彭亦稰， 陳小元， 陳超

(麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江麗水323000)

變電流反饋的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制方法

彭亦稰， 陳小元， 陳超

(麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江麗水323000)

針對(duì)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在低壓運(yùn)行時(shí)易堵轉(zhuǎn)和在高壓下重載運(yùn)行時(shí)會(huì)嚴(yán)重過載的缺陷，提出一種變電流反饋的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制方法。在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并將其線性化的基礎(chǔ)上，分析給出確保系統(tǒng)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)約束條件。該控制方法的應(yīng)用表明，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的低壓驅(qū)動(dòng)能力得到明顯提高，并具備了過載保護(hù)，且正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)保持有串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的軟機(jī)械特性。

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī);變電流反饋;驅(qū)動(dòng)能力;機(jī)械特性

0 引 言

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)因其勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)而具有軟機(jī)械特性，并能在交流和直流兩種電源下運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、縫紉機(jī)和攪拌機(jī)等需軟特性電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備。若用PWM控制的可調(diào)直流電壓源給串勵(lì)電動(dòng)機(jī)供電，即構(gòu)成了串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。開環(huán)調(diào)壓調(diào)速時(shí)，該系統(tǒng)在高電壓下重載運(yùn)行時(shí)會(huì)嚴(yán)重過載;在低電壓下運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)力會(huì)顯著下降。故需給調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引入電流反饋控制，以克服開環(huán)運(yùn)行的特性缺陷。與他勵(lì)或永磁直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)既要調(diào)速又要穩(wěn)速的控制要求不同，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)只需調(diào)速不需穩(wěn)速，需要系統(tǒng)具有隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而降速的軟機(jī)械特性。

文獻(xiàn)［1-3］闡述了串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)具有軟機(jī)械特性及其存在的特性缺陷，PWM控制的直流斬波調(diào)壓電源電路，傳統(tǒng)的既要調(diào)速又要穩(wěn)速的他勵(lì)或永磁直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4-6］將非線性的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)，按調(diào)速、穩(wěn)速和穩(wěn)定的基本控制要求，對(duì)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施智能控制。實(shí)際上，對(duì)于既要調(diào)速又要穩(wěn)速的系統(tǒng)沒有必要選用軟特性的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。文獻(xiàn)［7］針對(duì)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)輕載轉(zhuǎn)速過高的特性缺陷，對(duì)其實(shí)施變轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，有效降低了輕載運(yùn)行轉(zhuǎn)速，而正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)仍具有串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的軟特性。文獻(xiàn)［8］研究了串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和可控性。但沒有推導(dǎo)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的線性化數(shù)學(xué)模型，也沒有分析串勵(lì)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［9-10］闡述了非線性系統(tǒng)的小偏差線性化方法，是串勵(lì)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型線性化的依據(jù)。

本文提出一種變電流反饋的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)電壓調(diào)速控制方法，在保持系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)具有串勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的前提下，提高系統(tǒng)在低電壓下運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)能力，并給重載時(shí)的系統(tǒng)提供過載保護(hù)。通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并將其線性化，分析研究串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的變電流反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給出確保系統(tǒng)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)約束條件。最后應(yīng)用驗(yàn)證該串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制方法的有效性和實(shí)用性。

1 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電流反饋控制策略

對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)在高電壓下重載運(yùn)行時(shí)會(huì)嚴(yán)重過載的缺陷，可以采用各種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常用的引入電流截止負(fù)反饋，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有過載保護(hù)功能的方法。由于勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)存在低電壓下運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)能力會(huì)顯著下降，易造成堵轉(zhuǎn)的特殊問題。針對(duì)該問題，在串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)采用特殊的控制策略。

當(dāng)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)電壓調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)端電壓為

式中:ku為可調(diào)直流電源的電壓控制放大系數(shù);Uc為系統(tǒng)的輸入控制電壓，該電壓的最大值為電動(dòng)機(jī)額定電壓UN的ku分之一。

設(shè)定串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)電壓調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)過載電流閾值Im=(1.2～1.3)IN，其中IN為電動(dòng)機(jī)額定電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電流I＞Im時(shí)，給系統(tǒng)引入電流截止負(fù)反饋，使電動(dòng)機(jī)的端電壓迅速下降為

以限止電動(dòng)機(jī)電流。式中βm為電流截止負(fù)反饋系數(shù)。

設(shè)定串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)電壓調(diào)速系統(tǒng)的輸入控制電壓的低電壓閾值Ucs，當(dāng)輸入控制電壓Uc＜Ucs時(shí)，給系統(tǒng)引入能隨輸入控制電壓Uc下降而增大的電流正反饋，使電動(dòng)機(jī)的端電壓升高為

以提高電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。式中β0為電流正反饋系數(shù)的最大值。

系統(tǒng)在不同Uc時(shí)的機(jī)械特性不能有交叉，否則系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定。為此必須對(duì)Ucs和β0的取值作出限制。

系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行，當(dāng)輸入控制電壓為Ucs時(shí)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)(堵轉(zhuǎn))電流為kuUcs/R，其中R為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的繞組總電阻。若該起動(dòng)(堵轉(zhuǎn))電流小于過載電流閾值Im，則Uc=Ucs時(shí)的系統(tǒng)機(jī)械特性不會(huì)與Uc＞Ucs時(shí)的系統(tǒng)特性交叉，故輸入控制電壓的低電壓閾值Ucs的取值應(yīng)為

當(dāng)Uc＜Ucs時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓由式(3)確定，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)(堵轉(zhuǎn))電流為

由式(5)知，要使Uc＜Ucs時(shí)的Ist隨Uc降低而減小，從而使系統(tǒng)的機(jī)械特性不交叉，應(yīng)取

因上述電流反饋控制策略的電流反饋系數(shù)是變化的，故稱其為變電流反饋控制。

當(dāng)輸入控制電壓Uc≥Ucs且電動(dòng)機(jī)電流I≤Im，即系統(tǒng)處于一般的正常工作狀態(tài)時(shí)，沒給系統(tǒng)引入電流反饋，系統(tǒng)具有串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，滿足了系統(tǒng)選用串勵(lì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的初衷。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流I＞Im時(shí)，給系統(tǒng)引入電流截止負(fù)反饋，具有了過載保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)的輸入控制電壓Uc＜Ucs時(shí)，給系統(tǒng)引入能隨輸入控制電壓Uc下降而增大的電流正反饋，提高了系統(tǒng)在低輸入控制電壓下的驅(qū)動(dòng)能力。

2 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制的穩(wěn)定性

由于變電流反饋控制策略是基于對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)分析提出，盡管在選取反饋參數(shù)時(shí)已避免了不同輸入控制電壓下系統(tǒng)靜態(tài)特性的交叉，但仍需建立串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并將其線性化，分析研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的方程

圖1為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電路。圖中:u為電源電壓;i既是電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也是電樞電流;e為電樞的電動(dòng)勢;m和mL分別是電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩;ω為電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度。

圖1 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電路Fig.1 M ain circuit of the series-excited motor

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程和電壓方程為

式中J為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;R和L分別為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的總電阻和總電感。

當(dāng)用角速度表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩m和電動(dòng)勢e分別為

式中:C既是轉(zhuǎn)矩常數(shù)也是電動(dòng)勢常數(shù);Φ(i)為主極磁通;K(i)=CΦ(i)既是轉(zhuǎn)矩系數(shù)也是電動(dòng)勢系數(shù)。

2.2 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

變電流反饋控制的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)電壓調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)端電壓u的控制計(jì)算式為

式中:uc為系統(tǒng)的輸入控制電壓;ui為系統(tǒng)的反饋電壓。變電流反饋系數(shù)β(uc，i)的表達(dá)式為

由式(7)～式(11)得到圖2所示的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)框圖，圖中p=d/d t為微分算子。因系數(shù)K(i)隨電動(dòng)機(jī)電流變化，電流反饋系數(shù)也變化，故圖2所示系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。

圖2 變電流反饋的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)框圖Fig.2 Dynam ic diagram of the series-excited motor system w ith variable current feedback

2.3 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性

為了運(yùn)用線性常定系統(tǒng)的系統(tǒng)分析理論分析串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需先對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型作線性化處理。

若圖2所示系統(tǒng)已穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，設(shè)定用大寫字母表示系統(tǒng)變量的穩(wěn)態(tài)值，用小寫字母表示變量的動(dòng)態(tài)值，用小寫字母前加Δ表示變量在穩(wěn)態(tài)值基礎(chǔ)上的增量。設(shè)系統(tǒng)的輸入量uc(或mL)在穩(wěn)態(tài)值基礎(chǔ)上有增量Δuc(或ΔmL)，則會(huì)引起其他變量在穩(wěn)態(tài)值基礎(chǔ)上產(chǎn)生增量。圖2中的非線性環(huán)節(jié)輸出量有m、e和其中m和e的增量分別為

由式(11)和式(12)推導(dǎo)ui及其增量為

設(shè)系統(tǒng)輸入量增量Δuc≠0、ΔmL=0，以電流增量Δi為系統(tǒng)的輸出，由式(13)、式(14)和圖2得

由式(16)、式(17)和圖2得串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)的用變量增量表示的線性化動(dòng)態(tài)框圖，如圖3(a)和3(b)所示。圖3(a)為uc＜Ucs時(shí)的系統(tǒng)線性化框圖，圖3(b)為uc＞Ucs且I＞Im時(shí)的系統(tǒng)線性化框圖。

圖3 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)的線性化框圖Fig.3 Linearized diagram of the series-excited motor system w ith variable current feedback

由圖3(a)得uc＜Ucs時(shí)的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)的特征方程為

由式(18)，依勞斯穩(wěn)定性判據(jù)，得uc＜Ucs時(shí)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件為

將式(12)代入式(19)，穩(wěn)定運(yùn)行條件變?yōu)?/p>

式(20)的右端隨系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)變化，當(dāng)系統(tǒng)在趨于零的輸入控制電壓uc下堵轉(zhuǎn)時(shí)，式(20)右端取到最小值為R/ku，此時(shí)式(20)轉(zhuǎn)變?yōu)槭?6)。故式(6)也是確保系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定時(shí)，β0取值應(yīng)滿足的條件。

由圖3(b)得uc＞Ucs且I＞Im時(shí)的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)的特征方程:

由式(21)，依勞斯穩(wěn)定性判據(jù)判定此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，與βm的取值無關(guān)。

當(dāng)uc≥Ucs且I≤Im時(shí)，開環(huán)運(yùn)行的系統(tǒng)穩(wěn)定。

要確保串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定，既要使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，也要使不同輸入控制電壓下系統(tǒng)的靜態(tài)特性不交叉，所以β0取值應(yīng)滿足式(6)，同時(shí)輸入控制電壓的低電壓閾值Ucs取值應(yīng)滿足式(4)。

3 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制的應(yīng)用

3.1 驅(qū)動(dòng)縫紉機(jī)的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋系統(tǒng)

圖4所示為用于驅(qū)動(dòng)縫紉機(jī)的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋控制的調(diào)電壓調(diào)速系統(tǒng)電路圖，單相交流電源經(jīng)不可控整流變換為直流電源，控制器采用PWM方式控制調(diào)節(jié)電力場效應(yīng)管V的通斷占空比，通過直流斬波調(diào)節(jié)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的端電壓。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的額定電壓UN=220 V，額定電流IN=0.3 A，電動(dòng)機(jī)的總電阻R=325.7Ω。圖4中的控制器由數(shù)字微控制器、電動(dòng)機(jī)端電壓u的測量電路、電動(dòng)機(jī)電流i的測量電路、電力場效應(yīng)管V的隔離驅(qū)動(dòng)電路和其他外圍電路組成。uc為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入控制電壓。

圖4 驅(qū)動(dòng)縫紉機(jī)的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)變電流反饋系統(tǒng)Fig.4 The series-excited m otor system w ith variable current feedback for sew ingmachine

圖4中，電力場效應(yīng)管V為N溝道增強(qiáng)型管5N60(600 V、4.5 A)，數(shù)字微控制器采用STM8S105單片機(jī)。電力場效應(yīng)管V的隔離驅(qū)動(dòng)電路基于Hc-PL4504光藕隔離芯片和IR2110驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成。電壓測量電路由分壓降壓電路、同相輸入比例器和Rc濾波電路組成。電流測量電路由電流傳感器、同相輸入比例器和Rc濾波電路組成。電壓和電流測量電路中的同相輸入比例器基于LM258雙運(yùn)放芯片構(gòu)成。

圖4所示系統(tǒng)的電壓控制放大系數(shù)ku=10，Im=1.3IN=0.39 A，取βm=150，由式(4)取Ucs=11 V，由式(6)取β0=27.5，系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 變電流反饋調(diào)速系統(tǒng)的控制流程

圖5所示為用于縫紉機(jī)的變電流反饋的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制流程。系統(tǒng)的PWM控制頻率為16 kHz，即PWM脈沖周期Tp為1/16ms?？刂屏鞒虇?dòng)后，控制器以Tc=16Tp=1ms為周期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷重復(fù)的測量與控制。

圖5 變電流反饋的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制流程Fig.5 Control flow of the speed-ad justing system w ith variable current feedback

圖5中，τ/Tp為脈寬調(diào)制的占空比，u*為虛擬的控制器輸出控制電壓，PWM控制直流調(diào)壓電源輸出電壓u=kuu*。因電源輸入為220 V工頻交流電壓，經(jīng)整流和電容濾波后約為310 V，故初設(shè)τ/Tp= 0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的電源輸出電壓u=155 V。

系統(tǒng)通電啟動(dòng)控制流程后，流程以Tc=16Tp為周期不斷重復(fù)，控制流程的工作時(shí)序?yàn)?第1個(gè)Tp時(shí)間用于讀取uc、計(jì)算u*和τ/Tp;第2～4個(gè)Tp時(shí)間用于以PWM方式控制電源輸出電壓u=kuu*;第5～16個(gè)Tp時(shí)間用于采集電動(dòng)機(jī)端電壓u和電流i，在每個(gè)Tp時(shí)間內(nèi)均對(duì)電壓u和電流i采樣，u和i的采集值為12個(gè)Tp時(shí)間內(nèi)采樣值的平均值。

對(duì)系統(tǒng)的輸入控制電壓uc，在每個(gè)Tp內(nèi)采樣一次，uc的采集值為320個(gè)采樣值(歷時(shí)20 ms)的平均值，控制器中存儲(chǔ)的uc采集值每經(jīng)過一個(gè)控制周期Tc(經(jīng)歷16次采樣)刷新一次。

3.3 縫紉機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的n-Uc曲線

保持家用多功能縫紉機(jī)處于某一設(shè)置狀態(tài)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸入控制電壓Uc，測縫紉機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n隨Uc的變化曲線。測試時(shí)，Uc的最大值為UN/ku=22 V，而Uc的最小值是能使縫紉機(jī)可靠起動(dòng)的最低電壓。分別測量開環(huán)和引入變電流反饋閉環(huán)控制時(shí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的n-Uc曲線，如圖6所示。比較處于閉環(huán)與開環(huán)控制下系統(tǒng)的n-Uc曲線可知，當(dāng)Uc為11～22 V時(shí)，閉環(huán)和開環(huán)控制的n-Uc曲線重合，表明電流反饋為零。當(dāng)Uc小于Ucs=11 V時(shí)，閉環(huán)控制的n-Uc曲線隨著Uc的降低而高于開環(huán)控制的n-Uc曲線，表明隨輸入控制電壓下降而增大的電流正反饋起作用。

圖6 縫紉機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的n-Uc曲線Fig.6 n-Uccurves of the sew ing machine system

圖6中，閉環(huán)控制時(shí)的Uc最小值為3 V，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為660 r/min;而開環(huán)控制時(shí)的Uc最小值為8 V，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。原因是縫紉機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)使縫紉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周的轉(zhuǎn)矩不均勻，存在一個(gè)最大轉(zhuǎn)矩位置，在縫紉機(jī)起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)尤為明顯。開環(huán)起動(dòng)時(shí)為克服最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩需較高的電壓，起動(dòng)后較高的電壓使縫紉機(jī)轉(zhuǎn)速較高;而閉環(huán)控制的電流正反饋使電動(dòng)機(jī)的端電壓動(dòng)態(tài)地隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而升高，提高了系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)縫紉機(jī)在更低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

3.4 縫紉機(jī)低速時(shí)的電動(dòng)機(jī)電壓電流波形

為了進(jìn)一步反映家用多功能縫紉機(jī)的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流正反饋?zhàn)饔?，測試縫紉機(jī)在最低輸入控制電壓Uc=3 V下，低速縫紉7mm厚牛仔布時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓和電流的波形，如圖7所示。

圖7 縫紉機(jī)低速時(shí)的電動(dòng)機(jī)電壓和電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms of series-excited motor for the sew ing machine at low speed

圖7中，波形cH2為經(jīng)分壓降壓、同相輸入比例器和Rc濾波的電動(dòng)機(jī)端電壓波形，波形顯示值乘58.8為電動(dòng)機(jī)端電壓值;波形c H1為經(jīng)電流傳感器、同相輸入比例器和Rc濾波后的電動(dòng)機(jī)電流波形，波形的顯示值減去電流傳感器偏置電壓2.5 V后再除1.875即為電動(dòng)機(jī)電流值。由圖9知，縫紉機(jī)低速運(yùn)行，每0.8s僅縫一針，期間電動(dòng)機(jī)端電壓在電流正反饋?zhàn)饔孟码S負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的范圍為49～74 V，電動(dòng)機(jī)電流的變化范圍為0.11～0.21 A。

3.5 變電流反饋調(diào)速系統(tǒng)的Ist-Uc曲線

為反映變電流反饋串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電流反饋?zhàn)饔?，分別測量圖5所示系統(tǒng)在開環(huán)和變電流反饋閉環(huán)控制時(shí)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)(起動(dòng))電流Ist隨Uc變化的Ist-Uc曲線，如圖8所示。

圖8 變電流反饋調(diào)速系統(tǒng)的Ist-Uc曲線Fig.8 Ist-Uccurves of the speed-ad justing system w ith variable current feedback

由圖8可知，當(dāng)Uc＜Ucs=11 V時(shí)，閉環(huán)控制的Ist仍隨Uc降低，但明顯大于開環(huán)控制的Ist，表明引入隨Uc降低而增大的電流正反饋顯著提高系統(tǒng)的低壓驅(qū)動(dòng)能力;當(dāng)Uc＞RIm/ku=12.7 V時(shí)，閉環(huán)控制的Ist隨Uc增大的變化率遠(yuǎn)小于開環(huán)控制的變化率，表明引入電流截止負(fù)反饋給系統(tǒng)提供了過載保護(hù)。當(dāng)Ucs≤Uc≤RIm/ku時(shí)閉環(huán)與開環(huán)控制的Ist相同，表明閉環(huán)的電流反饋系數(shù)為零。

4 結(jié) 論

本文提出變電流反饋的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)電壓調(diào)速控制方法，在調(diào)速系統(tǒng)的輸入控制電壓uc小于其低電壓閾值Ucs時(shí)，該方法引入隨uc降低而增大的電流正反饋使系統(tǒng)的低壓驅(qū)動(dòng)能力明顯提高;在uc大于等于Ucs且電動(dòng)機(jī)電流i小于等于過載電流閾值Im，即系統(tǒng)處于一般正常工作狀態(tài)時(shí)，無電流反饋，調(diào)速系統(tǒng)的特性即為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性;在uc大于Ucs且i大于Im時(shí)，該方法引入電流截止負(fù)反饋使系統(tǒng)具備了過載保護(hù)。

為確保變電流反饋的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)電壓調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，既要使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，也要使不同輸入控制電壓下系統(tǒng)的靜態(tài)特性不交叉。故在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，輸入控制電壓的低電壓閾值Ucs應(yīng)小于RIm/ku，系統(tǒng)的電流正反饋參數(shù)β0應(yīng)小于R/ku。

［1］ 湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)(第4版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:83-113，331-334.

［2］ 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)(第4版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:100-110.

［3］ 阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第4版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014:9-88.

［4］ 程輝，周洪.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［J］.微特電機(jī)，2014，42(8):76-79. c HENG Hui，ZHOU Hong.Speed control system of series Dc motor based on ANN-PID control［J］.Small&Special Electrical Machines，2014，42(8):76-79.

［5］ 王艦.基于T-S模型的自校正模糊控制器及在串勵(lì)電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2005，9(4):316-320. WANG Jian.A self-tuning fuzzy controller based on T-Smodel and its application on speed adjustmentof seriesmotors［J］.Electric Machines and control，2005，9(4):316-320.

［6］ 倪有源，陳浩，趙亮.基于遺傳算法實(shí)現(xiàn)單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)［J］.微特電機(jī)，2014，42(11):63-66. NI Youyuan，c HEN Hao，ZHAO Liang.Implementation of closed loop control of a single-phase seriesmotor based on genetic algorithm［J］.Small&Special Electrical Machines，2014，42 (11):63-66.

［7］ 彭亦稰，陳小元，陳超.串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的輕載降速控制方法［J］.微特電機(jī)，2014，42(11):54-57. PENG Yixu，c HEN Xiaoyuan，c HEN chao.Deceleration ctrategy of the series-excited motor speed-control system under light-load［J］.Small&Special Electrical Machines，2014，42(11):54-57.

［8］ 盧水章，張昌波.串勵(lì)電機(jī)的穩(wěn)定性與可控性分析［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16(1):164-166. LU Shuizhang，ZHANG changbo.Stability and controllability analysis of the series-excited motor［J］.Transactions of Beijing Institue of Technology，1996，16(1):164-166.

［9］ 梅曉榕.自動(dòng)控制原理(第3版)［M］.北京:科學(xué)出版社，2013:40-45.

［10］ 孟范偉，何朕，王毅，等.非線性系統(tǒng)的線性化［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12(1):89-99. MENG Fanwei，HE Zhen，WANG Yi，et al.Linearization of a nonlinear system［J］.Electric Machines and control，2008，12 (1):89-99.

(編輯:劉素菊)

Variable voltage control strategy with alterable current feedback for the series-excited motor system

PENG Yi-xu， cHEN Xiao-yuan， cHEN chao
(college of Technology，Lishui University，Lishui323000，china)

Due to the softmechanical characteristic of series-excited motor's open-loop-adjusting driving system，the performance of themotor has some defects，such as insufficient driving forcewhen working in low excited voltge and low-speed conditions，serious overcurrentwhen working in high excited voltge，overload and low-speed conditions.Addressing these problems，this paper proposed a variable voltage control strategy with alterable current feedback for the series-excited motor.The linearized mathematical modelwith alterable current feedback for the series-excited motor's speed-adjusting system is analyzed，and the conditions andmethods for designing the alterable current feedback system to ensure the system to be operated stablely are clarified.Taking the series-excitedmotor system using the proposed control strategy for household sewingmachine as an example，the driving capacity at low is improved significantly，the winding current is limited when working in overload condition and the series-excited motor's softmechanical characteristic is retained under normal operation.

series-excitedmotors;alterable current feedback;driving capability;mechanical characteristic

10.15938/j.emc.2015.04.013

TM 331

A

1007-449X(2015)04-0081-06

2014-04-21

國家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAc16B02);國家自然科學(xué)基金(51207068);浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013c31114)

彭亦稰(1961—)，男，本科，副教授，研究方向?yàn)樾」β孰姍C(jī)的設(shè)計(jì)、制造及控制;陳小元(1980—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制;陳 超(1984—)，男，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)數(shù)字控制技術(shù)

彭亦稰