- 31 - 特点与电流斩波控制方式相反,即适合用作转速调节系统,此时抗负载扰动的动态响应较快,但低速运行时转矩脉动较大。

由上所述,开关磁阻电动机调速系统可采用多种控制方式,不同方式对应的电动机特性差异很大,因此选择适当的控制方式是系统设计者的重要任务。由于一般要求电动机转速范围较宽,负载转矩适用范围也较宽,为了使电动机在各种不同工作条件下有较好的性能指标,一般可选用几种控制方式的组合,下面简介常用的几种控制方式。

?高速角度控制 低速电流斩波控制:高速时采用角度控制,低速时采用电流斩波控制有利发挥二者的长处,克服二者的短处,能在较宽调速范围内(如1:40)使电动机有较好的特性和能力指标。这种控制方法在国内外产品中较普遍采用。

这种控制方法的缺点在中速较突出,因此此时对两种控制方式均较为困难。若采用角度控制则电流脉冲窄而尖,转矩脉动大,电流峰值也大。若采用电流斩波控制,则在

?off后续流过程较长,影响出力与效率。其解决办法是在低速电流斩波控制是结合角度

控制,当转速提高时,使?off适当提前。

两种控制方式的过渡也应予以充分重视,一是注意在两种方式转换时的参数对应关系,避免转矩较大的不连续。二是两种方式升速时的转换点和降速时的转换点间要有一定回差,一般使前者略高于后者,避免在该速附近运行时处于经常性的控制方式转换过程中。如英国Qulton产品额定转速为1500r/min,由电流斩波向角度控制方式的转换速为640r/min由角度控制向电流斩波控制方式的转换速为580r/min。

? 变角度电压斩波控制 这种控制方法的要点是靠电压斩波调节电动机的转速和转矩,并使?on和?off随转速改变。

由于电动机工作时,希望尽量将绕组电流波形置于电感的上升段。考虑到电流的建立过程和续流消失过程需要一定时间,电流波形总比通电区间?on-?off有所滞后。当转速越高时,由于要求通电区间提前的角度应越多。

此种工作方式转速转矩调节范围大,高速低速均有较好的电动机性能,且不存在两种不同控制方式互相转换的问题,因此在近年一些国内外产品中采用。其缺点是控制方式的实现稍显复杂,同时要求功率开关的工作频率较高,否则斩波噪声比较大。

?定角电压斩波控制 其控制方法与变角度电压斩波控制类似,只是?on和?off不随转速改变。与变角度电压斩波控制相比,这是一种简化的控制方式。?on和?off应取兼顾高低速运行的中间值,适用的调速范围一般不太大,如1:20。其优点是控制方式的实现简单,因此适用于小功率简易系统,如国内的SR71系列、E系列等产品均采用本控制方式。

4 起动与制动控制

- 31 -

- 32 - 起动控制方式 电动机由静止开始起动时,由于转速为零,绕组中旋转电势为零,绕组电流仅由电阻和自感所限,其上升率很快。电流斩波控制方式能有效控制绕组电流的大小,便于调节起动转矩,不会在起动堵转发生时电流现象,且起动过程中转矩较平稳,因此是最好的一种起动控制方式。电压斩波控制可借助PWM的电压占空比限制过大的起动电流,但由于其受控量是电压而不是电流,为防止电流超过允许值,应结合峰值限流的电流斩波控制方式使用。角度控制方式不适合起动使用,因为导通区间大了会造成过电流,小了又会使转子处于有些位置时无法通电,无法起动。

5.3调速系统的设计

? 控制电动机转速的方法很多,可采用改变起始开通角,关断角的角度位置方式,亦可采用调节电流斩波幅值的电流斩波控制方式或采用调节相绕组外加有效值的电流斩波控制方式。

方式和方式一般要依靠微机构成的数控系统,根据负载变化和运行需要实现自动跟踪速度闭环控制,系统一般比较复杂。对于小功率,为了简化控制和降低成本,可采用电压斩波,斩波用的信号放大器件可采用或,无论还是都工作在开关状态,因而其功率是小的。通常用作斩波的脉宽调制信号的频率选为,由这样的信号控制的功率变换器输出矩形电压脉冲加在根据转子瞬时位置应通电的相绕组两端,电压脉冲宽度的改变,相当于改变相绕组上的平均电压,从而实现恒转矩无级调速。正如脉宽挑制的直流电动机控制系统一样,采用晶体管斩波器控制电动机电压亦具有快速响应电源功率因数高体积小 重量轻效率高等优点,而且由于开关频率较电动机及其传动部件的谐振频率高的多,可使脉宽调治系统的频带大大加宽,因而具有优异的动静态性能。 这里选用SG3524线性PWM集成电路为核心的电动机控制调速系统。

速度检测位置检测

速度给定过电流保护SR电动机电流检测功率变换器ASRPWM 图5.2

基极驱动

- 32 -

- 33 - ? 系统原理框图如图5.2所示,给定速度与反馈速度的偏差经速度调节器ASR输出后,作为PWM电路的输入控制信号,控制一定频率的输出方波脉冲宽度,宽度被调制的方波脉冲加到基极驱动电路,利用GTR的开关作用,便将施加到SR电动机相绕组上的直流电源电压斩波成对应频率和占空比的方波电压,从而改变相绕组两端电压的有效值,实现SR电动机恒转矩的转速控制。

我们知道,典型的直流脉宽调速系统为带电流内环的双环调速系统,其中电流内环除了可以提高干扰性外,还有一个重要作用是电流还中调节器输出的限幅值决定了电流的最大值,当电动机堵转时,电流回路实际上起电流截止作用,形成所需的“挖土机特性”。鉴于SR电动机的自然特性为串励直流电动机特性,所以为了简化系统设计及参数整定,图只有一个速度环构成单环调速系统,省掉了电流调节环,系统的电流限制则通过限幅斩波实现。

安装在SR电动机上的转子位置

? 控制电路的设计

逻辑控制电路的主要功能是根据输入的转子位置状态信息,输出控制对应相导通或关断的信号。 我们知道,SR电动机产生电动转矩的条件是通电一相绕组的电感随转角的电感随转角而变的变化率必须为正。在每一转子步进角内,都有两相的电感处在上升区域,因此SR电动机的通电方式有如下两种: ①任一瞬时,只有一相通电,每相通电1/4转子极矩角。对应于转子位置状态信号SP从11-10-00-11,各相绕组通电的次序为A-B-C-D-A或D-A-B-C-D,这与步进电动机的单四拍运行相似。 ②任一瞬时,有两相同时通电,每相通电1/2转子极矩角。对应转子位置状态信号SP从11-10-00-01-11,各相通电次序为:DA-AB-BC-CD-DA,与步进电动机的双四拍运行相似。图为实现上述双四拍运行的逻辑控制电路。两路转子位置瞬态信号译码器输出与转子位置一一对应的状态信号,再经逻辑门提供对应两相的触发信号,另两相则提供关断信号。 ? SG3524线性PWM集成电路

SG3524系美国Silion General公司生产的单向线性PWM控制器,整个电路封装在标准双排16脚的外壳中,允许功耗为1W。图为其原理图和管脚图。 由图可见,整个电路包含基准电压源U误差放大器AE、可设定频率的振荡器G、触发器AT、两个工作特性一致的输出晶体管V与V和高增益的比较器AC、限流保护FC、输出关断电路

- 33 -

- 34 - 等。

SG3524系定频脉宽调制电路,其振荡器的频率f由接在⑥、⑦脚的R、C决定,即

f≈1.18/RC

式中,R单位为KΩ,输出脉冲宽度调制是由电容C上的线性锯齿波和误差放大器输出的控制信号通过脉宽调制比较器后完成的。C充电电流等于3.6V/R,为限制充电电流在30—2mA内,R则应在1.8—100KΩ之间选取;为保证振荡器输出脉冲的宽度≥0.5/μs以保证每一脉冲都使触发器可靠翻转,C应在0.001—0.1/μF之间选取,误差放大器增益的标准值为80db,最小值为60db, 因其小信号带宽为3MHz,故PWM控制器的最高工作频率为300Hz。

SG3524内部的5V基准电源,既给其内部所有电路供电,亦可由⒃角引出作为外部电路的电源。⒂脚输入电源电压可在8—40V之间选取。

输出晶体管VA、VB的输出电流最大值可达100Ma,当用于单端PWM控制器时,VA、VB可并接,这时输出脉冲频率即为振荡器频率,占空比为0—90﹪;若在推挽输出场合,VA、VB必须分开,轮流导通,其输出脉冲的频率为振荡器频率的一半,占空比为0--45﹪。

图5.3

地补偿端反相输入同相输入检测端关断端比较器振荡器输出或非门从原理图可见,误差放大器AE的输出和限流保护电路FC的输出,关断电路的输出共接至同一点----脉宽调制比较器的反向输出端,其中任一信号为低电平都将锁领输出脉冲。实用中,常将⑩脚和FC的输入端④脚,⑤脚与外电路作适当连接,用作限流保护;而在补偿端⑨脚与地之间则接上一个RC串联零点补偿网络,以抵消电路输出滤波

- 34 -

- 35 - 中的极点。

5.4 SRD调速系统与传统调速系统的比较

(1) 与步进电动机驱动系统的比较

从结构及运行原理上看,SR电动机与具有大步进角的反应式步进电动机十分相似,因此有人误认为电动机即是步进电动机,并由此推断SR电动机有相当大的转矩脉动。其实不然,因为步进电动机的设计要求是输出较高的位置精度和高的转矩与位置的变化率,而SR电动机的设计要求则为变速驱动,有平滑的转矩变化,显然两者的设计目标及方法均存在差异;另外,SR电动机的控制方式和运行特点与步进电动机亦有较大的区别,这表现在如下几个方面:

① 步进电动机一般用作定位,它将数字脉冲输入转换成模拟运动输出,对步进电动机系统而言,轴的运动从电源的换相,转子在定子磁极轴线间步进旋转;而SR电动机则用于调速传动场合,始终运行在自同步状态,电源的换相取决于转轴的位置。这就与通称的位置开环步进电动机不同,SRD均有检测转子位置的环节实现位置闭环的控制,控制器根据转子位置向功率变换器提供对应的励磁触发信号,保证电动机连续运转,从而避免步进电动机可能出现的失步现象。

② SRD可控因素较多,既可调节每相主开关器件的起始导通角 关断角,也可采用调压或限流斩波控制,调速方法灵活,易于构成性能优良的调速系统,并可运行在发电状态;而步进电动机只作电动状态运行,一般只是通过调节电源步进脉冲的频率来调节转速。

(2)与异步电动机变频调速系统的比较

① 电动机方面的比较 SR电动机较异步电动机坚固,简单,其突出优点是转子上没有任何绕组,因此不会有异步电动机由于笼型专子所引起的铸造不良,疲劳故障及最高转速的限制等问题;在定子方面,SR电动机亦特别简单,坚固,只有集中绕组,虽然,SR电动机通常装有位置检测器,但总的说来,SR电动机较笼型异步电动机的制造成本低,制造难度小。

② 逆变器方面的比较 就简单性和成本而言,SR电动机功率变换器总体上较异步电动机PWM变频器略占优势。如前所述,SRD一个极为有利的特点是相电流单向流动,与转矩方向无关,这样每相可做到只用一个主开关器件即可控制系统实现四象限运行,而异步电动机PWM变频器每相则必须有两个;另外,异步电动机电压型PWM变频器的主开关器件因逐个跨接在电源上,存在因误触发而使上下桥臂直通,使主电路短路的故障隐患,而SR电动机功率变换器主电路中,始终有一相绕组与主开关器件串联,这

- 35 -

联系客服:779662525#qq.com(#替换为@)