直流速度伺服系统技术方案

本发明专利技术直流速度伺服系统采用了以金属氧化物场效应管为功率输出元件的、以双极性制工作的功率输出电路，采用了比例、比例一积分的速度、电流双环无差调节器，以及由四个电子模拟开关控制的、用二倍额定转矩起动并以电机换向极限作为其转速一转矩渐近曲线的电流极限控制器。其脉宽调制器的工作频率可在５ＫＨｚ～１００ＫＨｚ间变化，其调速比可达１：６００００，其灵敏度为１／８０００圆周，其升、降速的时间为１５６毫秒／４０００转。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
直流速度伺服系统是一种电动机速度调节装置。直流速度伺服系统目前常用脉宽调制方式。它由速度调节器、电流调节器、驱动电路和功率输出电路构成，速度调节器的给定值来自一个位置控制器，二者之间有一个速度反馈求和点，在速度调节器和电流调节器之间有时有一个电流反馈求和点，在反馈环节，还有一个用以限制电动机起动时电枢起动电流的电流极限控制器，其输入分别来自功率输出电路的电流反馈信号和来自电动机的速度反馈信号，其输出则送往速度调节器，另外还设计了监控逻辑电路，当然还有电源。奥地利Stronag公司生产的直流速度伺服系统即一例。这种系统对电机采用单极性驱动方式，用双极型达林顿功率模块作为其功率输出器件，它存在着以下缺点：1由于功率达林顿管的开关速度低，限制了脉宽调制器上限工作频率，从而抑制了系统响应速度的提高;2、单极性工作制无法克服电机在零区的静摩擦死区，从而影响了电机的低速特性，限制了其调速范围，降低了系统的控制精度。为了在提高系统的响应速度的同时改善其低速特性，提高其控制精度，本专利技术提出了一种新型的直流速度伺服系统。本专利技术的特征在于：其功率输出电路是以MOS（金属氧化物）场效应管（FET）作功率元件、按双极性制工作的H型桥接电路，在驱动电路和脉宽调制器之间还有一个用于防止桥臂一侧的二个功率元件共态导通的延时驱动电路，它是由分别控制二个起直流隔离作用的光电耦合元件的一对单向延时器构成，脉宽调制器则由一个锯齿波发生器和调制器串联而成，锯齿波发生器和电流调节器的输出相加后通过调制器中一个由模拟反向器和比较器组成的串联电路送往延时驱动电路中的一个单向延时器中，同时-->锯齿波发生器和电流调节器的输出还经过调制器中另一个比较器输入到另一个单向延时器中，这二个输出波形是交替工作的，其中每一个又不会和本侧桥臂的另一个功率元件在电压上升沿发生共态导通现象，这就保证了后面的H型桥接电路的双极性工作状态。很明显，在低速条件下，电机若处于双极性工作状态，电枢电压也是一个周期性的方波，但其正、负二个半波的方波宽度不等，要么是正半波大于负的，要么反之，这时的电枢电流虽然也是锯齿波，但其波形变化要与电枢电压的波形变化相适应，从而电机就会产生微小的抖动，其抖动幅度应在控制精度之内，但其正、反二个方向的振幅不等，从而当起动转矩达到足够的数值时就会克服静态摩擦死区，使电机的低速特性获得改善。为了限制起动或减速时由于H型桥接电路二个对称臂交叉导通而产生的尖峰感应电势，本专利技术在H型桥接电路的输出端还并联了一个RC电路用以吸收过渡过程中电枢两端的感应电势的尖峰。为了消除地环流和噪声的影响本专利技术在速度反馈求和点的给定值输入端和位置控制器之间还接入了一个差分输入电路。本专利技术采用了一种可以保证稳态精度的无差PI速度调节器，相应地为了保证系统调节的稳定性，在速度反馈求和点本专利技术采用了先求和再对其进行比例和比例-积分调节的设计方法，即：使速度反馈求和点的输出与速度调节器中的比例电路的输入端相连，而比例电路的输出又再被送到一个具有固定限幅功能的比例-积分电路中去，从而就避免了先求和再比例-积分这种设计方法所带来的无法独立地调整比例常数的问题，从而使系统在调整中的稳定域能很快地得到确定。本专利技术在功率输出电路中用功率MOSFET管来代替了通用的功率达林顿管，使其开关速度提高了二个数量级，从而使功率输出级的开关频率与脉冲调制器的上-->限调制频率相适应，这样，脉宽调制器的工作频率就可以由5KHZ提高到100KHZ，进一步地提高了系统的响应速度。为了充分利用电机的极限换向电流以改善系统的加速特性，本专利技术设计了一种用四个模拟开关进行控制的、用折线来逼近电机处于换向极限时的转矩-转速曲线的电流极限控制器。与常规电路相同的是：电流反馈信号送到这个控制器后要依次经过放大器、绝对值电路、反偏电路和单向延迟电路去控制模拟开关，所不同的是：（1）它使起动时的转矩-转速曲线逼近电机的换向极限;（2）采用了折线分阶段逼近的方法;（3）用四个模求开关分四次逼近;（4）为了提高系统的加速特性，把最大起动转距设定为二倍额定转矩。由于采用电流反馈，相应地，本系统采用了电流控制型的开关电源，而且是独立设置的。样机测试表明：在调速比、响应时间及灵敏度等主要指标上都超过了单极性工作制的、以达林顿管作功率输出元件的常规的直流速度伺服系统。为了在下面结合实施例对专利技术作更详尽的叙述，现把本申请文件所使用的附图名称及编号简述如下：图1、直流速度伺服系统原理框图;图2、脉宽调制器-二路延时驱动器-四路驱动器-H型桥接功率输出电路框图;图3、脉宽调制器输出及电枢、电压、电流波形图;图4、电流极限控制器框图;图5、用折线法逼近电机换向时电枢电流极限的转矩-转速曲线;图6、速度调节器-电流调节器线路图。实施例：-->直流速度伺服系统的原理框图请见图1。位置控制器1的输出作为系统的速度给定值（如额定速度）通过一个差分输入电路2以后与来自与电动机同轴的测速机的速度反馈信号3一起送往速度反馈求和点4，其求和输出直接输往速度调节器5，其输出与H型桥接电路6输出的电流反馈信号7（经比例放大）再在电流反馈求和点8求和，其求和输出直接送入电流调节器9。脉宽调制器包括了锯齿波发生器10和调制器11二个部份，调制器的输入信号是电流调节器和锯齿波发出器的输出信号，其输出经过延时驱动电路12延时后直接输往驱动电路13，13直接由独立的电流控制型开关电源14供电，13的输出驱动了一个H型桥接电路6，6的电流反馈信号一路通过比例放大器15和16送往电流反馈求和点8，另一路则通过15后送往电流极限控制器17，17的另一个输入是速度反馈信号3，17的输出则用于去控制速度调节器5。送到17输入端的电流反馈信号7的大小要受一个电流超限控制电路18的控制。18的另一个输出则输往监控逻辑电路19，当电动机过流时，17向18发出过流信号，18就控制19发出过流报警信号20。与此同时，19中的驱动器就向与门21发出一个具有自锁存能力的报警信号。与门21的另一个输入来自选通信号22，这是由位置控制器1给出的。在正常工作时，与门21的二个输入都处于高电位即“1”状态。当19的驱动器一发出过流报警信号，与门21的输出立即处于低电位即“0”状态，它通过一个依次串联的延时电路23、缓冲电路24去控制一个继电器25，使25动作，切断与电源U相连的电流接触器26，从而整流-滤波器27就与电源断开，H型桥接电路6就断电，起到了电动机的过流保护作用。监控逻辑电路19一共可以发出六种报警信号，6的过热报警信号28、其输入控制信号来自H型-->桥接电路6;电源过流报警信号29，其输入控制信号来自整流-滤波器27，电动机超速报警信号30，其输入来自于速度反馈信号;电源过压报警信号31，其输入来自一个电源过压控制电路32，其动作受整流-滤波器27的输出所控制，33是一个单达林顿管，起过压分流作用。另外，还有一个电子电路欠压保护报警信号34，其输入来自于电流控制型开关电源14。各个报警信号用六个发光二极管显示同时控制跳闸。19中驱动器的动作则单独用一个发光二极管报警。这些报警信号要同时送往位置控制器1告知故障所在。在起动前，即将正常工作时，这时位置控制器1发出一个选通信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流速度伺服系统，由速度调节器、电流调节器、脉宽调制器、驱动电路和功率输出电路依次串联构成，速度调节器的给定值来自一个位置控制器，二者之间有一个速度反馈求和点，在速度调节器和电流调节器之间有一个电流反馈求和点，在反馈环节，还有一个用以调节直流电动机起动过渡过程的电流极限控制器，其输入分别来自功率输出电路的电流反馈信号和直流电动机的速度反馈信号，其输出被送往速度调节器，另外还有监控逻辑电路和电源，本专利技术的特征在于，其功率输出电路是一种以金属氧化物场效应管作功率元件、按双极性制工作的Ｈ型桥接电路，在驱动电路和脉宽调制器之间还有一个用于防止桥臂一侧共态导通的延时驱动电路，它是由分别控制二个起隔离作用的光电耦合元件的一对单向延时器构成，脉宽调制器则由一个锯齿波发生器和调制器串联而成，锯齿波发生器和电流调节器的输出相加后通过调制器中一个由模拟反相器和比较器组成的串联电路送往延时驱动电路中的一个单向延时器中，同时锯齿波发生器和电流调节器的输出还通过调制器另一个比较器输入到另一个单向延时器中。

【技术特征摘要】
1、一种直流速度伺服系统，由速度调节器、电流调节器、脉宽调制器、驱动电路和功率输出电路依次串联构成，速度调节器的给定值来自一个位置控制器，二者之间有一个速度反馈求和点，在速度调节器和电流调节器之间有一个电流反馈求和点，在反馈环节，还有一个用以调节直流电动机起动过渡过程的电流极限控制器，其输入分别来自功率输出电路的电流反馈信号和直流电动机的速度反馈信号，其输出被送往速度调节器，另外还有监控逻辑电路和电源，本发明的特征在于，其功率输出电路是一种以金属氧化物场效应管作为功率元件、按双极性制工作的H型桥接电路，在驱动电路和脉宽调制器之间还有一个用于防止桥臂一侧共态导通的延时驱动电路，它是由分别控制二个起隔离作用的光电耦合元件的一对单向延时器构成，脉宽调制器则由一个锯齿波发生器和调制器串联而成，锯齿波发生器和电流调节器的输出相加后通过调制器中一个由模拟反相器和比较器组成的串联电路送往延时驱动电路中的一个单向延时器中，同时锯齿波发生器和电流调节器的输出还通过调制器另一个比较器输入到另一个单向延时器...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐航，
申请(专利权)人：北京工业大学电子厂，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]