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【摘 要】在工业控制系统中，电动机的调速尤其是交流电机的调速控制占有很大的比重。本研究设计了一种用可控硅结合相应的软硬件来实现串激电机速度控制的装置。该装置通过PID控制算法来调节零点信号与单片机发出的触发信号之间的延时时间从而来实现电机速度的调节。
【关键词】串激电机；单片机；PID控制
0.引言
随着电气时代的进程、工业化的快速发展以及科技的进步，电动工具也跟随其脚步更新换代，而电动机作为电动工具最主要元件，其性能、效率也一直受关注。基于串激电机使用方便、启动转矩大、效率高、调速方便，成本低等优点，目前市场上的电动工具以及家用电器已经大量使用了串激电机。
1.串激电机的特性
1.1串激电机的概念及特征
串激电机是一种交直流两用电机，即它能在直流电源下工作，又能在交流电源下工作，所以又称为通用电机或交直流两用电机。串激电机之所以被广泛用于电动工具是因为它具有以下几点优点：
（1）使用方便。这种电机虽然具有直流电机的结构，但是可以交直流两用，所以使用电源方便。
（2）转速、效率、功率因数都很高，而且体积小，重量轻。其他交流电机的转速都与电源频率有关，而单项串激电机不受电源频率限制，因此，电机转速可以设计很高。
（3）启动性能较好，易于在较宽的范围内进行平滑调试。
（4）启动转矩大，过载能力强。
（5）成本低。
单项串激电机的缺点是结构复杂，换向比直流电机困难，换向火花大，且换向后的速度达不到原先的速度，无线电干扰和震动噪声都较大，机械特性较软。
1.2 串激电机的工作原理
串激电动机的基本工作原理如图1所示。电流流经上部定子线圈，产生一定方向的磁场；然后经碳刷进入换向器（铜头），再在转子绕组中分成上、下并联支路流过，导流的转子线圈在外部磁场作用下产生力，从而使转子转动，铜头使转子中的电流始终保持上下对称、连续；电流最后从另一个碳刷出来进入下部定子。因上部与下部定子线圈绕线方向一致，致使上、下定子产生的磁场同向。
根据图1中（a）所示的磁通和电枢电流方向，由左手定则可知，电机的方向是逆时针，在（b）中电源的极性与（a）相反，但是磁通和电枢电流方向也同时改变，同理它的旋转方向也是不变。可见，串激电机的转向不会随电源的极性改变而改变。
2.串激电机速度控制
2.1硬件组成部分
系统硬件部分主要包括单片机最小系统、编码盘、光耦合器、数码管、双向可控硅、串激电机。本研究采用AT89C51作为核心。脉冲个数的检测、系统的控制、电机的调速控制等都由其控制。系统框图如图2所示。
2.2 调速控制系统设计
2.2.1 调速系统设计
由电机原理知道， 小功率单相交流串激电动机的转速为：
在式（1）中，Ce是常数，Iα是电动机的负载电流，在负载不变的情况下，调节串激电动机转速的方式可以有以下三种：
（l）改变电枢回路电阻R；（2）改变定子磁通；（3）改变电枢电压U。
在本调速系统中，通过控制单片机发出触发信号与零点信号的延时时间来调节可控硅的控制角，从而改变输出电压，最终实现串激电机的速度调整。设交流电压为：
U1=，则输出电压的有效电压为：
α为可控硅的控制角，当α不同时输出的有效值也不同。输出电压的有效值如表1所示。
双向可控硅的特点是导通后即使触发信号去掉，它仍将保持导通；当负载电流为零即交流电压过零点时，它会自动关断。所以需要在交流信号的每个半个周期都要送出触发信号，触发信号与零点信号之间的长度决定了可控硅导通角的大小从而来改变输出电压值来实现电机的速度。这段时间越长，导通角就越小，电机的速度越慢，反之速度越慢。零点信号提取原理如图3所示。（图中I/O与单片机I/O口相连接）
根据图3所提取到的信号，并将这个信号送至单片机，单片机每接收到这个零点信号后启动一个延时程序，延时时间的大小决定了可控硅导通角的大小。当延时时间到一定值时送出一个触发信号来触发可控硅的导通。其时序图（220V交流电源信号、零点信号和触发信号）如图4所示。
为了使速度比较精确的控制，延时的具体时间由PID控制算法来决定。当延时结束时，单片机送出触发信号使光耦合器导通，光耦合器控制着双向可控硅的导通，由图4可知 阴影部分这段时间越长，晶闸管的导通角就越小，输出电压也就越小，电机的速度越慢，反之速度越快。其电机控制如图5所示（图中P1.1、P1.0分别与单片机I/O口连接，其中4、7和2、8分别控制着电机的正反转）
由图5得知，在电机的两端并联一个电容和电阻。这是因为串激电机是感性电机的，如果不并联电容，电机自身产生一个自感电动势会击穿可控硅，造成一定的危险，给生产加工造成不必要的麻烦。
2.2.2 PID控制算法
PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统给定的值R与实际输出值Y构成的控制偏差比例C=R-Y的比例（P）、积分（I）、微分（D），通过线性组合构成控制量，简称PID控制器。常规的PID控制系统的结构图如6图所示。
PID控制规律可以描述为：
式中u（t）是控制器的输出，e（t）是系统给定量与输出量之间的偏差，Kp是比例系数，T1是积分常数，TD是微分时间常数。控制作用的强弱取决于比例系数Kp ， Kp越大，控制越强，但是过大的Kp会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。
2.2.3 系统流程
系统流程如图7所示：
3.结论
通过本设计，有效的解决了交流串激电机速度精确控制问题，本研究通过调节可控硅的导通角的大小来实现串激电机的速度调节，导通角的大小是基于单片机控制其触发信号与零点信号之间的延时时间来决定。为了使速度比较精确的控制，延时时间是通过PID控制算法来反馈给单片机以达到系统更加稳定，更加精确。由于串激电机相对普通电机有比较明显的优点，此设计为生产和加工省去了不必要的麻烦，但是此设计也存在一定的问题，当串激电机反转的时候，产生的电火花比较大，且转速也比正转相对减少等一些问题，这对电机的寿命有一定的影响。因此，要进一步对这一方面进行研究和改进，以确保电机的正常运行，提高设备的使用效率。
致谢：
本工作得到了舟山市科技局重点类项目：
（2011C22042， 2012C13001）；
浙江省重大科技专项计划项目 ：
（2012C01014-2， 2012C02001-2）的支持，在此表示感谢。
【关键词】串激电机；单片机；PID控制
0.引言
随着电气时代的进程、工业化的快速发展以及科技的进步，电动工具也跟随其脚步更新换代，而电动机作为电动工具最主要元件，其性能、效率也一直受关注。基于串激电机使用方便、启动转矩大、效率高、调速方便，成本低等优点，目前市场上的电动工具以及家用电器已经大量使用了串激电机。
1.串激电机的特性
1.1串激电机的概念及特征
串激电机是一种交直流两用电机，即它能在直流电源下工作，又能在交流电源下工作，所以又称为通用电机或交直流两用电机。串激电机之所以被广泛用于电动工具是因为它具有以下几点优点：
（1）使用方便。这种电机虽然具有直流电机的结构，但是可以交直流两用，所以使用电源方便。
（2）转速、效率、功率因数都很高，而且体积小，重量轻。其他交流电机的转速都与电源频率有关，而单项串激电机不受电源频率限制，因此，电机转速可以设计很高。
（3）启动性能较好，易于在较宽的范围内进行平滑调试。
（4）启动转矩大，过载能力强。
（5）成本低。
单项串激电机的缺点是结构复杂，换向比直流电机困难，换向火花大，且换向后的速度达不到原先的速度，无线电干扰和震动噪声都较大，机械特性较软。
1.2 串激电机的工作原理
串激电动机的基本工作原理如图1所示。电流流经上部定子线圈，产生一定方向的磁场；然后经碳刷进入换向器（铜头），再在转子绕组中分成上、下并联支路流过，导流的转子线圈在外部磁场作用下产生力，从而使转子转动，铜头使转子中的电流始终保持上下对称、连续；电流最后从另一个碳刷出来进入下部定子。因上部与下部定子线圈绕线方向一致，致使上、下定子产生的磁场同向。
根据图1中（a）所示的磁通和电枢电流方向，由左手定则可知，电机的方向是逆时针，在（b）中电源的极性与（a）相反，但是磁通和电枢电流方向也同时改变，同理它的旋转方向也是不变。可见，串激电机的转向不会随电源的极性改变而改变。
2.串激电机速度控制
2.1硬件组成部分
系统硬件部分主要包括单片机最小系统、编码盘、光耦合器、数码管、双向可控硅、串激电机。本研究采用AT89C51作为核心。脉冲个数的检测、系统的控制、电机的调速控制等都由其控制。系统框图如图2所示。
2.2 调速控制系统设计
2.2.1 调速系统设计
由电机原理知道， 小功率单相交流串激电动机的转速为：
在式（1）中，Ce是常数，Iα是电动机的负载电流，在负载不变的情况下，调节串激电动机转速的方式可以有以下三种：
（l）改变电枢回路电阻R；（2）改变定子磁通；（3）改变电枢电压U。
在本调速系统中，通过控制单片机发出触发信号与零点信号的延时时间来调节可控硅的控制角，从而改变输出电压，最终实现串激电机的速度调整。设交流电压为：
U1=，则输出电压的有效电压为：
α为可控硅的控制角，当α不同时输出的有效值也不同。输出电压的有效值如表1所示。
双向可控硅的特点是导通后即使触发信号去掉，它仍将保持导通；当负载电流为零即交流电压过零点时，它会自动关断。所以需要在交流信号的每个半个周期都要送出触发信号，触发信号与零点信号之间的长度决定了可控硅导通角的大小从而来改变输出电压值来实现电机的速度。这段时间越长，导通角就越小，电机的速度越慢，反之速度越慢。零点信号提取原理如图3所示。（图中I/O与单片机I/O口相连接）
根据图3所提取到的信号，并将这个信号送至单片机，单片机每接收到这个零点信号后启动一个延时程序，延时时间的大小决定了可控硅导通角的大小。当延时时间到一定值时送出一个触发信号来触发可控硅的导通。其时序图（220V交流电源信号、零点信号和触发信号）如图4所示。
为了使速度比较精确的控制，延时的具体时间由PID控制算法来决定。当延时结束时，单片机送出触发信号使光耦合器导通，光耦合器控制着双向可控硅的导通，由图4可知 阴影部分这段时间越长，晶闸管的导通角就越小，输出电压也就越小，电机的速度越慢，反之速度越快。其电机控制如图5所示（图中P1.1、P1.0分别与单片机I/O口连接，其中4、7和2、8分别控制着电机的正反转）
由图5得知，在电机的两端并联一个电容和电阻。这是因为串激电机是感性电机的，如果不并联电容，电机自身产生一个自感电动势会击穿可控硅，造成一定的危险，给生产加工造成不必要的麻烦。
2.2.2 PID控制算法
PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统给定的值R与实际输出值Y构成的控制偏差比例C=R-Y的比例（P）、积分（I）、微分（D），通过线性组合构成控制量，简称PID控制器。常规的PID控制系统的结构图如6图所示。
PID控制规律可以描述为：
式中u（t）是控制器的输出，e（t）是系统给定量与输出量之间的偏差，Kp是比例系数，T1是积分常数，TD是微分时间常数。控制作用的强弱取决于比例系数Kp ， Kp越大，控制越强，但是过大的Kp会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。
2.2.3 系统流程
系统流程如图7所示：
3.结论
通过本设计，有效的解决了交流串激电机速度精确控制问题，本研究通过调节可控硅的导通角的大小来实现串激电机的速度调节，导通角的大小是基于单片机控制其触发信号与零点信号之间的延时时间来决定。为了使速度比较精确的控制，延时时间是通过PID控制算法来反馈给单片机以达到系统更加稳定，更加精确。由于串激电机相对普通电机有比较明显的优点，此设计为生产和加工省去了不必要的麻烦，但是此设计也存在一定的问题，当串激电机反转的时候，产生的电火花比较大，且转速也比正转相对减少等一些问题，这对电机的寿命有一定的影响。因此，要进一步对这一方面进行研究和改进，以确保电机的正常运行，提高设备的使用效率。
致谢：
本工作得到了舟山市科技局重点类项目：
（2011C22042， 2012C13001）；
浙江省重大科技专项计划项目 ：
（2012C01014-2， 2012C02001-2）的支持，在此表示感谢。