基于相位閉環控制的直流電動機調速方法
朱安定，邢建國，趙文敏
（浙江工商大學，浙江杭州310018）
摘要：提出了采用v／φ變換器將和直流電動機串聯的triac兩端壓降轉換為相位脈沖，通過測量相位脈寬，獲得直流電動機轉速信號，從而實現在可變負載應用中轉速負反饋閉環控制，具有成本低、控制靈活、轉速控制穩定可靠的優點。
關鍵詞：直流電動機；相位控制；lriac;v／φ變換器
中圖分類號：tm33 文獻標識碼：a 文章編號：1004-7018( 2010) 07-0041-03
0引言
直流電動機以其良好的線性調速特性，簡單的控制性能，較高的效率，優良的動態特性，一直廣泛應用于各種調速控制系統中。采用雙向可控硅triac開關元件對直流電動機進行調速，具有體積小、成本低、性能穩定的優點，應用十分廣泛。
一般情況下，機電傳動系統負載的轉矩特性，即機械特性主要有恒轉矩負載、恒功率負載、通風機類負載。恒轉矩負載是傳動機械的負載轉矩與轉速無關；恒功率負載是負載轉矩與轉速的乘積為一常數；而通風機類負載是負載轉矩與轉速的平方成正比。這些負載的變化都是可預測的，可以通過開環控制方法實現直流電動機的功率輸出。控制方法主要有相位控制方式和過零調功方式。相位控制主要是同步供電交流電源的電壓過零點或電流過零點，通過移相觸發triac導通角；而過零調功主要是通過在給定時間內改變加在負載卜的交流正弦波個數來調節負載輸出功率。
而另外一些系統的負載卻是可變轉矩特性的，比如按摩機、跑步機等，由于人體產生反抗力矩并不是恒定不變的，而是隨機改變的，所以此類機電傳動系統需要隨負載阻力力矩的變化而進行閉環控制。直流電動機凋速的反饋信號一般取自轉速，目前轉速信號的采樣主要有兩種方法：一種是直接物理測量轉速，如光電式編碼盤、霍爾傳感器、商流測速發電機等，這類方法的優點在于直接測量電機機械轉速，測量精度高，反饋快，缺點在于增加了系統成本；另一種是間接測量轉速，通過測量直流電機兩端的電壓，或者流經的電流來估計轉速，這類方法精度較低，并且需要將電機驅動電路和控制電路進行適當的電氣隔離。
本文利用直流電動機轉速和triac電壓存在的關系，提出通過v／φ變換器測量triac兩端電壓相位脈寬，估計直流電動機轉速，實現變負載應用的轉速閉環控制。
1直流電動機等效電路模型
直流電動機電樞的等效 電路為阻抗尺和感抗聯而成，如圖1所示。
當直流電動機受到負載的反抗力矩增加。，轉速降低，電樞繞組中的感應電流頻率減少，感抗wl減少，而阻抗r不變，所以直流電動機的總的阻抗z =r+wl降低。又：
直流電動機的轉速。表達式：
式中：u為電樞端電壓；i為電樞電流；r為電樞電路總電阻；k為電動機結構參數；φ為每極磁通量，對于特定的直流電動機k和φ都是常數。對于中小功率直流電動機，電樞電路電阻非常小，式(2)中ir項可省略不計，則：
將式(1)代人式(3)得：
由式(4)可知，直流電動機轉速和triac兩端壓降呈線性負相關關系。
2 v/φ中變換器設計及相位閉環調速原理
圖2為采用v／φ變換器的直流電動機驅動電路。圖中虛線框內部分為v／中變換器的一種低成本實現電路，tr |
