基于相位闭环控制的直流电动机调速方法
朱安定，邢建国，赵文敏
（浙江工商大学，浙江杭州310018）
摘要：提出了采用v／φ变换器将和直流电动机串联的triac两端压降转换为相位脉冲，通过测量相位脉宽，获得直流电动机转速信号，从而实现在可变负载应用中转速负反馈闭环控制，具有成本低、控制灵活、转速控制稳定可靠的优点。
关键词：直流电动机；相位控制；lriac;v／φ变换器
中图分类号：tm33 文献标识码：a 文章编号：1004-7018( 2010) 07-0041-03
0引言
直流电动机以其良好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优良的动态特性，一直广泛应用于各种调速控制系统中。采用双向可控硅triac开关元件对直流电动机进行调速，具有体积小、成本低、性能稳定的优点，应用十分广泛。
一般情况下，机电传动系统负载的转矩特性，即机械特性主要有恒转矩负载、恒功率负载、通风机类负载。恒转矩负载是传动机械的负载转矩与转速无关；恒功率负载是负载转矩与转速的乘积为一常数；而通风机类负载是负载转矩与转速的平方成正比。这些负载的变化都是可预测的，可以通过开环控制方法实现直流电动机的功率输出。控制方法主要有相位控制方式和过零调功方式。相位控制主要是同步供电交流电源的电压过零点或电流过零点，通过移相触发triac导通角；而过零调功主要是通过在给定时间内改变加在负载卜的交流正弦波个数来调节负载输出功率。
而另外一些系统的负载却是可变转矩特性的，比如按摩机、跑步机等，由于人体产生反抗力矩并不是恒定不变的，而是随机改变的，所以此类机电传动系统需要随负载阻力力矩的变化而进行闭环控制。直流电动机凋速的反馈信号一般取自转速，目前转速信号的采样主要有两种方法：一种是直接物理测量转速，如光电式编码盘、霍尔传感器、商流测速发电机等，这类方法的优点在于直接测量电机机械转速，测量精度高，反馈快，缺点在于增加了系统成本；另一种是间接测量转速，通过测量直流电机两端的电压，或者流经的电流来估计转速，这类方法精度较低，并且需要将电机驱动电路和控制电路进行适当的电气隔离。
本文利用直流电动机转速和triac电压存在的关系，提出通过v／φ变换器测量triac两端电压相位脉宽，估计直流电动机转速，实现变负载应用的转速闭环控制。
1直流电动机等效电路模型
直流电动机电枢的等效 电路为阻抗尺和感抗联而成，如图1所示。
当直流电动机受到负载的反抗力矩增加。，转速降低，电枢绕组中的感应电流频率减少，感抗wl减少，而阻抗r不变，所以直流电动机的总的阻抗z =r+wl降低。又：
直流电动机的转速。表达式：
式中：u为电枢端电压；i为电枢电流；r为电枢电路总电阻；k为电动机结构参数；φ为每极磁通量，对于特定的直流电动机k和φ都是常数。对于中小功率直流电动机，电枢电路电阻非常小，式(2)中ir项可省略不计，则：
将式(1)代人式(3)得：
由式(4)可知，直流电动机转速和triac两端压降呈线性负相关关系。
2 v/φ中变换器设计及相位闭环调速原理
图2为采用v／φ变换器的直流电动机驱动电路。图中虚线框内部分为v／中变换器的一种低成本实现电路，tr |
