基于脈沖頻率調(diào)制技術(shù)在直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的研究＊

郭紅霞，王政瀛

（天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

1 課題研究背景及意義

自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)直流電機(jī)的控制作為電氣傳動(dòng)的重要組成部分，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中被普遍使用。在液體自動(dòng)灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，由于自動(dòng)化PLC 模塊的輸出電壓不能直接與直流電機(jī)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(zhuǎn)換工作?？紤]到光電隔離頻率的限制，脈沖調(diào)制也采用低頻率信號(hào)，光電隔離器模塊由脈沖頻率控制電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)變速。

目前，在液體灌裝機(jī)加工過程中，水泵對(duì)某些類型物質(zhì)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?；谏鲜鰡栴}，樣機(jī)做成直徑比較細(xì)的螺桿泵，應(yīng)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(shè)計(jì)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(zhì)）的難題，又解決了活塞泵灌裝精度低、誤差大的問題，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制設(shè)備生產(chǎn)。經(jīng)過多年試驗(yàn)研究，灌裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理、使用方便、能夠提高工作效率和精度、保障食品安全衛(wèi)生、實(shí)現(xiàn)智能協(xié)作配合的一種液體自動(dòng)灌裝機(jī)技術(shù)要求，具有重要的創(chuàng)新性現(xiàn)實(shí)意義，自動(dòng)灌裝機(jī)系列產(chǎn)品具有廣闊的市場效益：

1）準(zhǔn)確的液體定量控制；

2）方便輸入和顯示所有參數(shù)，如液體流量，機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、延時(shí)等；

3）節(jié)約成本。

2 液體灌裝機(jī)研究理論依據(jù)

考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求和成本控制，灌裝機(jī)采用帶控制面板的FP-e PLC作為控制單元，方便各種參數(shù)的調(diào)整。電機(jī)采用大功率直流電機(jī)，所以驅(qū)動(dòng)器也采用大功率的直流電機(jī)控制模塊。采用旋轉(zhuǎn)編碼器來計(jì)算流體的定量?？紤]到PLC 的輸出電壓不能直接與直流電機(jī)控制模塊相連，沒有采用復(fù)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(zhuǎn)換工作，考慮到光電隔離頻率的限制，脈沖調(diào)制也采用低頻率信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)PLC 輸出脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)以控制直流電機(jī)控制模塊，本系統(tǒng)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(diào)制的方式完成直流電機(jī)的調(diào)速控制。通過調(diào)整脈沖信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，達(dá)到實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速控制。

2.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

永磁電機(jī)（PMDC）是一種轉(zhuǎn)子自帶永磁體的電動(dòng)機(jī)，當(dāng)供給電機(jī)直流電流時(shí)，轉(zhuǎn)子連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，且容易控制，目前被廣泛使用。微小型的直流電機(jī)大多使用在小玩具、機(jī)器人和其他電子設(shè)備中，大型直流電機(jī)廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)中。

直流電機(jī)主要由兩個(gè)部分組成，固定不動(dòng)的部分稱為“定子”，里面旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的部分稱為“轉(zhuǎn)子”，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子也被稱為“電樞”。通常微小型直流電機(jī)定子是由一對(duì)固定的磁鐵在內(nèi)部產(chǎn)生固定的磁場，這種電機(jī)被稱為永磁直流電機(jī)。電機(jī)的電樞是由單個(gè)的電子線圈在電機(jī)金屬體內(nèi)互相連接起來，產(chǎn)生北極—南極—北極等的磁場布局。電流在轉(zhuǎn)子鐵芯中產(chǎn)生電磁場，而電樞繞組產(chǎn)生的環(huán)形磁場，排斥或吸引定子永磁鐵，從而產(chǎn)生圍繞電機(jī)中心軸的運(yùn)動(dòng)。

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

定子上永磁體產(chǎn)生的磁場是固定的，因此不能改變，但如果通過控制流經(jīng)繞組的電流來改變電樞電磁場的強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)或更弱的相互作用，從而產(chǎn)生更快或更慢的速度。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速（N）與電機(jī)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(duì)于永磁體是恒定的），乘以電樞繞組數(shù)的機(jī)電系數(shù)（K?），所以，N=E/Φ× K ? 。

2.2 直流電機(jī)的速度控制

2.2.1 電阻分壓控制

控制電機(jī)的速度，一個(gè)方法是采用電阻網(wǎng)絡(luò)或大型可變電阻器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。而一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)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(jī)的速度[1]。雖然大型變阻器能達(dá)到工作要求，但它在電阻上產(chǎn)生了大量的熱量和功率浪費(fèi)?？刂齐姍C(jī)速度的另一個(gè)簡單方法就是調(diào)節(jié)其端子的電壓量，這可以通過脈沖寬度調(diào)制或PWM實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 脈沖寬度調(diào)節(jié)控制

脈沖寬度調(diào)制速度的工作原理是使用一系列“ONOFF”脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并改變占空比，即控制輸出電壓“ON”的時(shí)間與脈沖“關(guān)閉”時(shí)的時(shí)間比例，同時(shí)保持頻率恒定。

施加到電機(jī)的功率可以通過改變這些施加脈沖的寬度進(jìn)行控制，從而改變施加在電機(jī)端子上的平均直流電壓。通過改變或調(diào)節(jié)這些脈沖的時(shí)序，可以控制電機(jī)的速度，即脈沖“ON”的時(shí)間越長，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度越快，同樣，脈沖“ON”的時(shí)間越短，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度越慢。換句話說，脈沖寬度越寬，施加在電機(jī)端子上的平均電壓越高，電樞繞組內(nèi)部的磁通量越強(qiáng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度越快。

使用脈沖寬度調(diào)制來控制小電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)晶體管中的功率損耗很小，因?yàn)榫w管是完全“開”或完全“關(guān)”的狀態(tài)。因此，不僅開關(guān)晶體管的功耗大大降低，控制電機(jī)的線性度和速度穩(wěn)定性也較好。此外，電機(jī)電壓的振幅保持不變，因此電機(jī)始終處于全強(qiáng)度。其結(jié)果是，電機(jī)可以旋轉(zhuǎn)得更慢，而無需其他元素的拖延。而如何產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來控制電機(jī)，使用555振蕩器電路非常簡單。

這種基于熟悉的NE555或7555定時(shí)器芯片的簡單電路用于在固定頻率輸出下產(chǎn)生所需的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，正是電容器C 流經(jīng)時(shí)序網(wǎng)絡(luò)RA 和RB 的電流充電和放電的過程。555 引腳3 的輸出信號(hào)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(shí)間取決于 RA和RB的值。

電容器C通過網(wǎng)絡(luò)RA充電，但圍繞電阻網(wǎng)絡(luò)RB和二極管D1進(jìn)行分流。電容器充電后，立即通過二極管D2和網(wǎng)絡(luò) 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(guān)為“關(guān)閉”。然后，電容器C完成一個(gè)完整的電荷放電周期所用的時(shí)間取決于RA、RB和C 的值，總的“開”和“關(guān)”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(shù)在6 V電源電壓供電的情況下，產(chǎn)生8.3%（0.5 V）到91.7%（5.5 V）的周期方波。輸出頻率穩(wěn)定在256 Hz，并且電機(jī)的開關(guān)控制在這個(gè)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(wǎng)絡(luò)。而電阻器R2 加上VR1 的“底部”部分，代表RB的電阻網(wǎng)絡(luò)。這些值可以進(jìn)行更改以適應(yīng)不同的應(yīng)用和直流電機(jī)，但只要555穩(wěn)定電路在幾百赫茲的速度運(yùn)行得足夠快，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)就不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。二極管D3 是常用的單向二極管，用于保護(hù)電子電路免受電機(jī)的電感負(fù)載。此外，如果電機(jī)負(fù)載高，可將散熱器放在開關(guān)晶體管或MOSFET上。脈沖寬度調(diào)制是控制向負(fù)載供電的功率而不消耗任何浪費(fèi)功率的一種有效方法。

2.2.3 脈沖頻率調(diào)節(jié)控制

脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation），其縮寫為PFM。屬于一種脈沖調(diào)制技術(shù)，調(diào)制信號(hào)的頻率隨輸入信號(hào)幅值而變化。由于調(diào)制信號(hào)通常為頻率變化的方波信號(hào)，因此，PFM 也叫作方波PFM。脈沖頻率調(diào)制（PFM）是用0 和1 表示的模擬信號(hào)的調(diào)制方法，相似于脈沖寬度調(diào)制（PWM），模擬信號(hào)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(shí)改變頻率。換句話說，脈沖器的頻率根據(jù)采樣間隔調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)振幅而變化，脈沖的振幅和寬度保持不變。

在PFM 運(yùn)行期間，輸出功率與脈沖串的平均頻率成正比，當(dāng)輸出電壓降至反饋控制回路測量的設(shè)定輸出電壓以下時(shí)，轉(zhuǎn)換器工作。然后增加轉(zhuǎn)換器開關(guān)的頻率，直到輸出電壓達(dá)到設(shè)定輸出電壓之間的典型值，并且高于設(shè)定輸出電壓的0.8%到1.5%。

脈沖頻率調(diào)制(PFM)于脈沖寬度調(diào)制(PWM)相比較主要優(yōu)點(diǎn)在于效率。

1）對(duì)于外圍電路一樣的脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)而言，其峰值效率PFM 與PWM 相當(dāng)，但在峰值效率以前，脈沖頻率調(diào)制(PFM)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于脈沖寬度調(diào)制(PWM)的效率，這是脈沖頻率調(diào)制(PFM)的主要優(yōu)勢。

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

脈沖頻率調(diào)制(PFM)與脈沖寬度調(diào)制(PWM)相比較主要缺點(diǎn)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(diào)制(PFM)的頻率低于脈沖寬度調(diào)制(PWM)的頻率，會(huì)造成輸出紋波比脈沖寬度調(diào)制(PWM)偏大。

3）脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制比脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC價(jià)格要貴。

3 液體灌裝機(jī)創(chuàng)新技術(shù)

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(shù)。FP-e PLC非常合適用來控制臺(tái)式機(jī)器，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測試儀器和生產(chǎn)線上分揀系統(tǒng)的接口不多，且需要有數(shù)字顯示和參數(shù)輸入的控制器，它有8個(gè)晶體管輸入端口、5個(gè)晶體管輸出端口和1個(gè)繼電器輸出端口。這種與通用計(jì)數(shù)器類似的輸入面板，不僅可以方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，還可以顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，是集計(jì)數(shù)器、PLC于一體的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的控制器。

3.1 KBIC-240D直流電機(jī)控制器

KBIC-240D 是全波直流電機(jī)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(yōu)于2%調(diào)整，50:1 調(diào)速比之上。組成包括：使用突波吸收器（MOV）瞬間保護(hù)來保護(hù)電橋；集成電路提供對(duì)于過載和電壓調(diào)整的非復(fù)雜設(shè)計(jì)；電子電流限制（CL）以限制最大輸出電流來保護(hù)電機(jī)和控制器免于過載；加速啟動(dòng)（可在0.5 s～4 s范圍內(nèi)調(diào)整）使在使用AC電源時(shí)，每次都能實(shí)現(xiàn)順暢的啟動(dòng)。

KBIC的一個(gè)獨(dú)特特性是具有插入式功率電阻器（PLUG-IN Horsepower Resistor）。一般情況下，當(dāng)控制器用于不同功率的電機(jī)時(shí)，會(huì)相應(yīng)調(diào)整IR 補(bǔ)償和CL 電流限制。另外利用輔助散熱片（選擇配件）可實(shí)現(xiàn)另一獨(dú)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(zhuǎn)調(diào)節(jié)成線性關(guān)系。KBIC 也可用電壓跟隨方式來操作，只要提供一個(gè)隔離模擬信號(hào)（0～7 VDC）到輸入端子P2（+）和P1(-)。如果絕緣輸入信號(hào)不存在，則可使用備選的隔離端子板信號(hào)隔離器。該種控制器采用標(biāo)準(zhǔn)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(xiǎn)絲。禁止回路電流將電樞輸出電壓減小到0。還有另外一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的部件是自動(dòng)禁止回路電流（Auto Inhibit），當(dāng)使用AC 電源時(shí)，該部件可避免錯(cuò)誤啟動(dòng)和高突波電流。對(duì)應(yīng)不同的電壓和電流范圍。其中KBIC-240D可在115 VAC和230 VAC下運(yùn)行，輸出0～90 VDC和180 VDC。

3.2 旋轉(zhuǎn)編碼器

OMRONE6B2-CWZ6C是使用5～24 VDC電源電壓供電，每轉(zhuǎn)輸出100個(gè)脈沖的高性能旋轉(zhuǎn)編碼器，用來記錄電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，可以依電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算流體的定量[2]。由于旋轉(zhuǎn)編碼器種類很多，是光電傳感器應(yīng)用最廣泛的測量機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)速度的傳感器。軸可位于電機(jī)上，接通電源，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)編碼器一起旋轉(zhuǎn)，編碼器有一個(gè)圓形機(jī)械柵欄，轉(zhuǎn)一圈輸出多少個(gè)脈沖。也就是說，輸出的脈沖越多，機(jī)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(shù)越多，精度越高，比如說，每轉(zhuǎn)一千個(gè)脈沖和每轉(zhuǎn)一百個(gè)脈沖，價(jià)格成本是相差比較大的?？蓪⒕幋a器的輸出脈沖接到PLC 單片機(jī)上，用頻率控制電機(jī)速度，精準(zhǔn)定位，準(zhǔn)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(guān)頻率3 000 Hz的DIN式光電隔離器，性能可靠，使用方便。實(shí)驗(yàn)證明，光電隔離在脈沖作用下工作時(shí)的狀態(tài)[3]：頻率越低，閃爍越明顯，電機(jī)轉(zhuǎn)速也越低，反之，頻率越高，就越不容易看到發(fā)光二極管閃爍。

基于灌裝機(jī)工作原理，系統(tǒng)要求PLC輸出24V的脈沖，為了降低加在發(fā)光二極管上的電壓和限制加在其上的電流，所以R1 用來調(diào)節(jié)輸入電壓和調(diào)節(jié)電流，而在輸出端的R2用來調(diào)節(jié)限制光電隔離輸出電流，這樣，R1、R2 調(diào)節(jié)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(duì)模擬信號(hào)的要求，本控制系統(tǒng)將脈沖頻率調(diào)制在10 Hz～1 000 Hz之間。

接通電源，啟動(dòng)開關(guān)，PLC FP-e 控制器由程序控制KBIC-240D 控制直流電機(jī)運(yùn)行[3]，編碼器檢測電動(dòng)機(jī)速度，閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)偏差電壓，光電隔離器脈沖頻率控制電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)變速，實(shí)現(xiàn)灌裝機(jī)攪拌和灌裝。創(chuàng)新技術(shù)是螺桿泵問題，它是由定子和轉(zhuǎn)子組成的，轉(zhuǎn)子就是一個(gè)拉長的螺絲，定子就是和轉(zhuǎn)子配套的螺母，它的工作原理是轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，就可以把一個(gè)螺距容量的流體輸送出去，從而完成流體灌裝。當(dāng)然流量就由計(jì)數(shù)器來完成，根據(jù)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(jī)啟動(dòng)時(shí)需要較大功率輸出[4]，所以忽略低壓輸出，同時(shí)為了保證在灌裝過程中避免液體飛濺現(xiàn)象，輸出電壓也不需要調(diào)到最大，考慮諸多因素影響，對(duì)控制電阻調(diào)整的線性比較平緩。

今年是“十四五”開局之年，要走好職業(yè)教育提質(zhì)升級(jí)培優(yōu)辦學(xué)之路，提升高職院校辦學(xué)水平，增強(qiáng)高職教育適應(yīng)性，深化校企合作、產(chǎn)教融合，建設(shè)多元協(xié)作式的課程實(shí)用性模塊化教學(xué)方式，職業(yè)教育為企業(yè)和社會(huì)服務(wù)，開創(chuàng)職業(yè)教育新局面。灌裝機(jī)主要是為食品生產(chǎn)灌裝各種醬類設(shè)計(jì)，企業(yè)和市場需要什么，職業(yè)院校就要開發(fā)什么。目前開發(fā)的重量灌裝機(jī)器已經(jīng)投放到市場。

4 結(jié)束語

通過以上脈沖頻率調(diào)制在直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，特別是將PLC 輸出的脈沖頻率調(diào)制的方波信號(hào)。本研究巧妙地利用光電隔離器件，將頻率調(diào)制的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，輸出給直流電機(jī)控制模塊，既解決了PLC與電機(jī)控制模塊隔離的要求，又實(shí)現(xiàn)了脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，完美地實(shí)現(xiàn)了脈沖頻率調(diào)制直流電機(jī)速度的要求，不但簡單實(shí)用，而且節(jié)約成本，在實(shí)際應(yīng)用中得到了充分的驗(yàn)證。