaux为副绕组电流；
a为副绕组与主绕组之间的匝数比。
继而得出Imain=αIaux。
实际上，在电机的运行过程中，时刻保持主副绕组电流比值恒定相当困难，通常以Vaux=aVmain来近似实现电流比值的恒定。
单相电机多为电容运转式电动机，副绕组中串联的电容值，在工频条件下能使电机获得较好的运行性能。当电机运行在低频时，随着电容容抗的增大，副绕组中流过的电流相位与主绕组不再成正交关系，于是电机出现过热，转矩降低，脉动转矩增大等问题[3]。所以，目前采用的变频电路均采用去掉电容，两相绕组分别控制的方案。但是，去除电容也就意味着要增大加在副绕组上的电压值。
2逆变器主电路结构拓扑
2.1半桥逆变电路
由于只需要输出两相电压，使得单相电机半桥逆变电路结构简单，仅仅需要4只功率变换器件组成两个桥臂即可，如图1所示。半桥逆变电路具有结构简单，功率开关器件数目最少，成本低廉，稳定性高等优点。
但是，对于单相电机，采用半桥逆变电路面临这样一个问题：由于电机的两相电流I1及I2在相位上相差90°，因而流向中性点N的两相电流之和I是两相电流的矢量和。
对于用两只电容串联构造中点的电源，回馈电流I会使得前级变频电源输出电压波动加大，迫使电源加大输出电容；同时，由于负载不对称带来的直流偏量还会使得中点电位向正（或负）方向持续漂移，给供电带来极大影响。所以，如何获得高质量的双极性直流电源是采用半桥逆变电路的关键所在。在参考文献[4]中，提出了一种采用Cuk和Sepic电路并联方式，来获取双极性直流电源的方式。但受到功率开关容量的限制，功率和输出电压的大小都有待提高，整个电路的实用性还有待验证。
2.2全桥逆变电路
普通全桥逆变电路每相由4只功率开关器件组成，两相绕组共需8只功率开关器件，如图2所示。同半桥逆变电路相比，功率开关器件数量比为2：1，结构上变得复杂，在稳定性和经济适用方面都不如半桥电路。但是，全桥逆变电路不再需要对称正负输出电源，而只需要单路稳压电源即可。两相绕组的电流也不再对电源形成大的干扰。同时全桥电路的直流电压利用率也比半桥电路要高。
鉴于开关器件的数目较多，在实际应用中将图2中中间两只桥臂合二为一，成为两套绕组的公共桥臂，就得到了图3所示的两相三桥臂全桥逆变电路[5]。其中的公共桥臂分别同左、右桥臂组合，构成两相全桥逆变。
两相三桥臂全桥逆变电路继承了全桥逆变电路的优点，同时有效地减少了开关器件的数目。在直流电压Ud相同的情况下，其输出电压值可达到全桥电路的70％以上。在逆变桥结构上，两相三桥臂电路同三相半桥逆变电路完全一致，因此，容易从已有的六单元功率模块移植过来使用，其输出也可在三相同两相之间灵活转换。而目前三相逆变电路用的六单元功率模块的.发展已经颇为成熟，尤其是在小功率应用场合。
3控制技术
单相电机采用半桥逆变电路时，由于主电路结构类似，诸如SPWM和SVPWM等调速技术可以方便地移植到单相电机调速中来。以下讨论控制技术时，为了分析方便，均假设电机的两相绕组对称，即两相绕组相同，空间上相互垂直。同时假定正负电源对称，幅值恒定，中性点N不因电流I的注入而浮动。
3.1半桥SPWM控制
单相电机采用SPWM控制技术时，由于要保证两相绕组中的电流相位差为90°，所以，两路调制信号的相位相应地也要设定为相差90°。SPWM控制的优点是谐波含量低，滤波器设计简单，容易实现调压、调频功能。但是，SPWM的缺点也很明显，即直流电压利用率低，适合模拟电路，不便于数字化方案的实现。半桥SPWM控制技术的研究已经相当成熟，有关的文献资料也比较多，在此不再做过多的分析。
3.2半桥SVPWM控制[6]
依据电机学的知识可知，电压空间矢量同气隙磁场之间存在如下关系：
U=dφ/dt（4）
通过控制电压空间矢量来控制电机气隙磁场的旋转，所以SVPWM控制又称为磁链轨迹控制。
开关器件S1和S2，S3和S4的开关逻辑互补，则4只开关器件只能产生4个电压矢量。依据参考文献[6]的作图方法可得到图4所示的电压矢量图。
从矢量图来看，在两相半桥逆变电路中，不会产生零电压矢量。为了合成一个幅值为Uα，相角为α的电压矢量，在矢量分解时，其X轴的分量要有E1和E2共同完成，而Y轴分量要由E3和E4共同完成。
在一个开关周期T内，E1作用的时间为t1，则E2作用的时间为T－t1。E3作用的时间为t2，而E4作用的时间为T－t2。根据矢量分解可以得到式（5）和式（6）（矢量E1，E2，E3，E4的大小均为Ud/2）
又因t1(t2)?T，所以?Ud/2。即半桥逆变电路在采用SVPWM控制时，输出相电压的最大值为Ud/2。
3.3两相三桥臂全桥逆变SPWM控制[7]
采用SPWM控制时，由N1及N2构成的公共桥臂要同时接入电机的两相绕组中，所以在调制时，公共桥臂的调制波就不同于A及B桥臂的调制波。
整个逆变电路具体调制方法为：在载波相同的情况下，A及B相调制波为正弦波，相位上A相超前B相90°（电机正转，反之，B相超前A相90°，则电机反转）；公共桥臂则采用恒定占空比的方法调制，上下桥臂占空比均为50％，如图5所示。
根据图示的电路工作波形，在一个开关周期内输出电压的平均值：
在SPWM调制中，D=(1＋msinωt)，代入式(7)可得：(t)=mUdsinωt。当开关频率远大于输出电压频率时，输出电压的瞬时值uo(t)≈(t)。
如此在A及B绕组上得到幅值相等，相位相差90°的正弦电压。电压幅值与调制度m成正比。当m=1时，输出电压峰值达到最大，为Ud/2。依据电机的V/f曲线和输出电压与m的关系，即可实现两相电机的变压变频调速控制。
3.4两相三桥臂全桥逆变SVPWM控制[5]
逆变电路中，功率器件的每一种通电模式，都能在电机中生成一支空间电压矢量。对于两相三桥臂逆变电路，根据同一桥臂上下开关互补导通的原则，三个桥臂共产生8种开关组合模式，可以在电机绕组上得到8支空间电压矢量，它们以V(A，N，B)来表示。其中A=1时，表示A1导通，A2关断；A=0时，表示A1关断，A2导通，其余类推。8支矢量如表1所列。
表18支空间电压矢量关系组合
V
非零矢量
零矢量
无用
A
1
0
0
1
0
1
1
0
N
0
0
1
1
0
1
0
1
B
0
1
1
0
0
1
1
0
忽略绕组电阻压降时，非零电压矢量的幅值为
|V(1,0,0)|=|V(0,0,1)|
=|V(0,1,1)|=|V(1,1,0)|=Ud（8）
|V(1,0,1)|=|V(0,1,0)|=Ud（9）8支矢量中，两个零矢量位于坐标原点，其余6支根据绕组轴线以图6所示方式分布。电压空间矢量都可以由与之相邻的两个基本矢量和零矢量组合而成。矢量V(1,0,1)和V(0,1,0)在矢量合成时可有可无。为了计算的方便，只使用4只位于坐标轴上矢量和两只零矢量来合成电压空间矢量。（10）
t0=T－t1－t2由t1＋t2?T，得?Ud/，即输出相电压最大值为Ud/。
4结语
1）单相电机逆变主电路的结构主要分为全桥和半桥两种。半桥电路结构简单，成本低廉，要求前级电源能稳定提供正负对称输出。
2）全桥逆变电路，由于两相三桥臂需要的开关器件相对较少，易于采用三相电路中六单元功率模块，比起8只开关器件组成的全桥逆变电路优势明显。
3）半桥电路采用SPWM和SVPWM控制时，输出电压最大值相同；在全桥电路中，SVPWM的直流电压利用率比SPWM要高出41％。SVPWM控制易于数字化的实现，合理安排矢量作用顺序，能有效减小开关损耗。
基于DSP电机调速系统 篇3
关键词 DSP 调速系统 电路 仿真
中图分类号：TM3 文献标识码：A
1电机调速系统简介
1.1电机生产中的分类
机械生产中广泛使用了两种技术：第一种是不改变同步转速的方法，其中又分为了转子串电阻调速、斩波调速、串级调速、应用电磁砖差离合器（又如液力偶合器、油膜离合器）等调速方式。第二种是改变同步转速的方法，改变定子极对数的多速电动机，其中又分为改变定子电压、频率的变频调速。
1.2电机方式的分类
从调速的方式来看电机调速分为调压调速、变极调速、变频调速、电磁调速。
（1）调压调速顾名思义，就是变动电动机的定子电压实现调速的目的。调压调速时对于单相电动机来说电压是在0-220V之间的电压值；對于三相电动机来说电压是在0-380V之间变化的。调压调速方式的优点在于调速过程中产生的转差能量再次循环利用使得这种方式效率高，缺点在于功率因素较低，并且有谐波干扰、运行时没有制动转矩一般用于单象限运行的负载。
（2）变极调速的定义是改变电动机定子绕组的接线方式来变动电动机磁极的对数，进而逐步有级的变化同步转速来实现电动机转速有级地调速。变极调速的电动机产品比较定型，例如单绕组多速电动机。变速调速电动机的优点在于没有附加的差基损耗、效率高，并且控制电路很简单、便于维修、制作成本低，还可以与定子调压或者电磁转差离合器组合使得效率提高。
（3）变频调速，就是用改变异步电动机定子端输入电源的频率使之连续可调来改变它的同步转速，实现电动机调速的方法。变频电机是最节能高效的电机，其优点在于无附加转差损耗，效率高，调速范围广。在低负载运行的时间较长，或者起停运行较频繁的场合可以有节电保护电机的作用。缺点是技术相对复杂，成本较高。
（4）电磁调速就是通过电磁转差离合器来实现调速的目的。电磁调速异步电动机俗称滑差电动机，是一种比较简单可靠的交流无极调速设备。这种电动机采用组合式结构，由拖动电动机、电磁转差离合器和测速发电机等组成，测速发电机是作为转速反馈信号源供控作用。这种电动机的无极调速是通过电磁转差离合器来实现的。其优点在于结构较简单，控制装置容量小，成本便宜，并且运行可靠维修简单，没有谐波干扰。缺点在于速度损失较大，效率比较低。
2三相交流电机
2.1 三相同步电机
直流电机中，用换向器绕组代替转子绕组，可以使定子磁场与转子磁场相对静止，产生恒定的电磁转矩，从中我们想到，将电机定子绕组改造成三相对称绕组A-X、B-Y、C-Z，在这个系统中三相对称绕组中通入三相对称正弦电流，就会产生幅值恒定的旋转磁场，其转速等于相电流的角频率。将转子绕组嵌入转子槽中，做成分布绕组，将此分布绕组作为励磁绕组，通入励磁电流，这时在气隙中就会产生正弦分布且幅值恒定的励磁磁场，之后它随着转子一起旋转。
定子磁场和转子磁场相互作用，之后形成电磁转矩。定子旋转磁场速度ws和转子速度wr的大小决定了这两个磁场轴线间的电角度，当ws=wr，时，这个电角度为常数，两个磁场的相对位置不变，产生恒定的电磁转矩。三相同步电机稳态工作时，定子旋转磁场幅值恒定，在励磁绕组中不会产生电动势。但转子磁场在定子绕组中却会产生电动势。
同步电机中转子线圈与定子线圈的等效励磁电感相等，用Lm来表示，再用Is表示定子电流，用If表示分布绕组中的励磁电流，用 表示定子旋转磁场在d-q坐标系中的空间相位，则电磁转矩te可由下面公式计算得到：
te= - IsIfLmsin （1）
式（1）中的负号表示电磁转矩的方向应使 减小。用 f表示励磁绕组磁链，其大小为：
f=LmIf （2）于是，式子（1）又可以改为：
te= fIssin （3）
2.2 三相异步电机
2.2.1 三相异步电机的历史
在说三相异步电动机之前，我们先说电动机的历史。直流电机和交流电机相继诞生于19世纪，拿直流电动机和交流电动机想对比的话，直流电机的转矩更加容易控制，并且直流调速系统具有起、制动性能较好，调速范围广，静差小及稳定性能好等优点，因此作为调速系统的首选机型。随着工业的发展，由于直流电动机内部采用的是机械式换向器，所以大功率高速度的直流电动机设计起来极其复杂，而复杂的设计又造成了价格方面的昂贵以及维护方面的麻烦，在特大功率，超高速度的场合中直流电动机甚至根本无法设计使用使得人们技术突破造成了瓶颈。
随着现代控制理论的发展，电力电子技术的突破以及微机控制的出现，交流电机的速度控制在理论上得到验证，在实际应用中得到了技术上的支持，控制技术越来越成熟，调速性能已经能和直流电机相媲美，应用范围甚至超过了直流电机，并且伴随着交流电动机的先天优势：结构比较简单、制造成本比较低、维护起来也较为经济，交流调速系统的客观发展趋势已经说明总有一天直流电机会完全被交流电机取代。
三相异步电机是当今应用最广泛的交流电机之一，因此对它的控制策略与如何节约能源相结合的研究对基础工业自动化而言具有举足轻重的意义。
2.2.2 三相异步电机的试验内容
这次主要的研究课题就是基于TMS320LF2407A电机数字控制DSP芯片的空间矢量模糊调速系统的研究。本次研究我们运用了磁场定向技术、矢量控制理论、SVPWM算法以及模糊控制理论，并由Simulink的仿真来证实该系统动、静态性能好，稳定性高、鲁棒性强、抗干扰能力强等等特点。
（1）矢量控制技术简介
为了使非线性，强耦合的三相异步电机获得较高的动态调速性能，研究人员于上世纪70年代提出了基于转子磁场定向技术的矢量变换方法，即利用坐标变换的方法把三相静止坐标系下的定子电流、电压和主磁链，变换到以转子磁场定向的两相旋转坐标系下，这样，定子电流就被分解成了励磁电流和转矩电流两个分量，矢量控制的基本思想就是通过对这两个电流分量的相位和幅值分别进行控制来实现对电机转矩的控制。实质上而言，矢量控制技术所包含的主要内容是电机等效电路，磁链方程，转矩方程以及坐标变换。
（2）SVPWM算法
空间矢量脉宽调 （Space Vector Pulse Width Modulation）简称为SVPWM，它是基于如何使三相异步电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场为思路而产生的电机控制算法。SVPWM的总体构想是在一个控制系统中把逆变器和电机当做一个整体来考虑，因此对按照这种设想来建立的数学模型进行分析比较简单，实时控制起来也比较方便，实际系统中输出电压和电流中产生的谐波少，并且从节能方面来考虑，相比起传统的SPWM算法而言，SVPWM算法的电压利用率也要高出15%。
（3）模糊控制理论
模糊控制理论最早是在1965年就由美国学者L.A.zadeh首先提出，经过多年研究之后在1973年他又给出了模糊逻辑的定义和相关定理。到了1974年，英国学者E.H.Mamdani首先尝试利用模糊控制语句构造模糊控制器，并将它用在锅炉和蒸汽机的控制上，这一次尝试不仅取得了成功，而且这一历史性的创举标志着模糊控制理论的诞生以及运用。模糊自动控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机或者微机数字控制，在实质上它是一种非线性控制，从属于智能控制理论的范畴，并且具有系统化的理论基础，同时还具有大量的实际应用。模糊控制理论发展至今已经40多年了，不管是在理论上还是在技术上都有了飞速发展，因此它成为了自动控制领域最有成果的分支之一。
2.2.3 三相异步电机的DSP结构
用霍尔器件测量逆变器输出的定子电流iA、iB经过DSP的A/D转换器变化为数字量的，并且利用式子ic=-（iA+iB）来算ic，再通过Clarke和Park变换把电流由iA、iB、ic变换成旋转坐标系中的各个直流分量作为电流环的负反馈量。由于异步电动机的转子机械转速与转子磁链转速不同步，所以用电流一磁链位置转换模块求出转子磁链位置，用于参与Park变换和逆变换的计算。给定转速n`与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流T轴参考分量iT`。iT*和iM* （等于零）与电流反馈量iT、iM的偏差经过电流PI调节器，分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量V M*和V T*。V M*和V T*再通过Park逆变换转换成 、 直角坐标系的定子相电压矢量的分量V *和V *。当定子相电压矢量的分量V *、V *和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空问矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。以上操作完全可以全部采用软件来完成，从而实现三相异步电动机全数字实时控制。
2.2.4 三相异步电动机的软件设计
我们用TM320LF240DSP实现转子磁场定向的矢量控制算法来设计，这个系统是包括系统主程序和中断服务子程序构成的。主程序主要完成DSP芯片的控制系统初始化部分，可以用C语言进行编程来提高程序的可读性；中断服务程序时完成矢量控制算法的主要部分，其采用了DSP的汇编语言编程来满足系统对实时性的要求。
2.2.5 系统的仿真
转速阶跃给定为1500r/min，直接启动电机，在2s、4s、6s、8s负载为：20N·m、15N·m、25N·m、20N·m。仿真表明，系统的动态响应快、超调量小及抗干扰能力强。
综上所述，以上结果可以看到该电机速度控制系统中电机的转速响应快，转矩的波动小，超调量小，动态性能和静态性稳定。该仿真是对该调速系统设计思路的验证，结果证明设计思路是可行的，在实際系统设计中可以以该仿真为依据，进行硬件电路的搭建和控制程序的流程设计。
参考文献
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直流电机的调速性能研究 篇4
直流电机在使用过程中做好不同的调速控制, 其主要指对内部机械结构装置的控制。从机械行业角度看, 直流转速控制系统实际上就是两个机械结构之间的调整, 以满足实际设计控制的需要。单片机运用于直流电机控制后, 需要根据实际操控情况加以处理更新。一个简单的直流电动机它的两个磁极 (N极和S极) 在空间固定不动, 两磁极之间有一铁质的圆柱体 (称为电枢铁芯) 。电枢铁芯与磁极之间的间隙称为气隙, 两根导体ab和cd连成一个线圈, 并嵌置在电枢铁芯表面上, 通常称为电枢绕组。线圈的首、末端分别连接到两个圆弧形的铜片 (称为换向片) 上, 换向片固定在转轴上, 换向片之间以及换向片与转轴之间都是互相绝缘的。电机转动部分称为电枢, 为了把电枢绕组和外电路接通, 装置了两个在空间固定不动的电刷A和B, 当电枢转动时, 电刷A只能与转到上面的一片换向片接触, 而电刷B只能与转到下面的一片换向片接触。在电刷A、B两端接上直流电流电源U, 电刷A接至电源的负极, 电刷B接至电源的正极, 则线圈中有电流流过。我们知道, 位于磁场中的载流导体必将受到电磁力的作用, 至于电磁力的方向可用左手定则确定, 这一电磁力形成了作用于电枢铁针芯方的向电旋磁转转, 从矩而, 拖由动图与可电见机轴, 相转联矩的的负方载向机械是运逆转时, 针成的为一, 台电直动流机电的动电机。枢在此转矩的作用下, 将逆时针方向旋转, 从而拖动与电机轴相直联流的电负机载的机结械构运转, 成为一台直流电动机。
2直流电机的结构由于产品结构形式及使用性能的
由于产品结构形式及使用性能的不同, 直流电机根据用途不同和功率不同, 其结构形式也各有不同, 因此, 在生产、生活现实中使用着各种结构形式的直流电机, 但不管其结构形式如何, 从原理上讲它都是由一些基本部分组成, 图1和图2分别为直流电机的结构示意图和剖面图。结构形式也各有不同, 因此, 在生产、生活现实中使用着各种结构形式的直流机, 但不管其结构形式如何, 从原理上讲它都是由一些基本部分组成, 图1图2分别为直流电机的结构示意图和剖面图。
总体上说, 直流电机由定子 (固定部分) 和转子 (转动部分) 两大部分所组成, 定子的作用是用来产生磁场和作电机本身的机械支撑, 它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等, 静止的电刷装置也固定在定子上, 转子上用来感应电势和通过电流从而实现能量转换的部分称为电枢, 它包括电枢铁芯和电枢绕组总体上说, 直流电机由定子 (固定部分) 和转子 (转动部分) 两大部分所组成, 定子的作用是用来产生磁场和作电机本身的机械支撑, 它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等, 静止的电刷装置也固定在定子上, 转子上用来感应电势和通过电流从而实现能量转换的部分称为电枢, 它包括电枢铁芯和电枢绕组, 电枢铁芯固定在转轴上, 转轴两端分别装有换向器和风扇等, 由于习惯, 人们常将直流电机的转子称为电枢。
3直流电机的调速特
直流电机的调速特性质上是一种能量的转换控制。直流电机在运行过程中可以对内部速度进行严格操控, 保持转速系统的速度、功率等均处于一个标准的控制范围。这一方面可以保证直流电机的有效运行, 另一方面也能加强各个转速控制系统更好地受单片机系统操作, 满足了现代电机运行的实际需要。目前, 从工业企业的实际运用状况看, 我国的直流电机在使用过程中发挥出现的作用集中体现在了“转速控制”上, 对内部的机械结构实施有效的调控处理。直流电机的调速方法具体包括:
1) 改变电枢电路外串接电阻, 电阻是影响电路连接的重要装置, 在操控过程中通过改变电阻值的大小能对电机的转速控制系统严格调控。有的机电产品在转速调节上功能较多, 往往难以发挥理想的控制作用。而直流电机使用后对于速度方面的控制作用变得更加显著。但就这一方面来说, 由于直流电机对电阻的改变存在许多缺陷, 一般工业上很少用这种功能;
2) 改变电动机电枢供电电压U。电压是保证机电系统正常运行的重要基础, 在使用系统运行阶段可以通过调整控制系统电压大小实现控制设计。本次设计中尝试了采用其它装置进行电压调试, 但发现装置在使用过程中会出现不同的失稳状态, 电压供给不均衡而影响到整体操控上的效果;
3) 改变直流电机的速度。这种特点表现在多个方面, 主要包括了:可以平滑无极调速, 但只能弱磁调速, 即在额定转速以上调节;调速特性软, 且受电动机换向条件等的限制;当电源电压连续变化时, 转速可以平滑无极调节, 一般只能再额定转速以下调节;调速特性与固有特性互相平行, 机械特性硬度不变, 调速的稳定性高, 调速范围较大;调速时, 电动机转矩不变, 属于恒转矩调速, 适合于对恒转矩型负载进行调速;可以靠调节电枢电压来启动电机, 而不用其它设备;
4) 改变励磁磁通运行状态。这种控制方式同样可以达到不同的标准要求, 具体显现在:可以平滑无极调速, 但只能弱磁调速, 即在额定转速以上调节;调速特性软, 且受电动机换向条件等的限制;调速时维持电枢电压和电枢电流不变, 即功率不变, 属于恒功率调速。
经过综合分析之后, 对于此次直流电机转速控制系统的设计决定选择改变电动机电枢供电电压U的方法来控制电机的转速, 这不仅能维持电压的稳定运输, 且可以确保各项装置在使用时能发挥较好的控制作用。
参考文献
[1]张靖武.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[J].电子工业出版社, 2007, 4.
[2]成都, 叶琛.单片机系统常用软件抗干扰措施[N].电子报.2000.
[3]江友华, 曹以龙, 龚幼民.高压大功率电机调速方案的探讨和比较[J].变频器世界, 2005 (5) .
[4]陈郁.全数字直流调速装置在轧辊磨床拖板电控系统中的运用[J].冶金标准化与质量, 2003 (5) .
直流电机调速 篇5
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？
基于PLC的电机调速系统设计 篇6
关键词： PLC S7-200 电机 编码器 触摸屏
直流调速系统是工业生产过程中最常用的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。传统的直流调速控制系统多采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但线路复杂，调速性能较差[1]。采用PLC实现直流电机的调速系统，电路设计简单，调速性能更好。
PLC是一种工业控制系统，在结构、性能、功能及编程手段等方面都有独到的特点。在构成上，具有模块结构的特点，有利于维护，并且功能扩充很方便，便于安装。在性能上，可靠性高。PLC的平均无故障时间一般可达三五万小时，并采用在线监控、故障诊断、冗余等技术，提高系统稳定性。在功能上，可进行开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、数据采集及监控、多PLC分布式控制等功能。在编程手段上，PLC的编程语言直观、简单、方便，易于各行业工程技术人员掌握[2]。
一、系统总体设计
本控制系统设计方案采用西门子S7-200系列PLC作为控制核心，它根据接收的触摸屏设定转速值，向直流电机发出控制信号，并采集旋转编码器的脉冲信号，将脉冲信号转换为实际转速值，发送到触摸屏进行实时显示。系统总体设计图如图1所示：
1.S7-200系列PLC
S7-200是西门子公司生产的一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。它具有以下特点：极强的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握、便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。S7-200系列PLC在自动化系统中充分发挥了其强大功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等[3]。
S7-200系列PLC提供了4个不同的基本型号的8种CPU供您使用，本设计方案采用的是CPU224XP。CPU224XP具有14个数字输入点，10个数字输出点，2个模拟输入点，1个模拟输出点和6个高速计数器（30KHz），可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展[3]。
2.GT01触摸屏
GT01是松下公司生产的3英寸、3色LED背光灯触摸屏。它不仅能显示信息、图形，还能自由显示按键、指示灯、PLC数据、图表、时钟等。此外，配合设备的状况，它能够切换3色背光灯，使运行状况一目了然。GT01备有5VDC/24VDC两种电源和RS232C/RS422（RS485）两种通信方式，可与各公司的PLC连接通信[4]。
3.电机与驱动器
本设计方案采用的是和利时公司生产的直流无刷电机和驱动器。
4.编码器
旋转式编码器，是将旋转的机械位移量转换为电气信号，对该信号进行处理后检测位置、速度等信息的传感器。本设计方案采用的是欧姆龙增量式编码器，分辨率为600P/R。
二、系统软件设计
该控制系统的软件设计部分分为PLC程序设计与触摸屏程序设计两部分。
1.PLC程序设计
（1）PLC程序总体设计
PLC程序使用的是STEP7MICROWIN软件，编程语言为梯形图语言。PLC程序的主要任务是完成与触摸屏通信、向直流电机输出控制信号、采集编码器高速脉冲的任务。
S7-200与GT01触摸屏通信采用RS485通信方式，触摸屏可直接对S7-200的内如寄存器进行读写，如I区、Q区、V区、M区、AI区、AQ区等。触摸屏的当前页面保存在S7-200的VW4里。
S7-200向直流电机输出模拟电压信号。模拟电压使用CPU224XP自带的模拟量输出模块产生，通过对AQ区写数据（0-32767），从而改变输出电压值。
S7-200采用高速计数器采集旋转编码器输出的脉冲信号。
（2）高速计数器
高速计数器可以对普通计数器无能为力的高频率信号进行计数，CPU224XP的最高计数频率为30kHz。S7-200系列PLC中有6个高速计数器，分别是HSC0-HSC5。当高速计数器的当前值等于预制值、外部复位信号有效、计数方向改变时将产生中断，通过中断服务程序实现对控制目标的控制。高速计数器根据计数脉冲、复位脉冲、启动脉冲端子的不同接法可组成12种工作模式，不同的高速计数器有多种功能不同的工作模式[3]。
2.触摸屏编程
触摸屏GT01编程使用的是松下公司的GTWIN编程软件[5]。
（1）按钮开关
按钮开关使用的是按键部件SW。根据需要设置SW开关的动作模式，以及按键与PLC对应的寄存器区。具体设置如图4所示：
（2）加减速控制
加减速控制使用的是功能开关部件FSW，实现的功能是对PLC的VW100进行加减控制。具体设置如图5所示：
（2）速度显示
速度显示使用的是数据部件DATA，它读取PLC中VW200的数据，并显示出来。具体设置如图6所示：
三、结语
本设计采用GT01触摸屏作为控制界面，S7-200PLC作为控制核心，旋转编码器提供反馈信号，实现了对直流电机的转速控制，并能够实时进行转速的显示。实验证明，本方案具有很好的调速控制性能，为实现直流电机的数字控制提供了一种新的方法。
参考文献：
[1]李玮，赵江，刘建业.一种实用的单片机控制的数字式调速系统[J].吉林化工学院学报，2002（6）：35-37.
[2]徐国林.PLC应用技术[M].机械工业出版社，2014.
[3]S7-200可编程控制器系统手册[M].西门子自动化工程有限公司，2004.
[4]可编程智能操作面板GT01技术手册[M].松下电器有限公司，2006.
DSP直流电机调速系统研究 篇7
在当今时代的电器领域中,直流电机具有两个突出性能,即运行性能和控制特性,速度调节范围宽,响应快,因此以直流电动机作为执行电机的直流调速系统在电器传动领域被广泛使用,是调速系统的主要形式。近年来,计算机发展迅猛,渗透到各个领域,随着计算机被应用到控制领域,直流电机朝着智能化的方向发展。随着工作生产的发展,直流电动机在速度控制方面的要求更高、更精准,DSP直流电机调速系统的研究与开发,满足这一发展需求,在很多对于系统性能要求高的场合得到广泛的使用。
1 DSP的概述及发展
1.1 DSP技术简介
DSP,即数字信号处理,是电子信息技术的基础学科,它的概念和基本分析方法已渗透到电路与系统、生物医学工程、电磁与微波技术等多个领域,是一门新兴且应用广泛的学科。DSP在通常的信号处理过程中有着突出的优点,如精度高、稳定性好、易于实现自适应算法、大规模集成等,DSP的这些优点是其他系统无法比拟的。
1.2 DSP技术的发展进程
纵观DSP技术的发展史,大致经历三个发展阶段。20世纪50年代到60年代,数字信号处理技术得到初步发展,直到20世纪70年代,提出了DSP的理论和算法的基础,即1978年由AIM公司发布的世界上第一个单片芯片S2811。在1979年,由美国英特尔公司组织投入研究并开发的商用可编程器件2920,被业内人士推崇为DSP芯片的里程碑作品。但是,无论是AIM公司研发的DSP芯片还是美国因特尔公司研发的DSP芯片,都缺少DSP芯片必有的单周期乘法器。世界上第一个拥有硬件乘法器的DSP芯片是由日本公司在1980年推出的mp D7720,被认为是第一块单片器件。1982年,美国德州仪器公司推出了世界上第一代DSP芯片及其系列产品,这一系列产品的出现推动了实时数字信号处理系统的大跨步发展。在90年代以后,DSP芯片进入高速发展阶段,前后推出了六代芯片。
目前,在工业中,电机耗电量大,电机的工作效率问题一直是人们关注的重点,为提高电机的效率,可以通过智能手段从以下两方面着手:一方面,在提高电机的运行性能方面,智能控制所使用的算法更加先进;另一方面,由于系统采用智能控制,就有可能将现有的电机更换为效率更高的电机。
2 DSP系统在电机控制领域的应用
感应电动机或永磁电动机控制器的构成,不仅包括微处理器、存储器和外围芯片,还需要专用门陈列组合,在这种情况下,芯片的使用数量就会增加,相应的软件应用程序更为复杂,从而使使用成本增加,企业的利润降低。为解决上述出现的问题,提高电机的性能同时降低成本,各个公司都致力于在这方面的研究。其中由TI公司研制出的TMS320C24X系列和由AD公司研制出的ADMC系列的控制器,不仅具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点,而且有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备。
由此可以看出,选择以DSP技术为核心的控制系统的直流电机多很有优点,在系统硬件中,减少了芯片的使用,提高了控制系统的可靠性,体积变小,节约成本。
3 直流电机的DSP控制
3.1 直流电机的主要结构
直流电机主要包括两部分,定子和转子,其中定子主要包括主磁极、换向磁极、电刷装置、机座和端盖。主磁极是由铁心和励磁绕组成,产生恒定的气隙磁通。换向磁极主要用于改善换向。电刷装置与换向片相结合,完成直流与交流的互换,机座与端盖起到支撑和固定的作用。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和轴承五部分组成。电枢铁心是主磁路的一部分,用来放置电枢绕组,电枢绕组是电路部分,由带绝缘的导线绕制而成。换向器与电刷装置相配合,完成直流与交流的互换。
3.2 直流电机的工作原理
直流电机作为一种旋转电机,通过直流电能与机械电能之间的相互转化完成工作。首先把电刷A与电源的正极链接在一起,电刷B与电源的负极连接在一起,然后再把电刷A与电刷B分别连接到直流电源上,就形成一个闭合电路,保证电枢线圈中有电流产生并且流过,在磁场的作用下,N极性下导体ab受力方向从右到左,S极下导体cd受力方向是从左到右,该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩,当电磁转矩大于阻转矩时,电机转子逆时针方向旋转,当电枢旋转到所示的位置时,原N极性下导体ab转到S极下,受力方向从左到右,原S极导体cd转到N极下,受力方向从右到左,该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩的作用下,继续逆时针方向旋转。
3.3 直流电机的DSP控制方法
在整个系统的硬件设施部分中,其中硬件TMS320F2812在研发制作的过程中使用了带有2812的DSP开发板,是控制部分的核心硬件,除使用DSP外,还要有一个电源管理芯片,该电源管理芯片能够链接一个5V转为3.3V为系统供电。首先,2812从电机处采集三部分的信息信号,即电机的转速、电流反馈信号以及位置反馈信号,然后DSP再把这三个信号进行处理并输出对外的控制信号。从驱动部分反馈的过流信号是一个0、1信号,DSP在工作时始终监视这一信号,一但监视到1,即表示电机过载,则立即给出一个让电机停止转动的信号,以免损坏电机和调速器。MC33035是驱动部分的控制核心,它的主要作用是根据电机反馈的位置信号,通过分辨出电机转子的位置达到控制开关的目的。在显示部分所采用的主控元件是AT89C51。
在整个系统软件设计的设计部分,通过采集到的电机转速,与给出的速度指令相比较,同时综合滤波算法,不断修正速度误差,一直到这两个速度相同,程序就会认为系统已入锁,如果发生异常,便会启动报警机制,让电机停止发电。
任何电动机的调速系统都转速为给定量,并使电动机的转速跟随给定值进行控制。为使系统具有良好的调速性能,通常要构建一个闭环系统。需要速度调节器与电流调节器对其进行调节。
4 结语
近几年科学技术的不断发展与进步,为直流电机系统信息化、数字化的发展提供了技术支持,并且对其发展起到了巨大的推动作用。DSP有着突出的优点,耗能小、速度快,DSP的使用使整个系统数字化信息化,操作简单易行,可极大地满足电机调速的要求。
摘要：在工程实践中,大量的机械要求要有良好的静态性能和动态性能,并且还要具有在一定范围内保持速度的平滑调节功能。DSP的功能有多,如具有灵活的指令集,改进并行结构,在实际操作中灵活多变,且运转速度快。采用DSP控制器后,使整个调控系统实现数字化,结构简单,操作方便,且电机稳态运行时,其时转速精度可达到很高的水平。本文将介绍直流电机和DSP的发展,直流电机的控制原理及DSP在电机领域的应用。
回转窑直流电机调速装置选型 篇8
ZSN4系列直流电动机是按水泥回转窑负载的工况特点开发的专用系列产品, 能承受脉动电流与较高电流变化率的工况, 起动转矩可达2.5倍额定转矩的要求。由于其起动力矩大, 调速性能优良, 一次投资费用较少, 在国内水泥厂得到广泛的使用。
回转窑电动机的功率和电枢电压也随生产线生产规模的不同而变化。国内5000t/d以下生产线, 电动机功率较小, 电枢电压多为440V, 5000t/d及以上生产线, 由于电机功率较大, 电枢电压多为660V。针对两种不同的电枢电压等级, 在选择启动装置时, 要区别对待。
2 直流调速装置的电压等级
直流全数字调速装置针对不同的系统进线电压, 其直流输出电压也不同。现以ABB公司的DCS800系列直流全数字调速装置为例对选型进行介绍。其输入输出电压如表1所示。回转窑主电机电枢电压为440V和660V, 则相应的系统进线电压为380V和575V。380V电压工厂的配电系统可以直接提供, 575V电压则需要设置专用变压器。变压器容量和全数字调速装置额定电流的选择, 是选择的要点。
3 440V电压等级选型计算
新疆喀什某厂2500t/d生产线, 回转窑规格为:ϕ4m×60m, 主电机型号:ZSN4-355-12, 功率:355k W, 电枢电压:440V, 电枢电流:874A。由于电枢电压为440V, 系统进线电压380V工厂供电系统可以满足, 不需要设置专用变压器。只要求调速装置的输出电流能够满足回转窑启动力矩的要求, 即能够满足回转窑2.5倍启动力矩的要求, 则要求调速装置的输出电流能够达到2.5倍的电枢电流。
式中:
IQ——直流调速装置的瞬间输出电流, A
IN——直流电机的额定电枢电流, A
直流调速装置的选择以其额定电流为主要参数, 厂家生产的直流调速装置的额定电流一般是指装置输出的平均电流。直流调速装置的整流元件基本采用可控硅元件, 可控硅由于自身的过流能力较差, 在选型时应考虑足够的余量。国外品牌的元器件的过流能力一般为1.5倍, 但过流能力与时间有关, 选型时应注意。ABB公司的直流调速器的最大过载能力是1.5倍, 时间为1min。
选取直流调速装置, 其额定电流应为:
式中:
Id——直流调速装置的额定电流, A
IN——直流电动机的额定电枢电流, A
k——满足合适起动时间的直流调速器的允许过载倍数。
本工程选型为ABB公司的DCS800-S01-1500-04, 额定电流为1500A, 则其瞬间输出电流为2250A, 能够满足IQ和Id的电流值要求。该生产线已投产两年, 调速装置的选型完全满足生产线的运行要求。
4 660V电压等级选型计算
新疆托克逊某厂5000t/d生产线, 回转窑规格:ϕ4.8m×74m, 主电机型号:ZSN4-450-092, 功率:710k W, 电枢电压:660V, 电枢电流1208A。由于此电枢电压为660V, 工厂380V的低压系统无法直接供电, 需要专门配置降压变压器。
直流调速装置的启动电流按照式 (1) 进行计算:
直流调速装置交流侧的输入电流为 (理想状态下) :
Ij为专用变压器二次侧给直流调速装置的输入电流。
干式变压器的过载能力与环境温度、过载前的负载情况 (起始负载) 、变压器的绝缘散热情况和发热时间常数等有关, 可以采取增加通风等措施提高过载能力。直流电动机的启动时间一般不大于1min, 变压器1min的过载能力按照2倍计算, 则变压器的二次额定输出电流为:
变压器二次侧额定电压按照直流调速装置输入电压的要求 (表1) , 取575V, 则变压器的视在功率为:
考虑相应的功率因数, 因变压器的损耗相对较小, 功率因数相对可以取值较大, 现取0.95, 则变压器容量为:
当生产线正常运行时, 直流调速装置交流侧的输入电流为:
此时变压器的负载率为71%, 符合变压器负载率要求。
通过以上计算, 充分考虑变压器短时间的过负载能力, 本工程选择的变压器型号为:SC (B) 11-1250k VA, 10/0.575k V。
直流调速装置的额定电流按照式 (2) 进行计算:
本工程选型为ABB公司的DCS800-S01-2050-06, 额定电流为2050A, 则其瞬间输出电流为3075A, 能够满足IQ和Id的电流值要求。该生产线已投产一年, 变压器和调速装置的选型完全满足生产线的运行要求。
5 结语
回转窑电动机调速装置应合理选择, 变压器和直流调速装置的额定容量要计算好, 避免选型过大或过小。实际选型中应充分考虑回转窑的起动特性, 调速器的容量与电动机、变压器的过载能力应相一致, 从而最大限度地发挥设备的能力。
参考文献
数字式直流电机调速系统的设计 篇9
1、数字式直流调速系统总体设计方案
本系统以单片机为核心, 速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机, 计算机按照已定的控制算法计算产生双脉冲, 经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级, 以控制晶闸管输出整流电压的大小, 平稳的调节电动机的速度。晶闸管正反组切换由数字逻辑切换单元来完成, 其整个系统结构框图如图1所示。
2、系统设计
硬件电路设计主要有主电路和控制回路。主回路由晶闸管构成, 控制回路主要由单片机, 检测电路, 驱动电路, 按键输入, 数码显示等构成, 检测电路又包括电流检测, 转速检测, 电源逻辑状态检测等部分。
2.1 晶闸管触发控制电路设计
2.1.1 晶闸管触发方法
晶闸管三相全控桥式整流电路在触发时, 采用双脉冲触发方式, 每次两组各有一个晶闸管导通。单片机在触发晶闸管时, 根据电流控制器的输出控制值uk, 以同步基准点位参考点, 算出晶闸管控制角α的大小, 再通过定时器按控制角的大小以及触发顺序, 准确地向各个晶闸管发出触发脉冲。
2.1.2 控制算法
设相邻控硅之间触发脉冲间距角为Δ。在稳定情况下, Δ=600。当α由αk-1变为αk时, 应有:
在控制时, 一般均使用单片机的定时器来完成触发脉冲输出。这样, 须把角度转换成时间值。交流电的一个周期 (对频率为50Hz为20ms) 对应于3600, 故600对应于10/3ms。为了避免触发错误, 必须加入同步校正。每隔3600来一个同步脉冲 (取自线电压uac的过零点) , 以此为基准点, 校正触发第一对晶闸管SCR1.6的控制角。这可采用在每个周期用定时器计数同步脉冲发生时刻与实际同步脉冲发生时刻之差Te, 触发间距时间TΔ可表示为:
2.2 调节器的设计
为了实现转速、电流两种负反馈分别起作用, 在系统中设置了两个调节器, 分别对电流和转速实行调节, 二者之间实行串级调速。这就是说, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入, 再用电流调节器的输出去控制可控硅等整流器的触发装置。从闭环结构上看, 电流调节器在里面, 叫内环;转速调节器在外面, 叫外环。这样就形成了转速、电流比闭环调节系统。
2.3 单片机系统设计
2.3.1 数字触发
本系统采用Inter的MCS-51中的80C31单片机, 在其触发、显示电路中, 同步电压信号由一只△/Y-1接法之变压器取出Uao (其相位和线电压Uao相同) , 经过二极管、电阻、电压过零比较器LM324和反相器74LS04组成之整形电路输出标准的5V方波, 在同步信号未到时, 软件使7474触发器Q=“1”, 同步信号到来时, 7474的CK端得到正的5V方波, 使7474翻转为Q=“0”, 该负跳向CPU申请中断。CPU接到中断请求信号, 立即转向中断处理程序, 在中断处理程序中, 按照设计的定时间隔, 通过扩展接口8255发6组双窄脉冲, 脉冲经隔离放大加在三相桥的6只可控硅的控制端。
2.3.2 速度检测电路的设计
采用M/T法进行速度测量, 扩展的可编程计数器8253的CLK0, CLK1同用一个参考时钟fc, fc用单片机8031的ALE输出值1M频率, 在利用分频器进行二分频。CLK0为定时器时钟, CLK1为参考计数时钟, CLK2为实际转速计数时钟, 只要8253被单片机选中, 然后各通道送相应的控制字, 一旦作为定时器0#通道工作方式一建立, OUT0由高电平变低, 该低电平在触发器的D端, 第一个代表转速的脉冲到来, Q就翻转到“1”, 该高电平同时启动0#, 1#, 2#通道同时开始减1计数。
2.4 软件设计
在该调速系统中控制部分的软件包括主程序和INT0、T0、T1、T2四个中断处理程序。主程序主要完成各种初始化操作, 然后循环定时完成速度环和电流环的采样和各种计算以及键盘输入和显示扫描等各种功能, 其主程序流程图如图2所示。
3、结语
本设计针对制造业设备改造中采用先进的数字式技术的要求, 设计了一款数字式直流调速系统。该系统以80C31单片机为中央处理器, 设计了合理的触发电路、显示电路、速度检测电路以及控制回路, 通过硬件和软件的相结合, 实现了直流电机的数字式调速功能, 改善了原模拟式直流调速的不足, 更好的满足了工业的需要。
摘要：针对制造业设备改造中采用先进的数字式技术的要求, 对BZ151、B2152型龙门刨床主拖动电机直流调速控制系统进行了改进设计, 经过综合论证, 提出了一种直流调速控制系统的设计方案。以单片机作为中央处理器, 通过触发电路、速度检测电路和控制电路等外扩电路, 实现了直流电机的数字式调速。
关键词：直流调速控制器,双闭环调速系统,单片机
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直流电机调速 篇10
关键词：AT89C52,脉宽调制,直流电机调速,LED,数码显示
引言
由于直流电动机具有制动、起动转矩较大, 转速范围广, 容易实现稳定调速, 可靠性高等优点, 使得其在电力、冶金、机械制造等电机调速要求较高的领域中得到了较为广泛的应用[1]。随着各种高技术的发展, 诸多领域对直流电机在起制动、正反转、调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等性能方面都提出了更高的要求, 同时, 直流电机的调速系统设计也得到了快速的发展。
1 系统总体框架
本文以AT89C52单片机芯片为主控.利用Proteus软件仿真, 实现了直流电机控制系统的调速设计, 并通过按键的方式来控制PWM输出占空比, 从而完成对直流电机的转速大小、方向的调节。
直流电机调速控制系统主图如图1所示。该系统主要是包括AT89C52芯片、直流电动机、PWM占空比显示电路等几部分。系统运行时, 由软体设计生成PWM信号, 并由P3.0、P3.1输出, 经过驱动电路输出给电动机, 从而控制电动机上电与掉电。此外, 采用定时器定时中断进行控制设计。单片机得电后, 系统进入初始状态。当按下启动按键后, P3.0是高电平时实现电机正转, P3.1是高电平时实现电机反转。依据不同的加减速键, P3.0口与P3.1口输出高低电平的预定值, 进而控制P3.0与P3.1输出的不同占空比, 以控制电动机进行速度调节。
2 硬件设计
根据实际试验需求, 本系统采用AT89C52单片机作为微处理器。该单片机具有功耗低、性能高、成本低等优点。内含8K字节Flash, 256字节RAM, 32位I/O口线[2], 兼容标准MCS-51指令系统, 2个全双工串行通信口, 3个16位定时器/计数器, 不需扩展即可满足该系统设计要求。
(1) 直流电机驱动电路设计。由于AT80C52的P3口输出的最高电压只有5V, 不能直接驱动电机旋转, 因此就需要使用芯片L298N来驱动电机旋转。L298N芯片可接受标准的TTL逻辑电平信号VSS, VSS可接4.5V~7V的电压。4脚VS要接电源电压, VS压值范围VIH为正2.5V~46V。输出的电流可高达2.5A, 用来驱动电感性的负载。1脚和15脚下管的发射极分别引出, 以便接入电流采样电阻, 形成电流传感的信号。L298N可同时驱动2个电动机, 2脚、3脚和13脚、14脚之间可分别接电机。本实验装置仅用来驱动一台电动机。5, 7脚接输入控制电机的电平, 控制电机的正反转。En A和En B接电机使能端, 控制电机的停转。此外, 还需要4个二极管加在电机的两端做保护, 以防止电机反转电流烧坏电机。详细驱动电机电路如图2所示。
(2) LED数码管显示设计。在本设计实验中, 采用的是7段4位共阳LED数码管, 因为AT89C52芯片的输出电流小, 点亮LED数码管的能力太小。因此, 选择使用集成芯片放大单片机的输出电流。此外, 本设计采用74HC573做数码管驱动芯片, 其引脚及驱动芯片连接图如图3所示。
(3) 按键电路设计。正转键、反转键、急停键、加速键、减速键分别与AT89C52的P1.0口、P1.1口、P1.2口、P1.3口、P1.4口相连接, 而后又与地相连。按急停键实现电动机的停转, 按正转键实现电动机的正转, 按反转键实现电动机的反转, 按加速键实现电动机的加速, 按减速键实现电动机的减速。
3 软件编程
本设计采用Keil软件经行软件调试, 利用AT89C52的P3口, 软件编制输出一串占空比不同的脉冲, 经L298N放大后驱动直流电机, 改变占空比, 达到电动机正转、反转、加速、减速、停转等目的的设计[3]。由程序在P3.0与P3.1口产生PWM信号, 经过驱动电路后输出给电机, 进而控制电机上电与掉电。程序采用延时法进行设计。主控芯片得电后, 软体系统进入就绪状态。当按动启动按键后, P3.0输出高电平时实现电动机正转, P3.1输出高电平时实现电机反转。依据不同的加减速按键, 调整P3.0与P3.1输出不同的电压占空比, 从而控制P3.0与P3.1输出电平的有效值, 进而控制电动机的加减速旋转。总体设计流程图如图4所示。
(1) PWM波软件设计。通过控制按键运行电路, 改变高电平定时时间的长度来调整高电平所占的宽度, 其由变量high_width控制。变量change、decrease、increase分别用来实现电机的转向、加速、减速。程序设计的流程如图5所示。
(2) LED显示软件设计。检测按键按下的情况变化, 利用数码管将电动机转速显示出来, 并根据按键的变化, 变化数值的显示。显示流程如图6所示。
4 软件调试仿真
本次设计采用的是keil仿真器和proteus, 进行软件调试、仿真。首先, 在Keil软件工具中, 用C语言编写和调试电机调速的源程序, 编译生成.hex文件。而后, 在Proteus软件仿真环境下设计规划仿真电路, 如图7所示。在仿真电路图的AT89C52中导入.Hex文件, 最后运行仿真程序进行软、硬件交互仿真[4]。
按加速键, 仿真电机有图8所示的正向加速仿真结果。
按减速键, 仿真电机有图9所示的正向减速仿真结果。
按下急停键, 仿真电机有图10所示的停止旋转运行过程。
按下反转键, 仿真电机有图11所示的反向加速仿真结果。
5 结束语
直流电机调速系统采用单片机AT89C52做主控, 通过按键对电机经行控制, 将转速脉冲计数通过数码管显示, 使得对电动机自动控制的实现更为方便, 灵活, 对简易速度控制系统的实现提供了一种有效方法, 在工业控制、农业和国防等领域有很广泛的应用。
参考文献
[1]曾太强, 许建平.基于DSP的直流电机数字调速系统设计[J].电力电子技术, 2008, (2) :73-75.
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[3]刘小春, 首珩.无刷直流电动机的单片机控制[J].自动化技术与应用, 2009, (3) :129-131.
直流电机调速 篇11
关键词：422成型机 Z轴 直流电动机 交流电动机
0 引言
贵轮工程轮胎422成型机于1996年从美国AKRON公司引进，后压装置承担对成型鼓上的钢丝帘布和缓冲层等进行滚压压实功能，其Z轴转向控制用的原装电机为进口永磁式直流电机，采用直流调速系统和传动系统进行速度闭环控制[1]，直流测速反馈系统由直流测速发电机和速比为1：1的带传动系统组成。
1 技术改造原因
422成型机引进之初，在全自动控制方式下工作，平均成型3个工程轮胎胎胚/8h，电气设备运行稳定可靠！随着产量加大，平均成型4个工程轮胎胎胚/8h，设备工作方式从全自动变为半自动工作方式。后压Z轴直流电机调速系统和传动系统常常因超速和过载而损坏，不仅不能发挥原有元器件小、控制灵敏，功率消耗小等优点，还在工程轮胎成型生产过程中暴露出如下凸显问题：
1.1 进口备件“难购置”问题 422成型机后压支臂转向位置正/反转控制用的进口直流调速器没有备件，生产厂家早已不再生产这种产品。该调速器坏时只能抢修，这会影响422成型机上巨胎的完成率。
1.2 进口备件购置“费用高”问题 相应的进口直流电机功率偏小（0.75KW）、费用较高：6，000元左右/每台。每年在该位置会疲劳损坏一、两台直流电机。碳刷磨损严重时，易造成电气故障。而且测速发电机损坏后无法修复，又是进口元件，价格贵（4980元/个），且不便购买。
1.3 进口直流电动机和调速器“维修周期长”问题 一台0.75KW的Z轴永磁直流电机或调速器损坏后要外送厂家售后修理，本公司无专用设备修理，维修周期加长。同时，电动机长期过负荷运行造成Z轴电动机易过载发热而损坏。直流测速发电机转轴和同步带易断，电机易发生“飞车”故障现象。
为解决以上问题，确保后压Z轴控制正常和备件易储备，立项将422成型机后压Z轴直流电动机及调速系统进行国产化技术改造。
2 技改方案
方案一：直接对进口直流电机及调速系统改造为国产化的直流电动机及调速系统。方案二：将1#、2#两台422成型机后压转向的进口直流电机及进口直流调速器进行国产化改造，改为能替代其原有功能的交流电动机和变频调速系统。由于在小功率控制场合，直流调速系统和交流调速系统的拖动性能基本接近，方案一所需经费预算需要壹万（10，000）元人民币，而方案二只需要5，000元左右，性价比方案二比方案一的高，确定选择方案二。
3 技改内容
3.1 直流电动机技改为交流电动机 Z轴进口直流电动机带有测速反馈控制系统，自动化控制精度高；但在半自动或手动操作时，直流调速系统不如交流调速系统简单和运行可靠。所选电机的功率、转速和额定输出转矩应适中，在适当增大电机的功率时，要保证电机的额定输出转矩TN=9.55P/n大于负载扭矩TL。因此，选用国产Y4系列1.5KW 1500r/min的三项交流异步电动机代替原有进口0.75KW直流电动机，使改进后的交流流电动机在小于额定功率的状态下可靠运行。
技改后，TN=9.55P/n=9.55*1500/1500=9.55N·m
3.2 直流调速系统改为基于PLC控制的交流调速系统 基于PLC[2]控制的交流调速系统主要解决的问题是：电气控制原理、设备参数选型和安装方式、现场调试与测试等；同时测速反馈用的测速发电机选型对速度的闭环控制有重要影响。
测速发电机是一种用来测量转速的小型发电机[3]，作
用：将转速信号变为电压信号反馈给直流调速器。空载时，测速发电机的输出电压与它的转速成正比。负载后，当转速越高，测速发电机的输出特性并不完全是线性的。故要使测速发电机的输出电压线性地反映转速，则其转速应工作在较低的范围内，即选用的测速发电机的额定转速高于同轴安装的电机额定转速。
技术改进前后，电动机、调速器特征对照如下表1所示。
4 结束语
国产化技术改造后，422成型机后压装置Z轴三相交流异步电动机运行稳定、可靠，设备控制功率加大，满足了生产负荷的要求。每年可以节约维修费用：12，000元；电机费用（6，000～12，000元）/台；直流电机碳刷：600元/副等。方案二的执行，节约了改造成本10，000元左右；产生了较大的经济效益：解决进口调速器坏、无备件对422成型机的巨胎胎胚生产质量的影响问题。单台422成型机合格巨胎的产量如按12条算，每天正常生产产值达100，000以上。422成型机后压Z轴电动机及调速系统实现备件易购置、维护周期短、费用低、功率大的技术改进目标，保证了422工程轮胎胎胚成型机的长期稳定运行！
参考文献：
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直流电机调速 篇12
直流电机自动控制系统广泛应用于机械、钢铁、矿山、军工等行业。在工程实践中，运动控制系统中应用最广泛的是调速系统，有许多生产机械要求在一定范围内进行速度的平滑调节，并要求有良好的稳态和动态性能。尽管目前交流调速系统的迅速发展，交流电动机的经济性和易维护性，使得交流调速广泛受到用户的欢迎，但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速系统也是研究交流调速系统的基础。对直流电机调速系统进行研究，对国民经济具有十分重要的现实意义。
1 直流调速系统概述
晶闸管—电动机调速系统，其原理图如图1所示。图中VT为晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能损坏原件。因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还有足够的裕量[2]。
2 转速电流双闭环直流调速系统设计
2.1 双闭环调速系统原理
转速电流双闭环直流调速系统的原理如图2所示。由于调整的主要参数是转速，故将转速调节作为外环，电流反馈作为内环，这样可以抑制电网电压对转速的影响[3]。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，在启动时，加入给定电压Un*，速度调节器和电流调节器以饱和限幅值输出，使得电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速，并在出现超调后，ASR和ACR退出饱和，最后稳定在给定的转速下运行。
在调速系统工作时，要先给电动机加励磁，ASR的输出作为ACR的输入，利用ASR的输出限幅达到限制启动电流大小的目地。ACR的输出作为“触发电路”的控制电压Uc，利用ACR的输出限幅可以限制整流桥的最大导通角α。
2.2 转速调节器设计
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小稳态误差，采用PI调节器则可实现无静差；对负载变化起扰抗作用；其输出幅值决定允许的最大电流。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型的Ι型系统，采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成（1）式。
(1）式中，Ki为电流调节器比例系数，τi为电流调节器的超前时间常数。
2.3 电流调节器设计
作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧密的跟随其给定电压Un*的变化。在电机启动时保证获得最大电流，从而加快动态过程，使系统具有较好的动态特性；当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用；故障消失后，系统能够恢复正常；对电网电压波动起到快速抑制作用。为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,把转速环设计成典型II型系统，其传递函数为：
(2）式中，Ki为转速调节器比例系数，τi为转速调节器的超前时间常数。
3 仿真结果及分析
Simulink是Matlab环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。在该软件可实现可视化建模，并可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。Simulink由于功能强大、适用简单方便，以成为应用最广泛的动态系统仿真软件[4,5]。
仿真参数设置：直流电机：220V,136A,1750r/min，允许过载倍数λ=1.5，电机轴上总飞轮力矩10N·M2，低通滤波器的截止频率40Hz，转速调节器积分增益200，转速调节器比例增益80；电流调节器积分增益60，电流调节器比例增益1.5。为了校验系统的动态特性，给定转速5s时加冲击负载100NM。
图3为仿真输出波形。由图3(a)转速曲线知，在电流线性增加的时候，拖动系统也恒加速，转速呈线性增加。在3-4s之间速度出现了超调，略高于给定值800rad/s。超调之后在电流稳定的情况下进入线性调节，最终达到给定值并保持速度恒定不变。在5s时开始减小给定值直到400rad/s时，系统各环节变化过程与升速阶段相反。图3(b)触发角图形可知触发角的变化跟电枢电流保持一致，电流增大过程中触发角减小，反之亦反。图3(c)电枢电压变化与速度变化保持一致。图3(d)为电枢电流，从开始阶段突加电压，电枢电流迅速上升约100A，从电流上升到100A到3s左右，电流线性增加，7s时电枢电流基本稳定在100A附近。通过仿真结果，可以看出双闭环调速系统具有较好的动态特性。
4 结论
本文利用Matlab-Simulink工具箱分别双闭环系统进行了建模仿真，通过仿真结果可以直观的分析系统的稳定性和抗干扰性。在双闭环系统中，由于增加了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等到它影响转速以后才能反馈回来。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化要比单闭环系统小得多，抗扰动性能大有改善。
参考文献
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