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直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)中控制電壓非線性研究

作者: 時間:2011-02-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


用示波器分別測出電壓的頂端值Utop與底端值Ubase,端電壓平均值Uarg滿足關(guān)系式:

其中:α為占空比。
正是由于所測得的電機端電壓底端值Ubase不為0,所以得出的占空比與端電壓平均值之間關(guān)系曲線為拋物線。若將電機取下,直接測L298的out1與out2輸出電壓。所測得的電機端電壓底端值Ubase約為0,所得的占空比與端電壓平均值滿足線性關(guān)系,即令式(4)中Ubase為0,式(4)變?yōu)椋?br />
3.2.2 原因分析
將電機取下后,直接測L298的輸出端之間的電壓,占空比與端電壓平均值滿足關(guān)系式(5),說明整個硬件電路的設(shè)計以及軟件編程的正確性。從電機反電勢角度分析,當(dāng)直流電機旋轉(zhuǎn)時,電樞導(dǎo)體切割氣隙磁場,在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于感應(yīng)電動勢方向與電流的方向相反,感應(yīng)電動勢也即反電勢。直流電機的等效模型如圖5所示。圖5(a)表示電機工作在電動機狀態(tài)。圖5(b)表示電機工作在發(fā)電機狀態(tài)。


如圖5(a)所示,電壓平衡方程為:

式中:U為外加電壓;Ia為電樞電流;Ra為電樞繞組電阻;2△Ub為一對電刷接觸壓降,一般取2△Ub為0.5~2 V;Ea為電樞繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢。電機空載時,電樞電流可忽略不計,即電流Ia為0??蛰d時的磁場由主磁極的勵磁磁動勢單獨作用產(chǎn)生。給電機外加12 V的額定電壓,由(6)可得反電勢:

以40%的占空比為例,電機端電壓Uab是測量中的電壓平均值Uarg,其值為8.34 V,測量中的電壓底端值Ubase約為7 V。由式(7)可得Ea的值范圍應(yīng)在6.34~7.84 V。由圖5(b)可見,此時Uab的值是測得的底端值Ubase即電機的電動勢Ea為7 V。
當(dāng)PWM工作在低電平狀態(tài),直流電機不會立刻停止,會繼續(xù)旋轉(zhuǎn),電樞繞組切割氣隙磁場,電機此時工作在發(fā)電機狀態(tài),產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E。

式中:Ce為電機電動勢常數(shù);φ為每級磁通量。由于電機空載,所以圖5(b)中無法形成回路。用單片機仿真軟件Proteus可直觀的看出在PWM為低電平狀態(tài),電機處于減速狀態(tài)。低電平持續(xù)時間越長,電機減速量越大。正是由于在低電平期間,電機處于減速狀態(tài),由式(8)可知,Ce,φ均為不變量,轉(zhuǎn)速n的變化引起E的改變。此時Uab的值等于E的值。電機在低電平期間不斷的減速,由于PWM周期較短,本文中取
20 ms,電機在低電平期間轉(zhuǎn)速還未減至0,PWM又變?yōu)楦唠娖搅恕_@樣,就使測得的Ubase值不為0。以40%的占空比為例,當(dāng)PWM工作在低電平狀態(tài),測得Ubase的值約為7 V。由式(8)可知,當(dāng)正占空比越大,轉(zhuǎn)速也就越大,同時減速時間越短,感應(yīng)電勢E的值越大。所以Ubase的值也就越大。

4 結(jié)語
重點分析了直流電機PWM調(diào)速過程中控制電壓的非線性,對非線性的影響因素做了詳細的分析。由于PWM在低電平期間電壓的底端值不為0,導(dǎo)致了占空比與電機端電壓平均值之間呈拋物線關(guān)系。因此,可用得出的拋物線關(guān)系式實現(xiàn)精確調(diào)速。本系統(tǒng)的非線性研究可為電機控制中非線性的進一步研究提供依據(jù),在實際運用中,可用于移動機器人、飛行模擬機的精確控制。


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