串勵直流電機新型控制方法的研究與設計

吳 松，莫岳平，周斌欣，2，謝 莉，蔣 偉

(1.揚州大學，揚州225127;2.揚州大得機電科技有限公司，揚州225127)

0 引 言

串勵直流電機起動轉矩與電流成比例關系，具有調速性能好、過載能力強等優點，在叉車、觀光游覽車等大負荷系統中應用十分廣泛。傳統機械式電機旋轉換向方法存在不能快速頻繁換向、不能重復利用機械能、體型笨重等缺點，限制了串勵電機的推廣與應用。又因串勵電機存在飛車現象，原則上只能工作在一、三象限，無法實現機械能的回收與利用，降低了系統效率［1－3］。

本文設計了由四個半導體開關元件組成的全橋電路控制電機電樞電流的方向和回路，由互補雙半橋控制勵磁電流回路。改變混合橋式電路中開關的通斷和占空比，實現串勵電機調壓調速、電子換向與饋電運行控制。實驗表明，本文提出的控制方法能夠實現電機平穩調速、旋轉電子換向與四象限運行控制，達到了預設的控制目標［4］。

1 控制系統主電路設計

全橋電路由四個MOSFET 開關管組成，電樞繞組接于Q1 與Q2 點之間;互補雙半橋電路由MOSFET 開關管和二極管串聯組成，勵磁繞組接于Q3與Q4 點之間，控制系統主電路拓撲如圖1 所示。通過電流反饋控制電機兩個繞組電流大小一致。通過切換電樞繞組供電開關對，改變電樞電流方向，從而改變實現電機電磁力矩方向，最終實現電機旋轉方向電子換向;電機進入制動狀態時，控制電樞繞組供電方向和電樞反向電動勢負極指向正極方向一致的供電開關對的占空比小于0.5，實現串勵電機向供電電源饋電控制［5］。

圖1 主電路拓撲圖

2 電機四象限運行控制

2.1 電機運行的四個象限

以電機轉速和電磁力矩為變量建立直角坐標系，當電機轉速和電磁力矩正負相同時，電機工作在第I 或第III 象限，電機處于驅動狀態;當電機轉速與電磁力矩正負相反時，電機工作在第II 或第IV象限，電機處于制動狀態［7］。傳統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致曲線進入第Ⅱ和Ⅳ象限，并非反饋電能給供電電源，而是電機發電電能和電源電能消耗能量在制動電阻上。

圖2 串勵直流電機串電阻制動機械特性曲線

2.2 電機運行控制

選擇M1－M4 作為供電開關對，以一個PWM周期為例介紹控制過程。假設此時電機工作在第I象限。t0－t1時刻，供電開關對M1－M4，M5－M6導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，電機磁場和機械軸同時接受電源能量。

圖5 M1，M4 關閉電機運行時電樞電流

t1－t2時刻，電樞電流走向如圖5 所示。關斷開關對M1－M4，電樞電流經開關M2，M3 體內反向二極管構成續流回路，在(－U－E)的負壓下下降，電源和機械軸同時接收電機磁場能量。調節M1－M4，M5－M6 占空比，可調節電樞電流大小，從而控制電磁力矩大小，準確實現串勵電機調壓調速控制。穩定運行時，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。電機工作在第III 象限時控制方式與此類似，不再贅述。

控制系統收到剎車信號后，導通M5－M6，勵磁電流與磁場方向不變，關閉供電開關對M1－M4，電樞電流在(－U－E)的負壓下迅速下降為零，此時電機旋轉方向與電樞上感應電動勢E 方向不變。改由控制開關對M2－M3，導通M2－M3，電樞電流在(U+E)正壓下上升，電樞電流如圖6 所示，電機磁場同時接收電源和機械軸輸入能量。

圖6 M2，M3 導通電機運行時電樞電流

關斷M2－M3，電樞電流經M1－M4 體內反向二極管續流，在(E－U)的壓差下變化，電樞電流如圖7 所示，電源接收機械軸能量。控制開關對M2－M3 導通占空比同時小于0.5，可使電源平均受電為正，實現機械能的回收利用。串勵電機電磁力矩與旋轉方向相反，處于饋電制動狀態，電機工作在第II象限。電機工作在第IV 象限控制過程與此相同，不再贅述。

圖7 M2，M3 關斷電機運行時電樞電流

3 數字控制系統設計

3.1 控制系統原理圖設計

控制系統以STM8 系列單片機作為本地控制單元，CPU 采樣到調速信號后結合人機界面之前預設的車輛控制參數，由系統軟件計算并輸出PWM 控制信號，PWM 信號經過驅動和功率放大電路變換后控制電機運轉，同時控制電機兩繞組電流大小一致;單片機采樣電機運行時的電氣信號，由系統軟件對電機的溫度、速度、電壓、電流等變量進行監測，控制串勵電機平穩運行。

控制系統原理圖如圖8 所示。

圖8 控制系統原理圖

3.2 單片機程序設計

在主程序中完成控制系統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速度、方向和電子剎車等信號選取電機工作象限，并調節M1 到M6 的占空比，實現電磁力矩換向、速度調節、向電源饋電等控制;對控制系統的溫度、電流、電壓等變量進行采樣和監測，主程序流程圖如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

4 實驗結果分析

控制系統樣機測試如圖10 所示。實驗用串勵直流電機參數:額定功率P =4 kW，額定電壓U =48 V，額定電流I =96 A，額定轉速N =2 300 r/min。Q1 ～Q6 對應圖1 中各點，指示燈顯示控制系統工作狀態。實驗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行狀況相關。

圖10 系統調試圖

電機工作在第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電壓為48 V，電池供電電流89 A，電機先加速再減速。

電機正轉制動過程中電機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，電池供電電流變為負值，從－65 A 逐漸增大到－30 A 后，電機退出發電狀態，此時電機運行在第II 象限。

圖11 電機正轉時電源供電電流

圖12 電機正轉制動時電源饋電電流

電機工作在第III 象限時Q1 點電壓和電源電流如圖13 所示。開關管M2 通斷控制Q1 點電壓分別對應電樞電壓和電池負極電壓，車輛運行平穩以后供電電流在88 A 左右，電機先加速再減速。

圖13 電機反轉時電源供電電流

電機工作在第IV 象限時Q1 點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 后退出發電狀態，電源電流變化過程與第II 象限類似。

圖14 電機反轉制動時電源饋電電流

從4 個象限內不同運行狀態下電源電流的變化可以看出，控制系統實現了串勵電機速度調節與饋電運行控制，達到了預期的控制目標。

5 結 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對的占空比，實現串勵直流電機調壓調速控制;通過切換供電開關對，實現電機旋轉換向與發電運行控制，取代機械式換向方法，降低控制系統體積與生產成本，對于有大扭矩、頻繁正反轉要求的運用，既能保證快速性，又能做到重復利用機械動能，提高了系統效率。實驗結果表明，所提出的串勵電機新型控制方法能很好地實現調速、換向與能量回收控制。

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