基于脈沖頻率調制技術在直流電機調速控制系統中的研究＊

郭紅霞，王政瀛

（天津輕工職業技術學院，天津 300350）

1 課題研究背景及意義

自動化控制系統已經在各行各業得到了廣泛的應用和發展，對直流電機的控制作為電氣傳動的重要組成部分，在現代化生產中被普遍使用。在液體自動灌裝機的設計和應用中，由于自動化PLC 模塊的輸出電壓不能直接與直流電機控制模塊相連，而采用便于安裝的DIN式光電隔離器，來完成這種隔離和轉換工作。考慮到光電隔離頻率的限制，脈沖調制也采用低頻率信號，光電隔離器模塊由脈沖頻率控制電動機平穩變速。

目前，在液體灌裝機加工過程中，水泵對某些類型物質灌裝有困難，特別是帶有顆粒的各種醬類，水泵無法完成。由于水泵配送的活塞泵精度不夠，活塞泵的直徑越大，通過吸合、推出的量越不夠精確，誤差比較大。基于上述問題，樣機做成直徑比較細的螺桿泵，應用在食品灌裝的灌裝泵上，正好滿足了水泵和配送的要求。該設計不僅解決了水泵只能罐裝純度高的水和油等液體、不能罐裝醬類（含顆粒物物質）的難題，又解決了活塞泵灌裝精度低、誤差大的問題，從而實現自動化控制設備生產。經過多年試驗研究，灌裝機已經達到設計科學、結構合理、使用方便、能夠提高工作效率和精度、保障食品安全衛生、實現智能協作配合的一種液體自動灌裝機技術要求，具有重要的創新性現實意義，自動灌裝機系列產品具有廣闊的市場效益：

1）準確的液體定量控制；

2）方便輸入和顯示所有參數，如液體流量，機器運行的狀態、轉速、延時等；

3）節約成本。

2 液體灌裝機研究理論依據

考慮到系統穩定性的要求和成本控制，灌裝機采用帶控制面板的FP-e PLC作為控制單元，方便各種參數的調整。電機采用大功率直流電機，所以驅動器也采用大功率的直流電機控制模塊。采用旋轉編碼器來計算流體的定量。考慮到PLC 的輸出電壓不能直接與直流電機控制模塊相連，沒有采用復雜的電子電路光電隔離，而是采用便于安裝的DIN 式光電隔離器模塊來完成這種隔離和轉換工作，考慮到光電隔離頻率的限制，脈沖調制也采用低頻率信號。為了實現PLC 輸出脈沖信號轉換成模擬信號以控制直流電機控制模塊，本系統利用PLC 編成語言輸出脈沖頻率的功能，嘗試了利用脈沖頻率調制的方式完成直流電機的調速控制。通過調整脈沖信號的頻率，實現直流信號的轉換，達到實現直流電機的調速控制。

2.1 直流電機的結構和工作原理

永磁電機（PMDC）是一種轉子自帶永磁體的電動機，當供給電機直流電流時，轉子連續地旋轉，且容易控制，目前被廣泛使用。微小型的直流電機大多使用在小玩具、機器人和其他電子設備中，大型直流電機廣泛使用在工業生產中。

直流電機主要由兩個部分組成，固定不動的部分稱為“定子”，里面旋轉產生運動的部分稱為“轉子”，直流電機的轉子也被稱為“電樞”。通常微小型直流電機定子是由一對固定的磁鐵在內部產生固定的磁場，這種電機被稱為永磁直流電機。電機的電樞是由單個的電子線圈在電機金屬體內互相連接起來，產生北極—南極—北極等的磁場布局。電流在轉子鐵芯中產生電磁場，而電樞繞組產生的環形磁場，排斥或吸引定子永磁鐵，從而產生圍繞電機中心軸的運動。

當電樞旋轉時，電流通過位于換向器周圍的碳刷從電機端子傳遞到下一組電樞繞組，產生另一個磁場，并且每次電樞旋轉時，一組新的電樞繞組都通電，迫使電樞不停地旋轉。因此，直流電機的轉速取決于兩個磁場之間的相互作用，一個磁場由定子上固定的永磁體設置，另一個磁場由電樞旋轉電磁體設置，通過控制這種相互作用，可以控制電機的旋轉速度。

定子上永磁體產生的磁場是固定的，因此不能改變，但如果通過控制流經繞組的電流來改變電樞電磁場的強度，就會產生更強或更弱的相互作用，從而產生更快或更慢的速度。直流電機的轉速（N）與電機的反電勢E（E=U-I·R，U—加載電壓，R—繞組電阻，I—通過繞組的電流）成正比，除以磁通量Φ（對于永磁體是恒定的），乘以電樞繞組數的機電系數（K?），所以，N=E/Φ× K ? 。

2.2 直流電機的速度控制

2.2.1 電阻分壓控制

控制電機的速度，一個方法是采用電阻網絡或大型可變電阻器調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網絡只能實現有級調速，而數字電阻的元器件價格比較昂貴。而一般電動機的電阻很小，電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現很困難。許多研究者試圖使用大型可變電阻器控制直流電機的速度[1]。雖然大型變阻器能達到工作要求，但它在電阻上產生了大量的熱量和功率浪費。控制電機速度的另一個簡單方法就是調節其端子的電壓量，這可以通過脈沖寬度調制或PWM實現。

2.2.2 脈沖寬度調節控制

脈沖寬度調制速度的工作原理是使用一系列“ONOFF”脈沖驅動電機，并改變占空比，即控制輸出電壓“ON”的時間與脈沖“關閉”時的時間比例，同時保持頻率恒定。

施加到電機的功率可以通過改變這些施加脈沖的寬度進行控制，從而改變施加在電機端子上的平均直流電壓。通過改變或調節這些脈沖的時序，可以控制電機的速度，即脈沖“ON”的時間越長，電機旋轉的速度越快，同樣，脈沖“ON”的時間越短，電機的旋轉速度越慢。換句話說，脈沖寬度越寬，施加在電機端子上的平均電壓越高，電樞繞組內部的磁通量越強，電機旋轉的速度越快。

使用脈沖寬度調制來控制小電機的優點是開關晶體管中的功率損耗很小，因為晶體管是完全“開”或完全“關”的狀態。因此，不僅開關晶體管的功耗大大降低，控制電機的線性度和速度穩定性也較好。此外，電機電壓的振幅保持不變，因此電機始終處于全強度。其結果是，電機可以旋轉得更慢，而無需其他元素的拖延。而如何產生脈沖寬度調制信號來控制電機，使用555振蕩器電路非常簡單。

這種基于熟悉的NE555或7555定時器芯片的簡單電路用于在固定頻率輸出下產生所需的脈沖寬度調制信號，正是電容器C 流經時序網絡RA 和RB 的電流充電和放電的過程。555 引腳3 的輸出信號等于晶體管完全“ON”的電源電壓切換。電容器C充電或放電所用的時間取決于 RA和RB的值。

電容器C通過網絡RA充電，但圍繞電阻網絡RB和二極管D1進行分流。電容器充電后，立即通過二極管D2和網絡 RB放電到引腳7 中。在放電過程中，引腳3 的輸出為0 V，晶體管開關為“關閉”。然后，電容器C完成一個完整的電荷放電周期所用的時間取決于RA、RB和C 的值，總的“開”和“關”的周期：T=TH+TL，所以輸出頻率：f=1/T。如上所示的元器件參數在6 V電源電壓供電的情況下，產生8.3%（0.5 V）到91.7%（5.5 V）的周期方波。輸出頻率穩定在256 Hz，并且電機的開關控制在這個比例上。

電阻器R1 加上電位器VR1 的“頂部”部分，代表 RA的電阻網絡。而電阻器R2 加上VR1 的“底部”部分，代表RB的電阻網絡。這些值可以進行更改以適應不同的應用和直流電機，但只要555穩定電路在幾百赫茲的速度運行得足夠快，電機的旋轉就不會產生抖動。二極管D3 是常用的單向二極管，用于保護電子電路免受電機的電感負載。此外，如果電機負載高，可將散熱器放在開關晶體管或MOSFET上。脈沖寬度調制是控制向負載供電的功率而不消耗任何浪費功率的一種有效方法。

2.2.3 脈沖頻率調節控制

脈沖頻率調制（pulse frequency modulation），其縮寫為PFM。屬于一種脈沖調制技術，調制信號的頻率隨輸入信號幅值而變化。由于調制信號通常為頻率變化的方波信號，因此，PFM 也叫作方波PFM。脈沖頻率調制（PFM）是用0 和1 表示的模擬信號的調制方法，相似于脈沖寬度調制（PWM），模擬信號的大小被編碼成方波中的占空比。與PWM不同，在PFM中，方波脈沖的寬度在恒定頻率下變化，PFM固定方波脈沖的寬度，同時改變頻率。換句話說，脈沖器的頻率根據采樣間隔調制信號的瞬時振幅而變化，脈沖的振幅和寬度保持不變。

在PFM 運行期間，輸出功率與脈沖串的平均頻率成正比，當輸出電壓降至反饋控制回路測量的設定輸出電壓以下時，轉換器工作。然后增加轉換器開關的頻率，直到輸出電壓達到設定輸出電壓之間的典型值，并且高于設定輸出電壓的0.8%到1.5%。

脈沖頻率調制(PFM)于脈沖寬度調制(PWM)相比較主要優點在于效率。

1）對于外圍電路一樣的脈沖頻率調制(PFM)和脈沖寬度調制(PWM)而言，其峰值效率PFM 與PWM 相當，但在峰值效率以前，脈沖頻率調制(PFM)的效率遠遠高于脈沖寬度調制(PWM)的效率，這是脈沖頻率調制(PFM)的主要優勢。

2）脈沖寬度調制(PWM)由于誤差放大器的影響，回路增益及響應速度受到限制，脈沖頻率調制(PFM)具有較快的響應速度。

脈沖頻率調制(PFM)與脈沖寬度調制(PWM)相比較主要缺點在于濾波困難。

1）濾波困難（諧波頻譜太寬）。

2）峰值效率以前，脈沖頻率調制(PFM)的頻率低于脈沖寬度調制(PWM)的頻率，會造成輸出紋波比脈沖寬度調制(PWM)偏大。

3）脈沖頻率調制(PFM)控制比脈沖寬度調制(PWM)控制IC價格要貴。

3 液體灌裝機創新技術

AFPE-224305 是Panasonic FP-e 系列帶面板輸入的PLC，可以在操作過程中方便地修改各種參數。FP-e PLC非常合適用來控制臺式機器，實驗設備、測試儀器和生產線上分揀系統的接口不多，且需要有數字顯示和參數輸入的控制器，它有8個晶體管輸入端口、5個晶體管輸出端口和1個繼電器輸出端口。這種與通用計數器類似的輸入面板，不僅可以方便地進行參數設定，還可以顯示設備運行狀態，是集計數器、PLC于一體的經濟實惠的控制器。

3.1 KBIC-240D直流電機控制器

KBIC-240D 是全波直流電機速度控制器，可靠性高，低成本。雖然其尺寸小，但這些控制器提供優于2%調整，50:1 調速比之上。組成包括：使用突波吸收器（MOV）瞬間保護來保護電橋；集成電路提供對于過載和電壓調整的非復雜設計；電子電流限制（CL）以限制最大輸出電流來保護電機和控制器免于過載；加速啟動（可在0.5 s～4 s范圍內調整）使在使用AC電源時，每次都能實現順暢的啟動。

KBIC的一個獨特特性是具有插入式功率電阻器（PLUG-IN Horsepower Resistor）。一般情況下，當控制器用于不同功率的電機時，會相應調整IR 補償和CL 電流限制。另外利用輔助散熱片（選擇配件）可實現另一獨特的功能，即可增大額定輸出功率。

該控制器的輸出與電位器的旋轉調節成線性關系。KBIC 也可用電壓跟隨方式來操作，只要提供一個隔離模擬信號（0～7 VDC）到輸入端子P2（+）和P1(-)。如果絕緣輸入信號不存在，則可使用備選的隔離端子板信號隔離器。該種控制器采用標準的端子方式，而且隔離端子配件組中包含了5K 電位器和電樞式保險絲。禁止回路電流將電樞輸出電壓減小到0。還有另外一個標準的部件是自動禁止回路電流（Auto Inhibit），當使用AC 電源時，該部件可避免錯誤啟動和高突波電流。對應不同的電壓和電流范圍。其中KBIC-240D可在115 VAC和230 VAC下運行，輸出0～90 VDC和180 VDC。

3.2 旋轉編碼器

OMRONE6B2-CWZ6C是使用5～24 VDC電源電壓供電，每轉輸出100個脈沖的高性能旋轉編碼器，用來記錄電機轉數，可以依電機的轉數計算流體的定量[2]。由于旋轉編碼器種類很多，是光電傳感器應用最廣泛的測量機械軸旋轉速度的傳感器。軸可位于電機上，接通電源，電動機旋轉，帶動編碼器一起旋轉，編碼器有一個圓形機械柵欄，轉一圈輸出多少個脈沖。也就是說，輸出的脈沖越多，機械的柵欄越難做，在相同的截面上要打出那么多的槽來，槽數越多，精度越高，比如說，每轉一千個脈沖和每轉一百個脈沖，價格成本是相差比較大的。可將編碼器的輸出脈沖接到PLC 單片機上，用頻率控制電機速度，精準定位，準確切割。

3.3 光電隔離器

WeidmullerEGO1（558160000）是輸入電壓24 VDC、輸出電壓5 VDC～48 VDC、最大開關頻率3 000 Hz的DIN式光電隔離器，性能可靠，使用方便。實驗證明，光電隔離在脈沖作用下工作時的狀態[3]：頻率越低，閃爍越明顯，電機轉速也越低，反之，頻率越高，就越不容易看到發光二極管閃爍。

基于灌裝機工作原理，系統要求PLC輸出24V的脈沖，為了降低加在發光二極管上的電壓和限制加在其上的電流，所以R1 用來調節輸入電壓和調節電流，而在輸出端的R2用來調節限制光電隔離輸出電流，這樣，R1、R2 調節得合適，就可以在輸出端得到線性的電壓輸出，考慮到光電隔離器件最高頻率的限制以及控制器對模擬信號的要求，本控制系統將脈沖頻率調制在10 Hz～1 000 Hz之間。

接通電源，啟動開關，PLC FP-e 控制器由程序控制KBIC-240D 控制直流電機運行[3]，編碼器檢測電動機速度，閉環反饋調節偏差電壓，光電隔離器脈沖頻率控制電動機平穩變速，實現灌裝機攪拌和灌裝。創新技術是螺桿泵問題，它是由定子和轉子組成的，轉子就是一個拉長的螺絲，定子就是和轉子配套的螺母，它的工作原理是轉子每轉一圈，就可以把一個螺距容量的流體輸送出去，從而完成流體灌裝。當然流量就由計數器來完成，根據流體黏度的不同，灌裝速度也不同，PLC 可以很方便地做這些工作。由于灌裝機啟動時需要較大功率輸出[4]，所以忽略低壓輸出，同時為了保證在灌裝過程中避免液體飛濺現象，輸出電壓也不需要調到最大，考慮諸多因素影響，對控制電阻調整的線性比較平緩。

今年是“十四五”開局之年，要走好職業教育提質升級培優辦學之路，提升高職院校辦學水平，增強高職教育適應性，深化校企合作、產教融合，建設多元協作式的課程實用性模塊化教學方式，職業教育為企業和社會服務，開創職業教育新局面。灌裝機主要是為食品生產灌裝各種醬類設計，企業和市場需要什么，職業院校就要開發什么。目前開發的重量灌裝機器已經投放到市場。

4 結束語

通過以上脈沖頻率調制在直流電機的調速控制系統中的應用，特別是將PLC 輸出的脈沖頻率調制的方波信號。本研究巧妙地利用光電隔離器件，將頻率調制的脈沖信號轉換成模擬信號，輸出給直流電機控制模塊，既解決了PLC與電機控制模塊隔離的要求，又實現了脈沖信號轉換成模擬信號，完美地實現了脈沖頻率調制直流電機速度的要求，不但簡單實用，而且節約成本，在實際應用中得到了充分的驗證。