目前 ,在直�電機(jī)控制系統(tǒng)� ,普遍采用�單片�(jī)� DSP 作為微處理器的控制系�(tǒng) , 由于單片�(jī)或DSP 控制電機(jī)占用端口資源� 、所需周邊元器件也較多 ,�(duì)整�(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有較大影響 ??删幊炭刂破髯鳛橐环N工業(yè)控制裝置 , 以抗干擾能力�(qiáng)和可靠性高而著� , 隨著可編程控制器的迅速發(fā)� ,其性價(jià)比也在不斷提��
直流電機(jī)伺服�(qū)�(dòng)器的主電�(jié)�(gòu)通常采用H�,調(diào)速大都通過(guò)PWM方式,其�(diào)制方式大致有雙極�、單極式和受限單極式三種。不同的PWM方式下電�(jī)的運(yùn)行特性以及主電回路的�(kāi)�(guān)損耗和安全性各有不�。無(wú)刷直流電�(jī)(BrushlessDCMotor,BLDCM)通常采用三相全橋主電路結(jié)�(gòu),以三相六狀�(tài)方波控制�(yùn)�,任一狀�(tài)下有兩只�(kāi)�(guān)管受PWM控制,其PWM�(diào)制方式和直流電機(jī)的H橋PWM�(diào)制很類似,都是同�(shí)兩只橋臂受控。直流電�(jī)�(diào)速PWM方式選擇要依�(jù)技�(shù)指標(biāo)要求。通常直流伺服控制系統(tǒng)大多采用雙極控制,可以保證電�(jī)電流的連續(xù)性等要求,從而保證電�(jī)的快速響�(yīng)�;�(duì)于調(diào)速系�(tǒng),通常電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速、較大負(fù)載下,這時(shí)可選擇單極式,或受限單極�,使主電路不易出�(xiàn)直通故�,工作可靠性高。同�(shí),不同的PWM方式,橋式電路功率器件的損�、熱平衡及續(xù)流回饋也不盡相同�
直流PWM�(diào)制種�
�(duì)目前使用的直流電�(jī)PWM�(diào)制方式綜合后,可定義�8�,如�1所�。圖1中PWM方式是以BLDCM三相全橋控制畫的,以一相橋臂為例,如圖1中①所�:�2π/3電角度橋臂上管開(kāi)�,受PWM�(diào)制信�(hào)控制,間隔π/3電角度后,下管導(dǎo)�2π/3電角度,再間隔π/3電角度重�(fù)�(yùn)�。對(duì)于直流電�(jī)的H橋結(jié)�(gòu),由于直流電�(jī)只有單一電樞繞組,不存在BLDCM輪流自動(dòng)換相,其兩�(gè)橋臂PWM控制�(duì)�(yīng)于圖中的0�2π/3和π�5π/3。因此方式④、⑤和⑥不適用直流電�(jī)�(diào)�。圖1中PWM方式①~⑥為單極式控�(一�(gè)橋臂只有1只功率器件受�,另一只常�(guān))。方式①HPWM-LPWM為上、下功率器件同時(shí)斬波;方式②HPWM–LON為上管斬�,下管恒�;方式③HON–LPWM為上管恒�,下管斬�;方式④PWM-ON為每只功率器件導(dǎo)通的120°電角度內(nèi),前60°電角度斬波,�60°電角度恒�;方式⑤ON-PWM為每只功率器件導(dǎo)通的120°電角度內(nèi),前60°電角度恒通,�60°電角度斬�;方式⑥PWM-ON-PWM為每只功率器件導(dǎo)通的120°電角度內(nèi),前30°電角度斬�,中�60°電角度恒�,后30°電角度斬�,該方法被提出用于消除BLDCM方波控制不導(dǎo)通相電流。PWM方式⑦和⑧為雙極式控�(同橋臂上下功率器件驅(qū)�(dòng)信號(hào)互反)。⑦HDPWM-LON和⑧HON-LDPWM�(duì)�(yīng)于單極式PWM方式②和�。類似的方式�、方式④~⑥也有�(duì)�(yīng)的雙極式PWM控制方式�
主功率電路安全性分�
橋式主功率安全性主要針�(duì)橋臂直通問(wèn)�。單極式控制由于每�(gè)橋臂總有一只功率器件是�(guān)斷的,因而出�(xiàn)直通的危險(xiǎn)性明顯減�,重�(diǎn)防止�(guān)斷器件因米勒電荷傳遞造成�(guān)斷管誤開(kāi)�。雙極式控制由于橋臂上下兩只功率管驅(qū)�(dòng)信號(hào)互反,因而死區(qū)加入是必須的,同�(shí)也要注意du/dt引起的電荷傳遞造成的誤�(kāi)通,以及di/dt造成的驅(qū)�(dòng)電路損壞??傮w而言,橋式主功率電路單極式PWM控制安全性要比雙極式�。但雙極式可以保證繞組電流的連續(xù)�,并具有制動(dòng)電流回路�
�(xù)流期間電流對(duì)�
PWM�(diào)制續(xù)流期間電流通路�(yīng)給予一定的重視。不同的PWM�(diào)制方式續(xù)流通路也不盡相�,大致分為回饋電源和回饋電機(jī)兩種。其中回饋電源會(huì)造成母線電容電壓升高,以及電容反�(fù)充放電產(chǎn)生過(guò)�。圖2為以BLDCM方波控制為例,T1T6狀�(tài)方式①和方式②在toff期間�(xù)流電流通路,從圖中可以看出,方式①的續(xù)流電流回饋到母線直流電容,儲(chǔ)存能�,而方式②的續(xù)流電流回饋電�(jī),輸出功�。由于方式①�(huì)造成DC母線電壓升高以及母線電容�(fā)�,因此方式②被大量使用�
這里用到一�(gè)定義:單斬波和雙斬�。單斬波指在一�(gè)PWM�(diào)制周期內(nèi),兩�(gè)受控功率器件,一只斬�,一只恒�;雙斬波指一�(gè)PWM�(diào)制周期內(nèi),兩只都斬波。這樣定義以后,只有方式①屬于雙斬�,而其他均屬于單斬��
為了防止母線電壓升高及母線電容過(guò)�,單斬波被大量使�。另外雙斬波由于兩只工作的功率管都有�(kāi)�(guān)損�,所以器件損耗高�
橋式功率電路熱平�
橋式功率電路熱平衡指兩�(gè)功率器件損耗的一致�。從�1可以看到方式②③⑦⑧下,橋臂上的兩只功率器件始終只有固定的一只受斬波控制,如此橋臂上兩只功率器件損耗是不平衡的。針�(duì)這�(gè)�(wèn)�,方式④⑤對(duì)�(yīng)于方式②③被�(shè)�(jì)出來(lái),使得整�(gè)橋式功率電路器件�(fā)熱均�,防止�(gè)別器件因�(guò)熱而損毀�
在對(duì)前述直流電機(jī)�(diào)速PWM方式綜合分析之后,提出一種新的PWM�(diào)制方式———互�。斬波波形屬于單極式PWM�(diào)�。其中Ug-up和Ug-down指H橋或三相全橋中受控的兩只功率器件�(qū)�(dòng)信號(hào)(一只上管和一只下�)。在1T周期�,上管斬�、下管常�(kāi);�2T周期�,上管常�(kāi)、下管斬�;�3T周期�,上管斬�、下管常�(kāi);以此類推。也可以�(shuō)是圖1中PWM方式②和方式③的交替使用,每�(guò)一�(gè)�(diào)制周期T,變換一�。這樣從單�(gè)周期�,互斬屬于單斬波,但從總體看,又類似雙斬�??梢钥闯�?shí)�(cè)圖和�(shè)�(jì)原理圖完全一�。在橋式主電路安全性上,由于互斬屬于單極式控制,主電路安全性高。但也具有單極式的缺�(diǎn),由于沒(méi)有制�(dòng)電流通路,不適合伺服控制,可用于�(diào)速系�(tǒng)�
互斬從每�(gè)�(diào)制周期上�,屬于單斬波,因此在�(xù)流期�,繞組儲(chǔ)存能量會(huì)繼續(xù)送往電機(jī)出力,而不�(huì)回饋母線電容,也使得母線電容不會(huì)�(chǎn)生不必要的損耗。在橋式主電路熱均衡方面,雖然互斬是PWM方式②和方式③的綜合,但不會(huì)出現(xiàn)它們工作中橋臂功率器件損耗集�,不均衡狀況,而是把功耗均攤到�、下橋臂功率器件�
直流電機(jī)�(diào)速PWM信號(hào)可由硬件�(chǎn)�,也可由微處理器得到,這里列舉一例硬件產(chǎn)生電�。能�(chǎn)生PWM信號(hào)的IC很多,文中選用常用PWM�(fā)生器SG3525。將SG3525�1腳和9腳短接,使得其內(nèi)部誤差運(yùn)放變?yōu)殡妷焊S方式,這樣PWM的輸出占空比就和2腳的模擬電壓線性化。SG3525的PWM輸出為兩路互�(bǔ)的PWM信號(hào),相位上相差180°,每一路占空比�50%。通常將它倆相�,就可以得到0�100%的PWM信號(hào)(�(shí)際不�(huì)�(dá)�100%) �
為了得到互斬的兩路PWM信號(hào),加入一�74HC02或非電路,就可以得到兩路互斬PWM信號(hào)的反向信�(hào)(再加上邏輯非就是互斬信號(hào))。值得注意的是,一般不將SG3525的兩路互�(bǔ)信號(hào)的邏輯非作為互斬的兩路信�(hào),因?yàn)榉聪蚝笏鼈兊恼伎毡茸兓湍M給定�(SG1525�2腳電�)是反向的 。將互斬PWM方式�(yīng)用到BLDCM三相全橋方波控制�。BLDCM的線電壓和線電流波形注意線電流波形圖中不�(dǎo)通時(shí)段的波形,由于互斬是PWM方式②和方式③的交替變換,因而不�(dǎo)通時(shí)段電流波形兼有它們的特點(diǎn) �
直流電機(jī)�(diào)速PWM方式有多種,在橋式主電路安全�、續(xù)流回饋類型、橋式功率損耗均�,以及適用調(diào)速方式等方面加以總結(jié)。提出一種新的直流電�(jī)�(diào)速PWM方式———互�,對(duì)該方式的特點(diǎn)、設(shè)�(jì)、實(shí)�(xiàn)等加以說(shuō)�,并在BLDCM三相橋式方波控制下完成測(cè)�。得到以下結(jié)�
( 1) 互斬兼有 HPWM-LON � HON-LPWM 二者的特點(diǎn)
( 2) 屬于單極式調(diào)制,單斬波方�,主電路安全性高,續(xù)流無(wú)回饋母線電流
( 3) 克服 HPWM-LON � HON-LPWM 功率橋損耗不�
( 4) 適用于調(diào)速系�(tǒng),電路實(shí)�(xiàn)�(jiǎn)�,易�
基于PLC的直流脈寬調(diào)速系�(tǒng),其光電編碼器與直流電機(jī)同軸連接,電機(jī)每轉(zhuǎn)1�,光電編碼器就�(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖信號(hào),此脈沖信�(hào)通過(guò)S7-200PLC的高速計(jì)�(shù)功能,�(cè)量出電機(jī)的轉(zhuǎn)�。轉(zhuǎn)速給定信�(hào)與轉(zhuǎn)速測(cè)量信�(hào)相減,得偏差信�(hào),通過(guò)PLC的PID功能指令,得到PID控制器輸�,PID控制器輸出作為PWM信號(hào)占空比的控制信號(hào),利用PLC的PWM功能指令,可在PLC的相�(yīng)輸出端輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。PWM信號(hào)作用于驅(qū)�(dòng)電路,控制PWM變換器主電路相應(yīng)橋臂�(kāi)�(guān)管的�(dǎo)通和�(guān)�,從而控制加在直流電�(jī)電樞上的電壓,�(shí)�(xiàn)直流電機(jī)的PWM�(diào)��
主電路及�(qū)�(dòng)電路�(shè)�(jì)
PWM變換器主電路采用雙極式可逆PWM變換�,在雙極性工作制�,PWM變換器的4�(gè)大功率晶體管IGBT分成2�,晶體管VT1,VT4與晶體管VT2,VT3交替�(dǎo)通和截止。在每�(gè)PWM周期�0~ton期間,Ug1,Ug4為正,正組晶體管VT1,VT4�(dǎo)�,Ug2,Ug3為負(fù),VT2,VT3截止,直流電機(jī)兩端電壓UAB=US;在ton~T期間,反組晶體管VT2,VT3�(dǎo)�,電機(jī)兩端電壓UAB=-US�
為防止上、下橋臂直�,�(shè)�(jì)了硬件延�(shí)電路。選用集成驅(qū)�(dòng)器M57962L作為IGBT的驅(qū)�(dòng),采用緩沖電路�(lái)抑制�(guān)斷過(guò)程中的dudt和尖峰過(guò)電壓�
�(zhuǎn)速檢�(cè)
光電編碼器與電動(dòng)�(jī)同軸連接,電動(dòng)�(jī)旋轉(zhuǎn)�(shí),光柵盤與電動(dòng)�(jī)同速旋�(zhuǎn),�(jīng)�(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出的脈沖信�(hào)。通過(guò)�(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的�(gè)�(shù)就能反映�(dāng)前電�(dòng)�(jī)的轉(zhuǎn)速。為判斷旋轉(zhuǎn)方向,碼盤還提供相位互�90°�2路脈沖信�(hào)�
系統(tǒng)軟件總體�(shè)�(jì)
系統(tǒng)程序主要包括�(zhuǎn)速檢�(cè)顯示程序、PI控制算法程序及PWM信號(hào)�(chǎn)生程序。轉(zhuǎn)速檢�(cè)顯示程序?qū)崿F(xiàn)�(duì)電機(jī)�(shí)際轉(zhuǎn)速的�(cè)�,并利用組�(tài)王軟件實(shí)�(shí)顯示出來(lái)。PI控制算法程序利用PLC的PID功能指令�(shí)�(xiàn)速度的PI控制,并將PI控制器的輸出值作為PWM控制信號(hào)的占空比。PWM信號(hào)�(chǎn)生程序利用PLC的PWM功能指令�(chǎn)生周期一�、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)�
程序首先�(duì)高速計(jì)�(shù)�、PWM信號(hào)�(fā)生器和PID參數(shù)表�(jìn)行初始化。然后設(shè)置定�(shí)中斷,并啟�(dòng)定時(shí)器開(kāi)始定�(shí)。接下來(lái)判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)�(dòng)方向,若正�(zhuǎn),則判斷正�(zhuǎn)高速計(jì)�(shù)器是否發(fā)生中�,否則判斷反轉(zhuǎn)高速計(jì)�(shù)器是否發(fā)生中�。高速計(jì)�(shù)器一旦發(fā)生中�,立即讀取定�(shí)器的�(dāng)前�,作為�(jì)算轉(zhuǎn)速的�(shí)間�。之后判斷是否發(fā)生定�(shí)中斷,若是則執(zhí)行定�(shí)中斷程序,定時(shí)中斷程序主要工作為定�(shí)器清�、高速計(jì)�(shù)器清零并重新啟動(dòng)、計(jì)算轉(zhuǎn)�、轉(zhuǎn)速標(biāo)�(zhǔn)化、執(zhí)行PID指令、輸出值轉(zhuǎn)換及�(zhí)行PWM指令,繼而輸出PWM控制信號(hào),否則繼續(xù)判斷是否�(fā)生中斷�
�(zhuǎn)速檢�(cè)程序
�(zhuǎn)速的檢測(cè)主要是通過(guò)光電編碼器和PLC的高速計(jì)�(shù)功能�(lái)�(shí)�(xiàn)�。光電編碼器和電�(jī)同軸連接,電機(jī)每轉(zhuǎn)1�,光電編碼器A,B兩路就產(chǎn)生一定數(shù)量的相位互差90°的正交脈�。為此選擇高速計(jì)�(shù)器為A,B兩路正交�(jì)�(shù)工作方式。為使高速計(jì)�(shù)器正確工�,首先�(yīng)向高速計(jì)�(shù)器的控制字節(jié)寫入控制�,利用高速計(jì)�(shù)器的定義指令為所用的高速計(jì)�(shù)器選定工作模�,寫入高速計(jì)�(shù)器的�(shè)定�,把當(dāng)前值清�,采用�(dāng)前值等于設(shè)定值的中斷事件,建立中斷連接,然后啟動(dòng)高速計(jì)�(shù)器。同�(shí)啟動(dòng)定時(shí)�,�(dāng)高速計(jì)�(shù)器的�(dāng)前值等于設(shè)定值時(shí),�(chǎn)生中�,并同�(shí)把定�(shí)器的�(dāng)前值讀出來(lái),作為�(chǎn)生所�(shè)定脈沖數(shù)的時(shí)�,從而可�(jì)算出�(zhuǎn)�。為提高�(cè)量精�,減少�(cè)量誤�,可使用多�(gè)高速計(jì)�(shù)�,每�(gè)高速計(jì)�(shù)器檢�(cè)不同�(shí)間范圍的脈沖�(shù)。鑒于S7-200PLCCPU224�4�(gè)高速計(jì)�(shù)器具有A,B兩路正交�(jì)�(shù)方式,程序采用�4�(gè)高速計(jì)�(shù)器�(jìn)行計(jì)�,然后取其平均��
維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��
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