吳 松，莫岳平，周斌欣，2，謝 莉，蔣 偉

(1.揚(yáng)州大學(xué)，揚(yáng)州225127;2.揚(yáng)州大得機(jī)電科技有限公司，揚(yáng)州225127)

0 引 言

串勵直流電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩與電流成比例關(guān)系，具有調(diào)速性能好、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在叉車、觀光游覽車等大負(fù)荷系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)機(jī)械式電機(jī)旋轉(zhuǎn)換向方法存在不能快速頻繁換向、不能重復(fù)利用機(jī)械能、體型笨重等缺點(diǎn)，限制了串勵電機(jī)的推廣與應(yīng)用。又因串勵電機(jī)存在飛車現(xiàn)象，原則上只能工作在一、三象限，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的回收與利用，降低了系統(tǒng)效率［1－3］。

本文設(shè)計(jì)了由四個半導(dǎo)體開關(guān)元件組成的全橋電路控制電機(jī)電樞電流的方向和回路，由互補(bǔ)雙半橋控制勵磁電流回路。改變混合橋式電路中開關(guān)的通斷和占空比，實(shí)現(xiàn)串勵電機(jī)調(diào)壓調(diào)速、電子換向與饋電運(yùn)行控制。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)調(diào)速、旋轉(zhuǎn)電子換向與四象限運(yùn)行控制，達(dá)到了預(yù)設(shè)的控制目標(biāo)［4］。

1 控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

全橋電路由四個MOSFET 開關(guān)管組成，電樞繞組接于Q1 與Q2 點(diǎn)之間;互補(bǔ)雙半橋電路由MOSFET 開關(guān)管和二極管串聯(lián)組成，勵磁繞組接于Q3與Q4 點(diǎn)之間，控制系統(tǒng)主電路拓?fù)淙鐖D1 所示。通過電流反饋控制電機(jī)兩個繞組電流大小一致。通過切換電樞繞組供電開關(guān)對，改變電樞電流方向，從而改變實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁力矩方向，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向電子換向;電機(jī)進(jìn)入制動狀態(tài)時，控制電樞繞組供電方向和電樞反向電動勢負(fù)極指向正極方向一致的供電開關(guān)對的占空比小于0.5，實(shí)現(xiàn)串勵電機(jī)向供電電源饋電控制［5］。

圖1 主電路拓?fù)鋱D

2 電機(jī)四象限運(yùn)行控制

2.1 電機(jī)運(yùn)行的四個象限

以電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁力矩為變量建立直角坐標(biāo)系，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁力矩正負(fù)相同時，電機(jī)工作在第I 或第III 象限，電機(jī)處于驅(qū)動狀態(tài);當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁力矩正負(fù)相反時，電機(jī)工作在第II 或第IV象限，電機(jī)處于制動狀態(tài)［7］。傳統(tǒng)控制方式中速度力矩特性曲線如圖2 所示，圖中虛線部分為加制動電阻導(dǎo)致曲線進(jìn)入第Ⅱ和Ⅳ象限，并非反饋電能給供電電源，而是電機(jī)發(fā)電電能和電源電能消耗能量在制動電阻上。

圖2 串勵直流電機(jī)串電阻制動機(jī)械特性曲線

2.2 電機(jī)運(yùn)行控制

選擇M1－M4 作為供電開關(guān)對，以一個PWM周期為例介紹控制過程。假設(shè)此時電機(jī)工作在第I象限。t0－t1時刻，供電開關(guān)對M1－M4，M5－M6導(dǎo)通時電樞與勵磁電流走向如圖3、圖4 所示。電樞電流在(U－E)的正壓下上升，電機(jī)磁場和機(jī)械軸同時接受電源能量。

圖5 M1，M4 關(guān)閉電機(jī)運(yùn)行時電樞電流

t1－t2時刻，電樞電流走向如圖5 所示。關(guān)斷開關(guān)對M1－M4，電樞電流經(jīng)開關(guān)M2，M3 體內(nèi)反向二極管構(gòu)成續(xù)流回路，在(－U－E)的負(fù)壓下下降，電源和機(jī)械軸同時接收電機(jī)磁場能量。調(diào)節(jié)M1－M4，M5－M6 占空比，可調(diào)節(jié)電樞電流大小，從而控制電磁力矩大小，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)串勵電機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制。穩(wěn)定運(yùn)行時，通過兩個繞組的電流反饋信息控制勵磁電流始終追隨電樞電流，使兩者大小相等。電機(jī)工作在第III 象限時控制方式與此類似，不再贅述。

控制系統(tǒng)收到剎車信號后，導(dǎo)通M5－M6，勵磁電流與磁場方向不變，關(guān)閉供電開關(guān)對M1－M4，電樞電流在(－U－E)的負(fù)壓下迅速下降為零，此時電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與電樞上感應(yīng)電動勢E 方向不變。改由控制開關(guān)對M2－M3，導(dǎo)通M2－M3，電樞電流在(U+E)正壓下上升，電樞電流如圖6 所示，電機(jī)磁場同時接收電源和機(jī)械軸輸入能量。

圖6 M2，M3 導(dǎo)通電機(jī)運(yùn)行時電樞電流

關(guān)斷M2－M3，電樞電流經(jīng)M1－M4 體內(nèi)反向二極管續(xù)流，在(E－U)的壓差下變化，電樞電流如圖7 所示，電源接收機(jī)械軸能量?？刂崎_關(guān)對M2－M3 導(dǎo)通占空比同時小于0.5，可使電源平均受電為正，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的回收利用。串勵電機(jī)電磁力矩與旋轉(zhuǎn)方向相反，處于饋電制動狀態(tài)，電機(jī)工作在第II象限。電機(jī)工作在第IV 象限控制過程與此相同，不再贅述。

圖7 M2，M3 關(guān)斷電機(jī)運(yùn)行時電樞電流

3 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以STM8 系列單片機(jī)作為本地控制單元，CPU 采樣到調(diào)速信號后結(jié)合人機(jī)界面之前預(yù)設(shè)的車輛控制參數(shù)，由系統(tǒng)軟件計(jì)算并輸出PWM 控制信號，PWM 信號經(jīng)過驅(qū)動和功率放大電路變換后控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時控制電機(jī)兩繞組電流大小一致;單片機(jī)采樣電機(jī)運(yùn)行時的電氣信號，由系統(tǒng)軟件對電機(jī)的溫度、速度、電壓、電流等變量進(jìn)行監(jiān)測，控制串勵電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

控制系統(tǒng)原理圖如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)原理圖

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

在主程序中完成控制系統(tǒng)的初始化后檢測硬件電路能否正常工作，檢測無誤后在中斷中依據(jù)速度、方向和電子剎車等信號選取電機(jī)工作象限，并調(diào)節(jié)M1 到M6 的占空比，實(shí)現(xiàn)電磁力矩?fù)Q向、速度調(diào)節(jié)、向電源饋電等控制;對控制系統(tǒng)的溫度、電流、電壓等變量進(jìn)行采樣和監(jiān)測，主程序流程圖如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

控制系統(tǒng)樣機(jī)測試如圖10 所示。實(shí)驗(yàn)用串勵直流電機(jī)參數(shù):額定功率P =4 kW，額定電壓U =48 V，額定電流I =96 A，額定轉(zhuǎn)速N =2 300 r/min。Q1 ～Q6 對應(yīng)圖1 中各點(diǎn)，指示燈顯示控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)測得饋電制動時反充電電流為65 A左右，具體大小與車輛的運(yùn)行狀況相關(guān)。

圖10 系統(tǒng)調(diào)試圖

電機(jī)工作在第I 象限時電壓與供電電源電流如圖11 所示，車輛正常行駛時電機(jī)電壓為48 V，電池供電電流89 A，電機(jī)先加速再減速。

電機(jī)正轉(zhuǎn)制動過程中電機(jī)電壓與供電電流如圖12 所示。制動后電樞上，反向電動勢為53V，高于電池電壓，向電池反充電，電池供電電流變?yōu)樨?fù)值，從－65 A 逐漸增大到－30 A 后，電機(jī)退出發(fā)電狀態(tài)，此時電機(jī)運(yùn)行在第II 象限。

圖11 電機(jī)正轉(zhuǎn)時電源供電電流

圖12 電機(jī)正轉(zhuǎn)制動時電源饋電電流

電機(jī)工作在第III 象限時Q1 點(diǎn)電壓和電源電流如圖13 所示。開關(guān)管M2 通斷控制Q1 點(diǎn)電壓分別對應(yīng)電樞電壓和電池負(fù)極電壓，車輛運(yùn)行平穩(wěn)以后供電電流在88 A 左右，電機(jī)先加速再減速。

圖13 電機(jī)反轉(zhuǎn)時電源供電電流

電機(jī)工作在第IV 象限時Q1 點(diǎn)電壓和電源電流如圖14 所示，制動后，電池供電電流由－62 A 逐漸增大到－30 A 后退出發(fā)電狀態(tài)，電源電流變化過程與第II 象限類似。

圖14 電機(jī)反轉(zhuǎn)制動時電源饋電電流

從4 個象限內(nèi)不同運(yùn)行狀態(tài)下電源電流的變化可以看出，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了串勵電機(jī)速度調(diào)節(jié)與饋電運(yùn)行控制，達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)。

5 結(jié) 語

本文通過控制混合橋式電路中電樞與勵磁繞組供電開關(guān)對的占空比，實(shí)現(xiàn)串勵直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制;通過切換供電開關(guān)對，實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)換向與發(fā)電運(yùn)行控制，取代機(jī)械式換向方法，降低控制系統(tǒng)體積與生產(chǎn)成本，對于有大扭矩、頻繁正反轉(zhuǎn)要求的運(yùn)用，既能保證快速性，又能做到重復(fù)利用機(jī)械動能，提高了系統(tǒng)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的串勵電機(jī)新型控制方法能很好地實(shí)現(xiàn)調(diào)速、換向與能量回收控制。

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