CN103326644B - 一种串励电动机调速驱动系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串励电动机调速驱动系统的控制方法，其驱动系统采用直流斩波调压电源为串励电动机供电，由电子控制器用脉冲宽度调制的方式调节直流斩波调压电源中功率电子开关器件的通断占空比，控制电动机的端电压。发明无需测速传感器即可检测串励电动机转速；引入转速和电流反馈控制，在保持系统具有软机械特性的前提下，消除开环串励电动机调速驱动系统机械特性存在的高电压下空载运行时的转速会升至危险值、堵转时会严重过载和在低电压下低速运行时容易堵转的缺陷。

Description

一种串励电动机调速驱动系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种串励电动机调速驱动系统的控制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

串励电动机具有软机械特性，应用于电力牵引车、电动工具、缝纫机和搅拌机等需软机械特性电动机驱动的设备。开环调电压是串励电动机调速驱动系统常用的调速控制方法，但该方法存在串励电动机特性固有的缺陷：串励电动机调速驱动系统在高电压下空载运行时的转速会升至危险值，堵转时堵转电流过大；在低电压下低速运行时电动机的驱动能力会急剧下降。

为了解决上述问题，采取常用的转速和电流反馈闭环控制策略会使串励电动机驱动系统失去原有的软机械特性，而且转速反馈增加的速测装置又会显著提高系统的制造成本。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种既能消除串励电动机特性缺陷又能保持系统具有软机械特性，且无需测速装置的串励电动机调速驱动系统的控制方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：

串励电动机调速驱动系统采用直流斩波调压电源为串励电动机供电，数字微控制器内设定控制计时周期T_n和T_i，T_n为T_i的3倍；系统起动时，启动周期T_i计时，电动机转速n=0、电动机电流I_a=0，数字微控制器采集输入控制电压U_c，进行反馈控制，保持数字微控制器的输出控制电压U_a ^*不变,周期T_i计时到，电子控制器根据输出控制电压U_a ^*控制电动机的端电压U_a=K_UU_a ^*，开启T_n计时，其中K_U是直流斩波调压电源的电压控制放大系数；当计时达到T_n中第一个T_i即开启第二个T_i计时，数字微控制器第一次采集电动机电流I_a1，计时达到T_n中第二个T_i即开启第三个T_i计时，数字微控制器第二次采集电动机电流I_a2，计算电动机转速n，再采集输入控制电压U_c，进行反馈控制，计算新的输出控制电压U_a ^*且保持不变，计时达到T_n中第三个T_i，控制电动机端电压U_a=K_UU_a ^*，开启下一个控制计时周期T_n,如此不断重复。

所述数字微控制器的输出控制电压U_a ^*=U_c-αn+βI_a2，式中n为电动机转速，I_a2为第二次采集的电动机电流，α为转速负反馈系数，β为电流正反馈系数；当U_c+βI_a2不小于U_aN ^*=U_aN/K_U时，则U_a ^*=U_aN ^*-αn，式中U_aN为电动机的额定电压；当电动机电流I_a2大于过载电流I_am时，数字微控制器的输出控制电压U_a ^*=U_a ^*-β₀（I_a2-I_am），式中等号右边的U_a ^*值为对电流I_a2进行过载判定之前的值，β₀为截止电流负反馈系数；当U_a ^*的计算值不大于零时，则设U_a ^*=0。

所述电动机转速n=(U_a-RI_a2)/K_E+L(I_a2-I_a1)/(T_iKE)，其中R为串励电动机绕组总电阻，L为串励电动机绕组总电感，K_E为电动势系数。

所述电子控制器根据输出控制电压U_a ^*用脉冲宽度调制的方式调节直流斩波调压电源中功率电子开关器件的通断占空比，控制电动机的端电压U_a=K_UU_a ^*。

所述串励电动机绕组总电阻R、绕组总电感L和电动势系数K_E随电动机电流I_a2变化的曲线和电动机转速n的计算公式存放在数字微控制器中。

本发明的有益效果在于：无需测速传感器即可检测串励电动机转速；引入转速和电流反馈控制，在保持系统具有软机械特性的前提下消除开环串励电动机调速驱动系统机械特性的缺陷；与常用的晶闸管相控调压电源比较，用脉冲宽度调制方式调压的直流斩波电源的控制延时小，控制电压与输出电压之间为线性关系，驱动串励电动机轻载运行时不会断流。

附图说明

结合以下附图对本发明的技术方案进行说明。

图1为本发明的串励电动机调速驱动系统的电路原理图。

图2为本发明的串励电动机的电动势系数K_E随电动机电流I_a2变化的曲线。

图3为本发明的串励电动机调速驱动系统控制方法的流程图。

图4为本发明的开环串励电动机调速驱动系统的机械特性。

图5为本发明的串励电动机调速驱动系统的机械特性。

具体实施方式

如图1所示，串励电动机调速驱动系统包括由二极管D1、D2、D3、D4，电阻R1和电容C连接组成的不可控整流部分，电子控制器、全控型功率电子开关器件V、采样电阻R2及二极管D组成的脉冲宽度调制降压斩波电路部分。单相交流电源经不可控整流变换为直流电源，再经降压斩波电路输出可调直流电压给串励电动机。图中R2为测量电动机电流的采样电阻，电子控制器采用脉冲宽度调制方式调节斩波电路中的全控型功率电子开关器件V的通断占空比，控制串励电动机的端电压U_a=K_UU_a ^*。

电子控制器是由数字微控制器及其外围电路组成。在数字微控制器内存放了串励电动机绕阻总电阻R、总电感L和电动势系数K_E随电动机电流I_a2变化的曲线及电动机转速n的计算式；设置了转速负反馈系数α、电流正反馈系数β、电动机额定电压U_aN、电动机过载电流I_am和截止电流负反馈系数β₀及输出控制电压U_a ^*的计算式。

直接测量串励电动机绕组总电感L和电枢电阻R_a，设定系统的转速负反馈系数α=0，电流正反馈系数β=0，电流截止负反馈系数β₀=0，置系统于开环状态。调节并保持控制电压U_c，使电动机的堵转电流约为1.2I_am，改变串励电动机的机械负载使电动机由堵转状态到空载状态，由系统的控制器测量电动机的电流I_a2，直接测量电枢电压U_E和转速n，对应不同电流I_a2计算电枢电动势E_a=U_E-R_aI_a2、串励电动机绕组总电阻R=(K_UU_c-E_a)/I_a2和电动势系数K_E=E_a/n。串励电动机绕组总电阻R的最后确定值为上述不同电流I_a2下R的平均值；

图2所示为串励电动机的电动势系数K_E随电流I_a2变化的曲线。

图3所示串励电动机调速驱动系统采用直流斩波调压电源给电动机供电，由电子控制器用脉冲宽度调制的方式调节直流斩波调压电源中功率电子开关器件的通断占空比，控制电动机的端电压，其中电子控制器由数字微控制器及其外围电路组成；数字微控制器内设定控制计时周期T_n和T_i，T_n为T_i的3倍，而T_i不小于直流斩波调压电源斩波周期2倍。系统起动时，启动周期T_i计时，电动机转速n=0、电动机电流I_a=0，数字微控制器采集输入控制电压U_c，进行反馈控制，保持数字微控制器的输出控制电压U_a ^*不变,周期T_i计时到，电子控制器根据输出控制电压U_a ^*控制电动机的端电压U_a=K_UU_a ^*，开启T_n计时，其中K_U是直流斩波调压电源的电压控制放大系数；当计时达到T_n中第一个T_i即开启第二个T_i计时，数字微控制器采集I_a1,计时达到T_n中第二个T_i即开启第三个T_i计时，数字微控制器采集I_a2,计算电动机转速n，再采集输入控制电压U_c，进行反馈控制，计算新的输出控制电压U_a ^*且保持不变，计时达到T_n中第三个T_i，控制电动机端电压U_a=K_UU_a ^*，开启下一个控制计时周期T_n,如此不断重复。

数字微控制器的输出控制电压U_a ^*=U_c-αn+βI_a2，式中n为电动机的转速，I_a2为电动机的电流，α为转速负反馈系数，β为电流正反馈系数；当U_c+βI_a2不小于U_aN ^*=U_aN/K_U时，则U_a ^*=U_aN ^*-αn，式中U_aN为电动机的额定电压；当电动机电流I_a2大于过载电流I_am时，数字微控制器的输出控制电压U_a ^*=U_a ^*-β₀（I_a2-I_am），式中等号右边的U_a ^*为上述两种情况算得的U_a ^*，β₀为截止电流负反馈系数；当U_a ^*的计算值不大于零时，则设U_a ^*=0。

电动机转速n=(U_a-RI_a2)/K_E+L(I_a2-I_a1)/(T_iK_E)，其中R为串励电动机绕组总电阻，L为串励电动机绕组总电感，K_E为电动势系数。

电子控制器根据输出控制电压U_a ^*用脉冲宽度调制的方式调节直流斩波调压电源中功率电子开关器件的通断占空比，控制电动机的端电压U_a=K_UU_a ^*。

图4所示为K_U=100、R=325.7Ω时的开环串励电动机调速驱动系统稳定运行的机械特性。当系统处于U_c=2.2V的空载状态下，电流I_a=0.05A时，电机转速n=55000rpm，表明串励电动机开环系统在高电压下空载运行时电动机的转速会升至危险值；当系统处于U_c=0.4V的状态下，电动机的堵转电流仅为0.125A，表明串励电动机开环系统在低电压下低速运行时电动机的驱动能力小；当系统处于U_c=2.2V下，电动机的堵转电流超过额定电流的2倍达到0.67A，表明串励电动机开环系统在高电压下电动机会严重过载。

在具有图4所示机械特性的开环串励电动机调速驱动系统中引入本发明说述的控制方法，反馈控制参数为α=3.5×10^－5、β=2、I_am=0.45A、β₀=40，图5所示为采用本发明控制方法的闭环串励电动机调速驱动系统稳定运行时的机械特性，当U_c=2.2V、I_a=0.05A时转速降为n=30000rpm；当U_c=0.4V时电动机的堵转电流增至0.3A；当U_c=2.2V时电动机的堵转电流降到0.47A；说明本发明系统特性消除了开环系统特性的缺陷，且保持了系统软特性特征。

本发明实施例所表述并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种串励电动机调速驱动系统的控制方法，其特征在于：驱动系统采用直流斩波调压电源为串励电动机供电，数字微控制器内设定控制计时周期T_n和T_i，T_n为T_i的3倍；系统起动时，启动周期T_i计时，电动机转速n＝0、电动机电流I_a＝0，数字微控制器采集输入控制电压U_c，进行反馈控制，保持数字微控制器的输出控制电压U_a ^*不变,

周期T_i计时到，电子控制器根据输出控制电压U_a ^*控制电动机的端电压U_a＝K_UU_a ^*，开启T_n计时，其中K_U是直流斩波调压电源的电压控制放大系数；

当计时达到T_n中第一个T_i即开启第二个T_i计时，数字微控制器第一次采集电动机电流I_a1,计时达到T_n中第二个T_i即开启第三个T_i计时，数字微控制器第二次采集电动机电流I_a2，计算电动机转速n，再采集输入控制电压U_c，进行反馈控制，计算新的输出控制电压U_a ^*且保持不变，计时达到T_n中第三个T_i，控制电动机端电压U_a＝K_UU_a ^*，开启下一个控制计时周期T_n,如此不断重复；

所述数字微控制器的输出控制电压U_a ^*＝U_c-αn+βI_a2，式中n为电动机的转速，I_a2为第二次采集的电动机电流，α为转速负反馈系数，β为电流正反馈系数；

当U_c+βI_a2不小于U_aN ^*＝U_aN/K_U时，则U_a ^*＝U_aN ^*-αn，式中U_aN为电动机的额定电压；

当电动机电流I_a2大于过载电流I_am时，数字微控制器的输出控制电压U_a ^*＝U_a ^*-β₀(I_a2-I_am)，式中等号右边的U_a ^*值为对电流I_a2进行过载判定之前的值，β₀为截止电流负反馈系数；

当U_a ^*的计算值不大于零时，则设U_a ^*＝0；

所述电动机转速n＝(K_UU_a ^*-RI_a2)/K_E+L(I_a2-I_a1)/(T_iK_E)，其中R为串励电动机绕组总电阻，L为串励电动机绕组总电感，K_E为电动势系数。

2.根据权利要求1所述的一种串励电动机调速驱动系统的控制方法，其特征在于：所述电子控制器根据输出控制电压U_a ^*用脉冲宽度调制的方式调节直流斩波调压电源中功率电子开关器件的通断占空比，控制电动机的端电压U_a＝K_UU_a ^*。

3.根据权利要求1所述的一种串励电动机调速驱动系统的控制方法，其特征在于：所述串励电动机绕组总电阻R、绕组总电感L和电动势系数K_E随第二次采集的电动机电流I_a2变化的曲线和电动机转速n的计算公式存放在数字微控制器中。