2 直流電機(jī)的控制原理與總體方案

隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，對(duì)軌道客車(chē)在電氣化、智能化、節(jié)能化以及舒適性、便捷性等方面的要求越來(lái)越高，其中的內(nèi)外端門(mén)的自動(dòng)控制是待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。軌道客車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)是軌道客車(chē)的一個(gè)重要組成部分，也是涉及安全和環(huán)保的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。其類(lèi)型很多，按動(dòng)力源可分為：液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)和電動(dòng)三種。從發(fā)展趨勢(shì)看，液壓系統(tǒng)已趨于淘汰。氣動(dòng)和電動(dòng)占據(jù)著主要市場(chǎng)。

氣動(dòng)的主要由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)、汽缸、活塞、螺旋副、轉(zhuǎn)臂、蓄電池及電磁閥等組成。其工作原理是:電磁閥門(mén)開(kāi)啟后，來(lái)自空壓機(jī)的具有一定壓力的氣源經(jīng)輸氣管道進(jìn)入汽缸，推動(dòng)活塞及其上的螺桿上行，驅(qū)動(dòng)螺母外的套管作逆向回轉(zhuǎn)，使固連于該套管上的轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)車(chē)門(mén)關(guān)閉;在關(guān)門(mén)過(guò)程中，乘客被夾住時(shí)，光電傳感器將采集的信號(hào)經(jīng)電控系統(tǒng)傳給電磁閥，使氣壓反向，驅(qū)動(dòng)車(chē)門(mén)退回后再關(guān)，直到被夾狀態(tài)消除后關(guān)門(mén)到位。開(kāi)門(mén)時(shí)，電控使氣源從反向進(jìn)入氣缸，運(yùn)動(dòng)與上述相反，則帶動(dòng)車(chē)門(mén)開(kāi)啟;當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障無(wú)法打開(kāi)車(chē)門(mén)時(shí)，可操作“應(yīng)急”按扭，將氣缸的氣體放掉，用人工推開(kāi)車(chē)門(mén)，使乘客安全脫離。氣動(dòng)門(mén)能實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)開(kāi)、關(guān)及防夾自動(dòng)化，功能齊全 。但其缺點(diǎn)也十分明顯：(1) 控制裝置體積大，占用了車(chē)內(nèi)很大空間，式樣也很不美觀;(2) 消耗了較大的發(fā)動(dòng)機(jī)能量，并增加了排放量，不利于節(jié)能減排;(3)由氣路、電路雙路控制，故障點(diǎn)多，尤其在冬季，密封件易老化而導(dǎo)致氣體泄漏，使功能喪失，可靠性差;(4)采用空壓泵(機(jī))、電磁閥、電瓶、氣控裝置等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總成本高。為了解決氣動(dòng)門(mén)系統(tǒng)的弊端。

本論文采用電動(dòng)作為軌道客車(chē)門(mén)的驅(qū)動(dòng)源。相比與氣動(dòng)，采用電動(dòng)作為門(mén)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：

(1) 電動(dòng)門(mén)的系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性和環(huán)境適用性較氣動(dòng)門(mén)系統(tǒng)高;

(2) 電動(dòng)門(mén)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)空間尺寸小，有利于節(jié)約城市軌道客車(chē)的空間;

(3) 省略了大量的機(jī)械裝置，噪音小，有利于提高車(chē)輛的舒適性。

2.1 直流電機(jī)調(diào)速方法簡(jiǎn)介

直流電機(jī)由于其優(yōu)良的控制特性而使其得到了廣泛的應(yīng)用。目前，雖然交流電機(jī)動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題已經(jīng)解決，但由于設(shè)備的投入和改造需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程，因此其調(diào)速控制尚未普及，直流電機(jī)動(dòng)系統(tǒng)仍在普遍使用。直流電機(jī)可分為有換向器的有刷直流電機(jī)和無(wú)換向器的無(wú)刷直流電機(jī)。雖然無(wú)刷電機(jī)在效率和使用壽命上比有刷直流電機(jī)都要突出，但其控制較為復(fù)雜。有刷直流電機(jī)的控制簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好。因此這里我們還是選擇有刷直流電機(jī)作為電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的載體。

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為：

(2-1)

其中Ua為電樞供電電壓(V);Ia為電樞電流(A)，

為勵(lì)磁磁通(Wb)，Ra為電樞回路總電阻(

);CE為電勢(shì)系數(shù)，

,p為磁極對(duì)數(shù)，a為并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。

由式(2-1)可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra; (2) 改變電樞供電電壓Ua; (3) 改變勵(lì)磁磁通

。

2.1.1 改變電樞回路電阻調(diào)速

在電樞回路中串入可調(diào)電阻Rw來(lái)改變電樞回路總電阻來(lái)調(diào)速，此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為：

當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。這種方法調(diào)速比低，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，且效率極低，現(xiàn)在極少采用。

2.1.2 改變電樞電壓調(diào)速

連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。改變電樞供電電壓的方法有兩種：一種是采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng);另一種是晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。該方法中由于電機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，不論在高速還是低速下，電機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，該方法也稱(chēng)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

近年來(lái)隨著大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，特別是IGBT和MOSFET等制造工藝的成熟和成本的不斷降低，使得采用大功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展。

2.1.3 改變勵(lì)磁電流調(diào)速

當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由(2-1)式可看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通

(也即勵(lì)磁電流)成反比。這種調(diào)速方法在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種方法也稱(chēng)恒功率調(diào)速。

2.2 PWM可逆控制

PWM可逆控制屬于改變電樞電壓調(diào)速中的一種。自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的高頻開(kāi)關(guān)控制方式形成了PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的V-M(晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速)系統(tǒng)相比，表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性：(1) 主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用功率器件少;(2) 開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少;(3) 調(diào)速性能好，調(diào)速范圍大，低速性能好，穩(wěn)速精度高;(4)效率高，由于功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小。由于有上述優(yōu)點(diǎn)，直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中小功率的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已完全取代了V-M系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，需采用可逆PWM變換器，其主電路有多種形式，最常用的是橋式(也稱(chēng)H橋)電路。如圖2-1所示：

圖2-1 橋式可逆PWM變換器

電機(jī)M兩端電壓UAB隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種。[!--empirenews.page--]

雙極性驅(qū)動(dòng)H橋時(shí)有關(guān)波形如圖2-2所示：

4組驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系為：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)0≤t

在電流波形中，id1相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動(dòng)電流的方向始終為正;id2相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，但平均值為正，等于負(fù)載電流。

當(dāng)ton>

，時(shí)，UAB的平均值為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn);如果正負(fù)脈沖寬度相等，則平均電壓為0，電機(jī)停止。

雙極性可逆控制PWM變換器的輸出平均電壓為：

(2-2)

調(diào)速時(shí)，

的可調(diào)范圍為0～1，當(dāng)

時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)

時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);

時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

由于在工作過(guò)程中，4個(gè)開(kāi)關(guān)器件都可能處于通態(tài)，為防止H橋在開(kāi)關(guān)過(guò)程中上下臂直通的情況，在上下臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，還應(yīng)加入了邏輯延時(shí)(死區(qū))。

與單極式控制相比，雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：

電流一定連續(xù)。

電機(jī)可在四象限運(yùn)行。

電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)。

低速平衡性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍大。

低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。

因此本文采用雙極性PWM控制。

2.3 直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成

2.3.1 系統(tǒng)組成

考慮客車(chē)門(mén)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)定了開(kāi)門(mén)鍵、關(guān)門(mén)鍵，及兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)(實(shí)際由按鍵模擬)，分別代表開(kāi)門(mén)及關(guān)門(mén)信號(hào)和門(mén)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)極限位置信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：DC-DC隔離變換、雙極性PWM波形成及死區(qū)發(fā)生電路、光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)、按鍵及顯示部分、串口通信模塊和單片機(jī)部分。

系統(tǒng)框圖如圖2.3所示

2.3.2 系統(tǒng)原理

由圖2.3可以看出，單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制核心，控制信號(hào)由按鍵給定，通過(guò)不同按鍵向單片機(jī)發(fā)出開(kāi)門(mén)或者關(guān)門(mén)信號(hào)。單片機(jī)識(shí)別按鍵后，若為開(kāi)門(mén)信號(hào)，則將PWM波輸出占空比設(shè)定為大于1/2，電機(jī)將正轉(zhuǎn);若為關(guān)門(mén)信號(hào)，則將PWM波輸出占空比設(shè)定為小于1/2，電機(jī)反轉(zhuǎn)。在執(zhí)行關(guān)門(mén)的過(guò)程中若遇到阻力，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流變化，將門(mén)重新打開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)防夾功能。

單片機(jī)產(chǎn)生的一路PWM信號(hào)經(jīng)邏輯處理后產(chǎn)生兩路反向的PWM信號(hào)，再經(jīng)死區(qū)發(fā)生和光耦隔離后驅(qū)動(dòng)H橋。限位開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)門(mén)的在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中達(dá)到的兩個(gè)極限位置，當(dāng)單片機(jī)收到限位開(kāi)關(guān)的信號(hào)后，關(guān)斷PWM輸出，使電機(jī)停止。通過(guò)液晶LCD1602實(shí)時(shí)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串行通訊接口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)上顯示電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，從而便于分析電機(jī)的啟動(dòng)和動(dòng)、靜態(tài)特性。