低成本直流伺服电机调速系统的设计

？…ｔ＿／钐ｍ么知７么Ｍ………………………………一………………………………一～ｊ…：蔓一！一：…………土：上一＝：…．．钐穿孽者字地饭持电相２０憾年第７期低成本直流伺服电机调速系统的设计李纪刚，徐鹏云（河北农业大学，河北保定ａｒ７ｌ００１）中图分类号：ＴＭ３８３．４＋ｌ文献标识码：Ｅ文章编号：１００４—７０１８（２帅８）０７一∞砷一舵作为能方便进行无级调速且有着良好调速特性的有刷直流电动机，２０世纪８０年代起随着科技的进步，交流凋速（变频）、无刷直流电动机迅速发展，有逐渐取代有刷直流调速之趋势。但是由于有刷直流调速有其独特的优良性能，直到现在尚未被全部取代。有刷直流电动机调速范围宽，很容易做到ｌ：２０（例如：６０一ｌ２００ｒ／ｍｉｎ）；调速特性硬．成本低（电机、电路）。其缺点是电刷需经常更换，维护较为麻烦。有刷直流调速电动机又分为普通直流电动机和伺服电动机。直流伺服系统广泛应用于轧钢、造纸机、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中，它能在较大范围内实现精度、速度和位置控制。所以要求系统性能高的场合都广泛地使用直流伺服系统。因此，设计成本低、性能可靠的直流伺服系统仍然很重要。１调压调速原理直流电动机的速度与加在电枢上的端电压玑成正比。端电压的计算公式如下：％：号堡三里：争玑：ａ以（１）‘ｌＴ０２１式中：ａ为占空比，ａ＝二旨，占空比ａ表示了一个周期ｒ里，开关管导通时间与周期的比值。理的变化范围为Ｏ≤理≤ｌ。由此式可知，当电源电压玑不变的情况下，电枢端电压％的平均值取决于占空比ａ的大小，改变ｄ值就可以改变端电压的平均值，从而达到凋速目的。２直流伺服电动机驱动电路直流伺服电动机驱动电路有两种基本形式：其一为使用晶闸管构成移相调压；其二为使用大功率管，可以是双极型三极管，可以是功率场效应管，也可以是ＩＧＢＴ管（输入端为ＭＯＳ而输出端是双极型管）。本系统使用的是第一种。；该电路由以下五部分组成。｛蕤唾鞑陋卿鞋ｏｖ～陲陲与愿页反面目蛊嚣；隧皇坚蚪硒ｌ图１电机驱动电路示意图２．１整流电路：整流电路如图２所示。一条整流电路是由Ｄ８、Ｄ９、；ｓｃＲｌ、ｓｃＲ２组成的单相半控桥式可控整流（可自零到最大无；级调压，这里是Ｏ～２００Ｖ），ｓｃＲｌ及ＳＣＲ２是由来自“Ｔ”可变占空比的方波进行移相触发的。２２０ｖ、５０Ｈｚ的交流电经整基金项目：河北省科技厅支持项目（０７２１３９０５，０７２１３５１２３）万方数据６０图２整流电路示意图Ｖ。如果我们设法控制ｓｃＲ的ｃ极在一个周期圈３利用占空比调节电压另一条整流电路是由Ｄｌｌ、Ｄ１２、Ｄ８、Ｄ９（重复使用）来完Ｖ直流脉动电压再经尺。，、如、如Ｖ的稳压脉动电压用来Ｑ３（ＰＮＰ）管的基极接到未经滤波的２０Ｖ脉动电压后在若只考虑电机调速，不考虑电机的运转特性，只要在Ｉｖ４流桥整流时，若４个桥臂的元件均为二极管，则整流后的直流电压应为２２０×０．９＝１９８Ｖ，且无法调节。当然这种电源驱动直流伺服电机是不能调速的（这种电机的转速是与其驱动电压成正比的）。若将桥的２个桥臂的元件换为单相晶闸管即ＳＣＲｌ和ｓｃＲ２后，当其控制极加上脉冲电压时，就会随着脉冲电压的早晚改变晶闸管的导通状态。当Ｇ不加脉冲则ｓｃＲ不导通，桥便不能整流，输出电压为Ｏ，电机停转。若Ｇ在一个周期开始就加上脉冲，则ｓｃＲ将会在全周期内导通，这时相当于桥使用了４个二极管，也就能得到整流的最高电压】９８内加脉冲的早晚，就能得到不同的整流输出电压。如图３所示。当矩形脉冲的占空比变小时，ＳＣＲ导通角变小，此时输出电压变低（矩形波的占空比＝脉宽／周期）。成的。整流后得到的１９８三个电阻降压和稳压（图２）得到２０供给ｓｃＲ移相脉冲的同步电压，然后该脉动电压再经滤波后得到较为纯净的直流用作控制电路的电源。２．２移相脉冲Ｉｃ４的反向端产生一组锯齿波。而ＩＣ４的同相端接人了控制直流电压，这一电压与反向端比较（Ｉｃ４实际是一个电压比较器）就可在ＩＣ４的输入端产生一个与主整流器正弦波同步的可改变脉宽的触发电压。当同相端输入电压愈高时，输出端输出的脉宽越高，这就使ｓｃＲ较早导通。相反，同相端输入电压较低，输出端输出脉宽变窄，ＳＣＲ导通变晚，当然输出主电压将随之发生改变，从而起到调速作用。电路工作原理如图４所示。２．３速度给定电流正反馈及电压负反馈的同相端加一个可调的直流电压即可。但是这时的给定速度只有在电机负载是恒定的输入电压（主回路）是稳定的前提条件下才是稳定的。否则电机转速会随着负载的加大、输…．堕整熏．塑…竺塑堡………………………………………。绍煮妻嬲…ｊ了电机转速。２．４过流保护当负荷因某些原因突然变大超过了电机的额定值时，电流取样电阻上的压降随之变大，这个信号送入比较器，并与限流设定值进行比较。一旦超过设定值，输出低电平。将ｌＣ４同相端拉低，也就是使移相脉冲波变窄，主电压降低，电机速度大幅度降低，起到了保护电机的作用。图４脉宽调节电路工作示意图２．５其他辅助电路如图５所示。尺。、Ｄ３、Ｃ，：组成的缓起动电路，防止开机瞬间电机突然跳动。Ｃ１３、Ｑ２、心Ｉ、Ｒ１３、Ｑ１、Ｒ。：等组成了对ｃ。：的放电电路。前述缓冲功能是基加Ｖ加ｖＴ入电压的降低而降低，反之会升高。这种情况我们称之为电机特性太软。而在一般情况下，希望电机具备硬特性：一旦设定电机转速后，在电机允许的最大负荷范围内无论负荷如何变化，或输入电压在允许范围内有所变化，电机转速均应基本保持不变。要达到此目的主要靠电路中的电流反馈（使用电流取样电阻），如图４所示。当电机负载升高时，电机电流升高，电阻上的压降升高。取样信号经心送到Ｉｃ２的同相端进行放大后，传到Ｉｃ３与转速给定信号混合，经过尺。，传给ＩＣ４的同相端进行前述的移相触发。Ｉｃ３是一个放大器，转送自Ｐ４接口的给定信号通过尺。进入ｌｃ３运放的同向端，即构成了同向放大（即进入的＋信号升高输出信号也升高若干倍）。与此同时，另一路电流信号通过月。、风也加到Ｉｃ３的同向端，也就是电流信号与给定信号两者叠加，其中有一个升高输出就会升高。这就起到了正反馈的作用。当电机负荷加大时，电流必然加大，取样电阻上的压降随之加大，直到使Ｉｃ３的输出上升、ＩＣ４输出矩形波的占空比变大，使ｓｃＲ在设定不变的情况下导通角提前，也就是使整流桥的输出电压升高，从而能够保持转速不变（准确地说是变化大为减小，此类电路能做到转速保持±５％）。当电机运行中电源电压发生变化时特别是升高时，必然会使电机转速升高，为此，该电路设计了电压负反馈用来防止转速度因电源电压的升高而升高。由电压取样分压取得的电压信号经尺，，加到Ｉｃ３反相输入端，当该信号电压升高时会使Ｉｃ３输出端下降，从而稳定了ｓｃＲ的导通时刻，稳定了输出电压，稳定ｉ艺图５辅助电路于开机瞬间使给定电压经尺ｐ６和ｃ．：的延时功能来完成的。｛量当连续开关机时，常由于ｃ。：的存电尚未放完而失去延时作！≥用，这就不能完成缓起动功能。为此设置了关机放电电路。；遗该电路是在关机瞬间ｃ。：的存电尚未放完，通过ｃ．，放电使Ｑ２ｉ萝导通，ｃ。：存电放完。１硅谭。钥帽将上述的控制系统及示波器、速度测定仪接人系统中实ｉ彩ｉ弦ｊ菅ｊ鑫：萝验，可以观察到电动机的转速在不同负载、不同速度下稳定：豫运行。输出不同的占空比，电机的输出速度不同，占空比由ｏ一ｌ之间变化，电机的转速由０变化到正向最大。本设计实ｊ现的直流电机控制电路成本低，大大简化了外围电路，而且！结构简单、控制方便、使用安全。本系统现已制成板卡，可方｝便地接入调速系统中，已成功用于金相抛光机系列产品中，可使其速度误差在±０．３％以内。现已销售２００余台，产品质量跟踪结果中没有调速系统的问题，其可靠性现已在生产｝实践中得到充分验证。（上接第４９页）的缺点，提高了控制质量，其缺点是当模糊控制器的输入偏差量和偏差的变化率变化趋势变小时，由于论域给定，模糊控制精度不够，应用更好的模糊控制策略来改进。参考文献［１］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２００Ｂ．［２］李华德，白晶，李志民等．交流调速控制系统［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３．［３］黄赞，陈伟文．模糊自整定ＰＩＤ控制器设计及其ＭＡｌｌＡＢ仿真［Ｊ］．控制与检测，２００６．［４］孙增圻．智能控制理论与技术［Ｍ］．北京：清华大学出版社，广西科学技术出版社，２００４．［５］黄永安，马路，刘慧敏．ＭＡｌｒＩＪＡＢ７．Ｏ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ６．Ｏ建模仿真开发与高级工程应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．作者简介：贾立辉（１９８０一），男，硕士研究生，研究方向为复杂工业系统的建模与仿真。５结语交流电机由于结构简单，易于维护和节约能源等优点，应用场合广泛。但是交流电机的控制由于其定、转子间存在耦合，不易建立精确的数学模型，不容易控制，用矢量变换的方法基本实现了交流电机的解耦，而模糊控制不依赖于控制系统的精确数学模型，且对模型的结构参数变化不明显，具有一定的鲁棒性，故在对交流电机矢量变换解耦的情况下，用模糊控制对交流电机进行调节，能取得较好的控制效果。模糊ＰＩＤ控制是在常规ＰＩＤ算法的基础上通过计算当前系统的偏差和偏差的变化率，用模糊推理的方法在动态过程中改变ＰＩＤ的调节参数，这能够发挥两种控制方式的优点，克服两种控制方式万方数据