彭亦稰，陳小元

(麗水學(xué)院，麗水 323000)

?

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞并聯(lián)支路的停車制動(dòng)方法

彭亦稰，陳小元

(麗水學(xué)院，麗水 323000)

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，常用的電磁制動(dòng)方法是切換兩繞組的連接端，電路復(fù)雜。依據(jù)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)的原理，提出一種只需在電路中增設(shè)一個(gè)功率開關(guān)管，制動(dòng)時(shí)電樞并聯(lián)支路的停車制動(dòng)方法；分析了制動(dòng)電路的特點(diǎn)、設(shè)定電路參數(shù)，并通過(guò)應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)；停車制動(dòng)；電樞；并聯(lián)支路

0 引 言

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，能在交、直流電源下運(yùn)行，具有軟機(jī)械特性[1-2]，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、縫紉機(jī)和攪拌機(jī)等設(shè)備。采用PWM直流斬波控制調(diào)節(jié)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的直流端電壓，即構(gòu)成了直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)[3-4]。若要求系統(tǒng)具有電磁制動(dòng)功能，常用的方法是在驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)4個(gè)功率開關(guān)管，控制切換勵(lì)磁繞組與電樞繞組的連接端，改變串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向，實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)[5-6]。為了限制電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電流，在切換連接端的同時(shí)要降低電動(dòng)機(jī)的端電壓，并接入限流電阻，電路及其控制較復(fù)雜。

基于改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向?qū)崿F(xiàn)電磁制動(dòng)的原理，本文提出一種只需在驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)一個(gè)功率開關(guān)管，制動(dòng)時(shí)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞并聯(lián)支路的停車制動(dòng)方法。分析制動(dòng)電路的特點(diǎn)，設(shè)定制動(dòng)電路的參數(shù)，并應(yīng)用舉例。

1 制動(dòng)電路的工作原理

圖1所示為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞繞組并聯(lián)制動(dòng)支路，實(shí)現(xiàn)停車電磁制動(dòng)的電路。當(dāng)電動(dòng)機(jī)需停車制動(dòng)時(shí)，先將電源電壓下降至制動(dòng)電壓Uz，再閉合圖中的開關(guān)S，將電樞繞組與串有限流電阻Rz的制動(dòng)支路并聯(lián)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和勵(lì)磁電流I的方向沒變，電樞電動(dòng)勢(shì)E的方向不變；而電樞電流I1在電動(dòng)勢(shì)E的作用下改變了方向，使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T反向，實(shí)現(xiàn)了電磁制動(dòng)。當(dāng)電樞電流I1接近零時(shí)，電磁制動(dòng)完成，切斷電源停車。

圖1 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞并接制動(dòng)支路的電路

圖1中，將電壓降至Uz及串接電阻Rz是為了限制勵(lì)磁電流I和電樞電流I1，要求電流最大不超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定電流IN的1.5倍。

當(dāng)I1為零時(shí)，電樞電動(dòng)勢(shì)：

(1)

式中:Rf為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組電阻。I1為零時(shí)的勵(lì)磁電流：

(2)

I1為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速用nz表示：

(3)

式中:kf為電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系數(shù)，輕載時(shí)為常數(shù)，負(fù)載加重時(shí)隨電機(jī)磁路飽和而減小，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)取。轉(zhuǎn)速nz控制在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN的5%左右。

若I1為零時(shí)不切斷電源，電樞電流I1又將反向，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T也將反向，重新起驅(qū)動(dòng)作用。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL較重，電動(dòng)機(jī)將減速至停車，其堵轉(zhuǎn)電樞電流：

(4)

式中:Ra為串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組電阻。如果電動(dòng)機(jī)空載或輕載，電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行低于nz的某一轉(zhuǎn)速。必須切斷電源，電動(dòng)機(jī)才能可靠停車。

2 制動(dòng)電路的參數(shù)設(shè)定

對(duì)圖1所示制動(dòng)電路，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，列電路方程：

(5)

解得：

(6)

由式(6)的第一式可知，當(dāng)n=nz時(shí)，電樞電流I1=0；制動(dòng)開始時(shí)，n?nz，I1<0，但I(xiàn)1的絕對(duì)值最大；隨著制動(dòng)的進(jìn)行，I1的絕對(duì)值降為零。

由式(6)的第二式可知，制動(dòng)開始時(shí)，因I1<0，勵(lì)磁電流I最小，為了產(chǎn)生必要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，勵(lì)磁電流I應(yīng)不小于0.5IN。隨著制動(dòng)的進(jìn)行，勵(lì)磁電流I增大，當(dāng)I1=0時(shí)，I最大如式(2)所示。

勵(lì)磁電流I隨著制動(dòng)的進(jìn)行而增大，可使制動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩不會(huì)隨電樞電流I1絕對(duì)值減小而迅速減小，對(duì)制動(dòng)有利。

設(shè)I1=0時(shí)的轉(zhuǎn)速nz=0.05nN，由式(3)得：

(7)

制動(dòng)開始時(shí)，設(shè)|I1|≤1.5IN，則電動(dòng)機(jī)的端電壓Uz：

(8)

式中:n為制動(dòng)開始時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。制動(dòng)結(jié)束時(shí)，設(shè)I ≤1.5IN，則電動(dòng)機(jī)端電壓：

(9)

要求電動(dòng)機(jī)端電壓Uz取值同時(shí)滿足式(8)和式(9)。

為了確保制動(dòng)開始時(shí)有必要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由式(6)校算制動(dòng)開始時(shí)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流I，要求：

(10)

若式(10)不成立，則應(yīng)重選定Rz和Uz，使式(8)、式(9)和式(10)同時(shí)成立。

3 制動(dòng)電路的應(yīng)用舉例

圖2所示為縫紉機(jī)用串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理電路，可按不同的控制策略[7-10]在該硬件平臺(tái)上對(duì)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施控制。圖中，單相交流電源經(jīng)二極管橋式整流變換為直流電源，由控制器以PWM的控制方式調(diào)節(jié)電力場(chǎng)效應(yīng)管VT1的通斷占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)端電壓的直流斬波調(diào)節(jié)。系統(tǒng)停車制動(dòng)時(shí)VT2導(dǎo)通，電樞并接串有限流電阻R2制動(dòng)支路，實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)。

圖2 縫紉機(jī)用串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

圖2中，電力場(chǎng)效應(yīng)管為N溝道增強(qiáng)型管5N60(600V，4.5A)，其隔離驅(qū)動(dòng)電路由HCPL4504光耦隔離芯片和IR2110驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成；數(shù)字微控制器采用STM8S105單片機(jī)；分別由分壓電路和電流霍爾傳感器從電路中獲取測(cè)量的電壓和電流，再經(jīng)過(guò)同相輸入比例器隔離放大、RC電路濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸送給控制器。用于電壓和電流測(cè)量的同相輸入比例器是基于LM258雙運(yùn)放芯片構(gòu)成的。

在串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，額定電壓UN=220V，額定電流IN=0.3A，額定轉(zhuǎn)速nN=7 000r/min，勵(lì)磁繞組電阻Rf=157.3Ω，電樞繞組電阻Ra=167.7Ω，勵(lì)磁系數(shù)kf=0.06。

制動(dòng)電路的參數(shù)設(shè)定：電樞電流為零時(shí)的轉(zhuǎn)速nz=0.05nN=350r/min，限流電阻Rz=kfnz=21Ω；制動(dòng)開始時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=nN=7 000r/min，由式(8)和式(9)計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電壓Uz=47V；將選取的Rz和Uz代入式(6)，計(jì)算出制動(dòng)開始時(shí)的勵(lì)磁電流I=0.211A>0.5IN，式(10)的校核成立。

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的停車制動(dòng)控制流程，如圖3所示。圖中的制動(dòng)電壓Uz已預(yù)先設(shè)定。

圖3 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的制動(dòng)控制流程

制動(dòng)電壓Uz也可以通過(guò)控制器實(shí)時(shí)控制設(shè)定：由實(shí)測(cè)的電動(dòng)機(jī)電壓和電流可實(shí)時(shí)計(jì)算出電動(dòng)機(jī)停車制動(dòng)前的轉(zhuǎn)速[7]，再由式(8)和(9)計(jì)算出停車制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓Uz。

4 結(jié) 語(yǔ)

在PWM控制的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)中，采用電樞并聯(lián)支路的停車制動(dòng)方法，只需在驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)一個(gè)功率開關(guān)管，較用4個(gè)功率開關(guān)管切換勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接端的常用制動(dòng)電路簡(jiǎn)單。在縫紉機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用了該停車制動(dòng)方法，呈現(xiàn)了實(shí)用性。

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

[2] 中國(guó)電氣工程大典編輯委員會(huì).中國(guó)電氣工程大典(第9卷)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008:720-727.

[3] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:100-112.

[4] 王殉,杜茂華,盧培進(jìn).基于單片機(jī)的PWM直流調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械與電子,2011(3):50-53．

[5] 揚(yáng)州中凌自動(dòng)化技術(shù)有限公司.實(shí)現(xiàn)串勵(lì)電機(jī)電子換向和四象限工作的控制方法及其裝置:CN201010202165[P].2010-06-18.

[6] 沈陽(yáng)新陽(yáng)光機(jī)電科技有限公司.安全可靠的直流電機(jī)電樞繞組拖動(dòng)制動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置:CN201020184535[P].2011-04-06.

[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.

[8] 彭亦稰,陳小元,陳超.變電流反饋的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2015,19(4):81-86.

[9] 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.

[10] 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.

Parking Brake Method for the Series-Excited Motor Based on a Parallel Branch with Armature Winding

PENGYi-xuCHENXiao-yuan

(Lishui University,Lishui 323000,China)

The excitation winding and armature winding is contacted in series-excited motor. The common electromagnetic braking method for the series-excited motor is implemented through switching the end connections of the two windings, but the switching circuit is complex. Addressing this problem, a parking brake method for the series-excited motor according to the principle of the motor's electromagnetic brake was proposed. The method only needs to add a power switch tube in the circuit and parallel a branch with the armature winding when braking. Taking the series-excited motor system using the proposed parking brake method as an example, the characteristic of the braking circuit was analyzed, the parameters of the braking circuit were set and the proposed parking brake method is verified correct.

series-excited motor, parking brake, armature winding, parallel branch

2016-01-14

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013C311-14);麗水市高層次人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(2014RC07)

TM33;TM34

A

1004-7018(2016)08-0079-03

彭亦稰(1961-),男,副教授,研究方向?yàn)橹行」β孰姍C(jī)設(shè)計(jì)及控制。