直流电机调速电路发展、现状以及前景综述

直流电机调速电路的发展、现状及前景综述摘要：在现代化的工业生产过程中，几乎没有电力传输装置，生产技术、产品质量要求不断提高，产量增加，越来越多的生产机械要求实现了自动调速。 可调速的电气传动系统有直流调速和交流调速。 直流电动机具有优异的调速特性，调速顺畅方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能够实现经受频繁冲击负载的频繁无级的快速制动和反转，能够满足生产过程自动化系统的各种特殊运行要求，迄今为止的金属切削机床， 由于直流调速系统广泛应用于纸机等需要高性能控制功率拖动的领域，直流调速系统至今仍广泛应用于自动控制要求高的各个生产部门，是迄今为止调速系统的主要形式。关键词：直流电机调速系统直流电机的应用自动控制直流电机发展状况：直流电机可能有换向器，也可能没有换向器。 无刷直流电机是基于无刷直流电机发展的。 法拉第于1831年发现了电磁感应现象，为现代电机奠定了理论基础。 十九世纪四十年代开发了最初的直流电机，经过约七十年，直流电机进入成熟阶段。 随着用途的扩大，对直流电动机的要求也提高，有接触的换流装置在带电刷的直流电动机的很多情况下的应用已经明显，为了取代带电刷的直流电动机那样的电刷换向器结构的机械接触装置，有时候被长时间探索过。 1915年，美国人Langmil发明了控制电网的水银整流器，在制作从直流交流的逆变器装置的20世纪30年代，提出了用离子装置在转子位置交换电机的定子绕组的所谓整流子电机，但该电机可靠性差、效率低、装置整体复杂、现实科学技术的迅速发展，带来了半导体技术的飞跃。 开关型晶体管研制成功，为新型电机无刷直流电机的创造带来了活力。1955年，美国的D.Harrison等人首次申请了使用晶体管切换线路代替电机刷的专利。 这是无刷直流电动机的原型，由功率放大部、信号检测部、磁极体、晶体管开关电路等构成。 其动作原理是，当端子旋转时，在信号绕组W1或W2中感应出周期性的信号电位，该信号使晶体管BG1和BG2交替地导通，通过对电力绕组W1和W2交替地供电来实现换流。 问题是，首先，当转子不旋转时，信号线圈内不产生感应电位，晶体管没有偏压，电力线圈也不能供电，因此该无刷电机没有起动间距，其次，由于信号电位的前端不陡峭，因此晶体管的消耗功率大。 为了克服这些弊病，采用了在离心装置的换向器和定子上放置辅助磁铁钢的方法，保证了电动机的可靠起动，但前者的结构复杂，后者还需要附加的起动脉冲，经过反复的实验和实践，找到了位置传感器和电子转换线路来代替带刷直流电动机的机械转换装置60年代初，接近某物运转的接近开关式位置传感器、电磁共振式位置传感器、高频耦合式位置传感器相继登场，之后出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的迅速发展，使人们对1879年美国人孔洞发现的孔洞效应再次产生兴趣，经过大量努力，终于在1962年试制出了实现孔洞效应转流的无刷直流电动机。 随着感磁二极管比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的出现，在20世纪70年代初期试制了通过感磁二极管实现换向的无刷直流电动机。在试制各种类型的位置传感器的同时，需要不附加位置传感器的结构的无刷直流电动机。 1968年，前联邦德国W.Mieslinger在提出采用电容移相实现换流的新方法的基础上，前联邦德国R.Hanitsh等人试制了采用数字环分配器和过零判别器的组合实现换流的无附加位置传感器的无刷直流电机。致力于无位置传感器的研究，是通过同步电机的转子磁极位置识别方法，利用定子绕组的感应电动势(电压)间接地得到无刷直流电动机的转子磁极位置，即间接检测法。 与直接检测法相比，省去了位置传感器，可以简化原电机主体结构的复杂性，特别适用于小尺寸、小容量的无刷直流电机。 80年代以后，随着微机技术的迅速发展，不具有转子位置传感器的无刷直流电动机进入了实用化阶段，另外，随着多功能传感器的出现，在无刷直流电动机的伺服驱动系统中，具有用一个传感器同时检测转子磁极位置、速度以及伺服位置的实用化的应用成果半导体技术自20世纪50年代后期诞生以来，发展速度快，功率半导体器件性能逐渐提高，同时其相应的驱动电路也得到了快速发展，现在可以使用一个驱动电路，一个驱动电路可以驱动三相六个开关管，大大简化了外围电路，特别是驱动电路的设计同时高性能的永磁材料如钐钴、钕铁硼等的出现为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。在要求高效率和高输出密度的特殊应用领域中，显示了无刷直流电动机的驱动前景，从各方面对无刷直流电动机及其驱动系统展开的国际开发热量继续存在，结果，无刷直流电动机能够轻视将来的高性能无位置伺服装置直流调速系统发展史直流电气传动系统需要专用控制直流电源的控制直流电源有以下几种。 第一，最初的直流调速系统是以一定的直流电压向直流电动机的电枢供电，通过改变电枢电路的电阻来实现调速。 该方法简单，设备制造方便，价格便宜。 但缺点是效率低，机械特性柔软，无法在大范围内顺畅调速，因此目前几乎没有采用。 第二，三十年代末出现发电机-电动机(也称为旋转变流组)，并用磁放大器、电动机放大器、晶闸管等控制设备，可以获得较宽的调速范围(从十对一到十对一)、较小的转速变化率和调速平滑等优良的调速性能，特别是电动机减速时，通过发电机在电动机轴上的飞轮由此，在得到平滑的制动特性的同时，能够降低能量损失，提高效率。 但是，发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加相当于调速电动机的旋转电机和辅助励磁设备两台，因此体积的维护困难等。 第三，水银电弧变流器出现后，利用水银电弧变流器代替上述发电机、电动机系统，进一步提高了调速性能指标。 特别是其系统的高速响应性无法与发电机电动机系统相比。 但是，汞弧电流互感器仍有一些缺点，的维护不方便，特别是汞蒸汽对维护人员有一定的危害等。 第四，1957年，世界上出现了第一个晶闸管，与其他变流元件相比，晶闸管具有很多独特的优势，晶闸管直流调速系统立即显示出了很强的生命力。 体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维护简单等一系列优点，使用晶闸管供电，不仅提高了直流调速系统的经济指标和可靠性，在技术性能方面也显示了较大的优势。 晶闸管变流装置的放大率为10000以上，比单元(放大率10 )高1000倍，比水银弧光变流器(1000 )高10倍的响应的高速性，单元为秒级，晶闸管的变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期开始，晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组和水银整流装置，使直流电传动得到了飞跃。 同时，控制电路实现了高集成化、小型化、高可靠性、低成本。 以上技术的应用，大大提高了直流调速系统的性能指标，扩大了应用范围，发展了直流调速技术。随着微机、超大规模集成电路、新型电子功率开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的发展，电气传动装置不断发展。 微机的应用使电气传动控制系统面向数字化智能化，大大推动了电气传动的发展。 近年来，在一些先进的国家，西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB公司的PAD/PSD等以微机为控制核心的各种直流电传动装置陆续发售并大量使用。直流调速控制装置国内外发展现状数字直流调速装置在技术上成功地进行了规定的信号、调节器的参数设定、触发脉冲的数字化，能够使用通用硬件平台控制一定范围的功率和电流大小的直流电机， 同一控制器仅仅使用与参数设定不同的软件版本就能够控制不同种类的被控制对象的强力通信功能，构成了容易与PLC等各种设备通信的工业控制过程系统，而且具有操作简单、抗干扰性强等特征，特别方便完善的保护功能、长期工作可靠性和控制器体积小型化，可弥补模拟直流调速控制系统保护功能不完善、调试不便、体积大等缺点，数控系统寻找故障快速、调速精度高、维护简单、应用前景广阔。国外主要的电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，都开发了数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国自20世纪60年代首次试制硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到了迅速发展和广泛应用。 目前，晶闸管供电直流调速系统在中国国民经济各部门得到广泛应用。我国数字直流调速系统研究主要应用综合优化控制、补偿PID控制、PID算法优化、模糊控制技术，应用少数智能控制。 随着新型功率半导体器件的发展，GIBT (绝缘栅双极晶体管)具有开关速度快、驱动简单、自断开等优点，克服了晶闸管的主要缺点。 我国直流调速发展为脉宽调制方式。我国目前大多数数控直流调速装置依靠进口。 但由于进口设备价格高，也给出了国产全数控直流调速装置的发展空间。 目前，国内许多大学、科研机构和厂家正在开发全数字直流调速装置。直流电机调速方法直流电机转速n的公式如下所示式中： Ua电枢端子电压(v )Ia电子电流(a )Ra电子电阻总电阻()每极磁通量(wb )有关Ce电机结构的常数由式1可知，式中Ua、Ra、这3个参数成为变量，仅通过改变任意参数就能够改变电动机的转速，因此直流电动机有3种基本的调速方法： (1)改变电枢电路总电阻Ra，(2)改变励磁磁通，(3)电枢供电(1)改变电枢电路的总电阻，用电动机电枢外串联电阻进行调速，只能阶段性调速，调速比一般为1:2左右，转速变化率大，轻负载且难以得到低速，效率低，平滑性能差，机械特性柔软，因此现在极少(2)改变励磁磁通进行调速。 由式1可知，电动机转速与磁通(即励磁电流)成反比，即磁通减少时转速n上升. 与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通与电枢电流Ia的积(即Te=CTIa )，因此在电枢电流不变化的情况下，随着磁通变小，其转速变高，与之相应，转矩也变小。 因此，在这种调速方法中，随着电动机磁通变小，其转矩变高，相应地转速也降低。 额定电压和额定电流的转速不同时，由于电动机能够始终输出额定功率，因此该调速方法称为恒功率调速。为了能够充分利用电动机的容量，通常只有在以电动机的基准速度以上进行调速的情况下才采用该调速方法。 采用弱磁调速时的范围一般为1.5:13:1，特殊电机可达5:1。 这种调速电路的实现很简单，只需在励磁绕组中添加可独立调整的电源即可实现。(3)调整电枢电压Ua。 改变电枢电压改变转速，是恒转矩调速方法，适用于动态响应快、要求大范围无级平滑调速的系统。 改变电枢电压主要有旋转变流单元、静止变流装置、PWM (脉宽调制变换器)三种方式。旋转变流单元由交流电动机和直流发电机组成，得到可调整的直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，是最早的调压调速系统。 G-M系统具有优异的调速性能，但系统复杂，体积大，效率低，运行有噪音，维护不方便。20世纪50年代，开始使用由水银电弧整流器和晶闸管构成的静止变流装置来代替旋转变流单元，但是50年代后期马上就变成了经济可靠性更高的晶闸管变流装置。 使用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称为V-M系统，也称为静止的Ward-Leonard系统，其目的是通过控制电压的变化来改变晶闸管的触发控制角，进而改变整流电压Ud的大小，调节直流电机的转速V-M在调速性能、可靠性、经济性方面具有优势，已成为直流调速系统的主要形式。PWM (脉冲宽度调制)变换器也称为直流斩波器，利用功率开关元件的接通断开来实现控制，通过调节接通断开时间的比例，使一定的直流电源电压成为能够用平均值调整的直流电压，从而也称为DC-DC变换器。对于具体的无刷直流电动机，文献提供了不同的控制策略，他们各有优势。直流电机双闭环调速系统是目前直流调速系统的主流设备，具有调速范围广、稳定性好、稳定速度精度高等优点，是理论和实践方面比较成熟的系统，在拖动领域发挥着极其重要的作用。基于TMS320LF2407A的无刷直流电动机调速系统采用速度环和电流环双环控制策略，采用数字PID算法，对转速反馈执行PI控制，对电流反馈采用PID控制(参见图1 )。 图1中的规定速度和反馈速度形成偏差，经过速度调节而产生基准电流量，其与反馈电流量的偏差经过电流调节而形成一定占空比的PWM控制量，PWM占空比根据规定速度而变化，实现三相无刷DC电动机的速度控制。 本系统中的控制算法的设计方法是根据实际情况设定误差阈值，当跟踪误差大于阈值时，通过采用Bang-Bang控制，能够避免过大的过冲，给系统提供迅速的动态响应的跟踪误差小于阈值无刷直流电动机模糊控制器的设计与仿真提出了一种基于自适应权重校正理论的模糊PI调节器设计方法，系统采用2s控制，采用自适应权重校正法得到电动机供电电压。 由于整个控制系统采用2s控制的形式，采用PI调节器减小了系统的稳态误差，克服了模糊控制不容易实现稳态无差控制的弊端。 此外，之所以采用使用PI稳压器提供控制电压基本值的模糊控制器，是因为系统的高速性好，过冲量少。 为了调节两者的连接权值，参考了神经网络理论中的自适应权值校正算法。在Fuzzy-PI调节器上设计了系统仿真模型。 如图2所示整个系统的框图，整个系统采用模糊控制和P