基于脉冲频率调制技术在直流电机调速控制系统中的研究＊

郭红霞，王政瀛

（天津轻工职业技术学院，天津 300350）

1 课题研究背景及意义

自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，对直流电机的控制作为电气传动的重要组成部分，在现代化生产中被普遍使用。在液体自动灌装机的设计和应用中，由于自动化PLC 模块的输出电压不能直接与直流电机控制模块相连，而采用便于安装的DIN式光电隔离器，来完成这种隔离和转换工作。考虑到光电隔离频率的限制，脉冲调制也采用低频率信号，光电隔离器模块由脉冲频率控制电动机平稳变速。

目前，在液体灌装机加工过程中，水泵对某些类型物质灌装有困难，特别是带有颗粒的各种酱类，水泵无法完成。由于水泵配送的活塞泵精度不够，活塞泵的直径越大，通过吸合、推出的量越不够精确，误差比较大。基于上述问题，样机做成直径比较细的螺杆泵，应用在食品灌装的灌装泵上，正好满足了水泵和配送的要求。该设计不仅解决了水泵只能罐装纯度高的水和油等液体、不能罐装酱类（含颗粒物物质）的难题，又解决了活塞泵灌装精度低、误差大的问题，从而实现自动化控制设备生产。经过多年试验研究，灌装机已经达到设计科学、结构合理、使用方便、能够提高工作效率和精度、保障食品安全卫生、实现智能协作配合的一种液体自动灌装机技术要求，具有重要的创新性现实意义，自动灌装机系列产品具有广阔的市场效益：

1）准确的液体定量控制；

2）方便输入和显示所有参数，如液体流量，机器运行的状态、转速、延时等；

3）节约成本。

2 液体灌装机研究理论依据

考虑到系统稳定性的要求和成本控制，灌装机采用带控制面板的FP-e PLC作为控制单元，方便各种参数的调整。电机采用大功率直流电机，所以驱动器也采用大功率的直流电机控制模块。采用旋转编码器来计算流体的定量。考虑到PLC 的输出电压不能直接与直流电机控制模块相连，没有采用复杂的电子电路光电隔离，而是采用便于安装的DIN 式光电隔离器模块来完成这种隔离和转换工作，考虑到光电隔离频率的限制，脉冲调制也采用低频率信号。为了实现PLC 输出脉冲信号转换成模拟信号以控制直流电机控制模块，本系统利用PLC 编成语言输出脉冲频率的功能，尝试了利用脉冲频率调制的方式完成直流电机的调速控制。通过调整脉冲信号的频率，实现直流信号的转换，达到实现直流电机的调速控制。

2.1 直流电机的结构和工作原理

永磁电机（PMDC）是一种转子自带永磁体的电动机，当供给电机直流电流时，转子连续地旋转，且容易控制，目前被广泛使用。微小型的直流电机大多使用在小玩具、机器人和其他电子设备中，大型直流电机广泛使用在工业生产中。

直流电机主要由两个部分组成，固定不动的部分称为“定子”，里面旋转产生运动的部分称为“转子”，直流电机的转子也被称为“电枢”。通常微小型直流电机定子是由一对固定的磁铁在内部产生固定的磁场，这种电机被称为永磁直流电机。电机的电枢是由单个的电子线圈在电机金属体内互相连接起来，产生北极—南极—北极等的磁场布局。电流在转子铁芯中产生电磁场，而电枢绕组产生的环形磁场，排斥或吸引定子永磁铁，从而产生围绕电机中心轴的运动。

当电枢旋转时，电流通过位于换向器周围的碳刷从电机端子传递到下一组电枢绕组，产生另一个磁场，并且每次电枢旋转时，一组新的电枢绕组都通电，迫使电枢不停地旋转。因此，直流电机的转速取决于两个磁场之间的相互作用，一个磁场由定子上固定的永磁体设置，另一个磁场由电枢旋转电磁体设置，通过控制这种相互作用，可以控制电机的旋转速度。

定子上永磁体产生的磁场是固定的，因此不能改变，但如果通过控制流经绕组的电流来改变电枢电磁场的强度，就会产生更强或更弱的相互作用，从而产生更快或更慢的速度。直流电机的转速（N）与电机的反电势E（E=U-I·R，U—加载电压，R—绕组电阻，I—通过绕组的电流）成正比，除以磁通量Φ（对于永磁体是恒定的），乘以电枢绕组数的机电系数（Kℓ），所以，N=E/Φ× K ℓ 。

2.2 直流电机的速度控制

2.2.1 电阻分压控制

控制电机的速度，一个方法是采用电阻网络或大型可变电阻器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。而一般电动机的电阻很小，电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。许多研究者试图使用大型可变电阻器控制直流电机的速度[1]。虽然大型变阻器能达到工作要求，但它在电阻上产生了大量的热量和功率浪费。控制电机速度的另一个简单方法就是调节其端子的电压量，这可以通过脉冲宽度调制或PWM实现。

2.2.2 脉冲宽度调节控制

脉冲宽度调制速度的工作原理是使用一系列“ONOFF”脉冲驱动电机，并改变占空比，即控制输出电压“ON”的时间与脉冲“关闭”时的时间比例，同时保持频率恒定。

施加到电机的功率可以通过改变这些施加脉冲的宽度进行控制，从而改变施加在电机端子上的平均直流电压。通过改变或调节这些脉冲的时序，可以控制电机的速度，即脉冲“ON”的时间越长，电机旋转的速度越快，同样，脉冲“ON”的时间越短，电机的旋转速度越慢。换句话说，脉冲宽度越宽，施加在电机端子上的平均电压越高，电枢绕组内部的磁通量越强，电机旋转的速度越快。

使用脉冲宽度调制来控制小电机的优点是开关晶体管中的功率损耗很小，因为晶体管是完全“开”或完全“关”的状态。因此，不仅开关晶体管的功耗大大降低，控制电机的线性度和速度稳定性也较好。此外，电机电压的振幅保持不变，因此电机始终处于全强度。其结果是，电机可以旋转得更慢，而无需其他元素的拖延。而如何产生脉冲宽度调制信号来控制电机，使用555振荡器电路非常简单。

这种基于熟悉的NE555或7555定时器芯片的简单电路用于在固定频率输出下产生所需的脉冲宽度调制信号，正是电容器C 流经时序网络RA 和RB 的电流充电和放电的过程。555 引脚3 的输出信号等于晶体管完全“ON”的电源电压切换。电容器C充电或放电所用的时间取决于 RA和RB的值。

电容器C通过网络RA充电，但围绕电阻网络RB和二极管D1进行分流。电容器充电后，立即通过二极管D2和网络 RB放电到引脚7 中。在放电过程中，引脚3 的输出为0 V，晶体管开关为“关闭”。然后，电容器C完成一个完整的电荷放电周期所用的时间取决于RA、RB和C 的值，总的“开”和“关”的周期：T=TH+TL，所以输出频率：f=1/T。如上所示的元器件参数在6 V电源电压供电的情况下，产生8.3%（0.5 V）到91.7%（5.5 V）的周期方波。输出频率稳定在256 Hz，并且电机的开关控制在这个比例上。

电阻器R1 加上电位器VR1 的“顶部”部分，代表 RA的电阻网络。而电阻器R2 加上VR1 的“底部”部分，代表RB的电阻网络。这些值可以进行更改以适应不同的应用和直流电机，但只要555稳定电路在几百赫兹的速度运行得足够快，电机的旋转就不会产生抖动。二极管D3 是常用的单向二极管，用于保护电子电路免受电机的电感负载。此外，如果电机负载高，可将散热器放在开关晶体管或MOSFET上。脉冲宽度调制是控制向负载供电的功率而不消耗任何浪费功率的一种有效方法。

2.2.3 脉冲频率调节控制

脉冲频率调制（pulse frequency modulation），其缩写为PFM。属于一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM 也叫作方波PFM。脉冲频率调制（PFM）是用0 和1 表示的模拟信号的调制方法，相似于脉冲宽度调制（PWM），模拟信号的大小被编码成方波中的占空比。与PWM不同，在PFM中，方波脉冲的宽度在恒定频率下变化，PFM固定方波脉冲的宽度，同时改变频率。换句话说，脉冲器的频率根据采样间隔调制信号的瞬时振幅而变化，脉冲的振幅和宽度保持不变。

在PFM 运行期间，输出功率与脉冲串的平均频率成正比，当输出电压降至反馈控制回路测量的设定输出电压以下时，转换器工作。然后增加转换器开关的频率，直到输出电压达到设定输出电压之间的典型值，并且高于设定输出电压的0.8%到1.5%。

脉冲频率调制(PFM)于脉冲宽度调制(PWM)相比较主要优点在于效率。

1）对于外围电路一样的脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)而言，其峰值效率PFM 与PWM 相当，但在峰值效率以前，脉冲频率调制(PFM)的效率远远高于脉冲宽度调制(PWM)的效率，这是脉冲频率调制(PFM)的主要优势。

2）脉冲宽度调制(PWM)由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，脉冲频率调制(PFM)具有较快的响应速度。

脉冲频率调制(PFM)与脉冲宽度调制(PWM)相比较主要缺点在于滤波困难。

1）滤波困难（谐波频谱太宽）。

2）峰值效率以前，脉冲频率调制(PFM)的频率低于脉冲宽度调制(PWM)的频率，会造成输出纹波比脉冲宽度调制(PWM)偏大。

3）脉冲频率调制(PFM)控制比脉冲宽度调制(PWM)控制IC价格要贵。

3 液体灌装机创新技术

AFPE-224305 是Panasonic FP-e 系列带面板输入的PLC，可以在操作过程中方便地修改各种参数。FP-e PLC非常合适用来控制台式机器，实验设备、测试仪器和生产线上分拣系统的接口不多，且需要有数字显示和参数输入的控制器，它有8个晶体管输入端口、5个晶体管输出端口和1个继电器输出端口。这种与通用计数器类似的输入面板，不仅可以方便地进行参数设定，还可以显示设备运行状态，是集计数器、PLC于一体的经济实惠的控制器。

3.1 KBIC-240D直流电机控制器

KBIC-240D 是全波直流电机速度控制器，可靠性高，低成本。虽然其尺寸小，但这些控制器提供优于2%调整，50:1 调速比之上。组成包括：使用突波吸收器（MOV）瞬间保护来保护电桥；集成电路提供对于过载和电压调整的非复杂设计；电子电流限制（CL）以限制最大输出电流来保护电机和控制器免于过载；加速启动（可在0.5 s～4 s范围内调整）使在使用AC电源时，每次都能实现顺畅的启动。

KBIC的一个独特特性是具有插入式功率电阻器（PLUG-IN Horsepower Resistor）。一般情况下，当控制器用于不同功率的电机时，会相应调整IR 补偿和CL 电流限制。另外利用辅助散热片（选择配件）可实现另一独特的功能，即可增大额定输出功率。

该控制器的输出与电位器的旋转调节成线性关系。KBIC 也可用电压跟随方式来操作，只要提供一个隔离模拟信号（0～7 VDC）到输入端子P2（+）和P1(-)。如果绝缘输入信号不存在，则可使用备选的隔离端子板信号隔离器。该种控制器采用标准的端子方式，而且隔离端子配件组中包含了5K 电位器和电枢式保险丝。禁止回路电流将电枢输出电压减小到0。还有另外一个标准的部件是自动禁止回路电流（Auto Inhibit），当使用AC 电源时，该部件可避免错误启动和高突波电流。对应不同的电压和电流范围。其中KBIC-240D可在115 VAC和230 VAC下运行，输出0～90 VDC和180 VDC。

3.2 旋转编码器

OMRONE6B2-CWZ6C是使用5～24 VDC电源电压供电，每转输出100个脉冲的高性能旋转编码器，用来记录电机转数，可以依电机的转数计算流体的定量[2]。由于旋转编码器种类很多，是光电传感器应用最广泛的测量机械轴旋转速度的传感器。轴可位于电机上，接通电源，电动机旋转，带动编码器一起旋转，编码器有一个圆形机械栅栏，转一圈输出多少个脉冲。也就是说，输出的脉冲越多，机械的栅栏越难做，在相同的截面上要打出那么多的槽来，槽数越多，精度越高，比如说，每转一千个脉冲和每转一百个脉冲，价格成本是相差比较大的。可将编码器的输出脉冲接到PLC 单片机上，用频率控制电机速度，精准定位，准确切割。

3.3 光电隔离器

WeidmullerEGO1（558160000）是输入电压24 VDC、输出电压5 VDC～48 VDC、最大开关频率3 000 Hz的DIN式光电隔离器，性能可靠，使用方便。实验证明，光电隔离在脉冲作用下工作时的状态[3]：频率越低，闪烁越明显，电机转速也越低，反之，频率越高，就越不容易看到发光二极管闪烁。

基于灌装机工作原理，系统要求PLC输出24V的脉冲，为了降低加在发光二极管上的电压和限制加在其上的电流，所以R1 用来调节输入电压和调节电流，而在输出端的R2用来调节限制光电隔离输出电流，这样，R1、R2 调节得合适，就可以在输出端得到线性的电压输出，考虑到光电隔离器件最高频率的限制以及控制器对模拟信号的要求，本控制系统将脉冲频率调制在10 Hz～1 000 Hz之间。

接通电源，启动开关，PLC FP-e 控制器由程序控制KBIC-240D 控制直流电机运行[3]，编码器检测电动机速度，闭环反馈调节偏差电压，光电隔离器脉冲频率控制电动机平稳变速，实现灌装机搅拌和灌装。创新技术是螺杆泵问题，它是由定子和转子组成的，转子就是一个拉长的螺丝，定子就是和转子配套的螺母，它的工作原理是转子每转一圈，就可以把一个螺距容量的流体输送出去，从而完成流体灌装。当然流量就由计数器来完成，根据流体黏度的不同，灌装速度也不同，PLC 可以很方便地做这些工作。由于灌装机启动时需要较大功率输出[4]，所以忽略低压输出，同时为了保证在灌装过程中避免液体飞溅现象，输出电压也不需要调到最大，考虑诸多因素影响，对控制电阻调整的线性比较平缓。

今年是“十四五”开局之年，要走好职业教育提质升级培优办学之路，提升高职院校办学水平，增强高职教育适应性，深化校企合作、产教融合，建设多元协作式的课程实用性模块化教学方式，职业教育为企业和社会服务，开创职业教育新局面。灌装机主要是为食品生产灌装各种酱类设计，企业和市场需要什么，职业院校就要开发什么。目前开发的重量灌装机器已经投放到市场。

4 结束语

通过以上脉冲频率调制在直流电机的调速控制系统中的应用，特别是将PLC 输出的脉冲频率调制的方波信号。本研究巧妙地利用光电隔离器件，将频率调制的脉冲信号转换成模拟信号，输出给直流电机控制模块，既解决了PLC与电机控制模块隔离的要求，又实现了脉冲信号转换成模拟信号，完美地实现了脉冲频率调制直流电机速度的要求，不但简单实用，而且节约成本，在实际应用中得到了充分的验证。