直流电机调速电路发展现状以及前景综述

直流电机调速电路发展、现状以及前景综述摘要：在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式。关键词：直流电机；调速系统；直流电机应用；自动控制直流电机发展状况：直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。1831年法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的理论基础。十九世纪四十年代研制成功了第一台直流电机，经过约七十年，直流电机才趋于成熟阶段。随着用途的扩大，对直流电机的要求也越来越高，显然，有接触的换向装置限制了有刷直流电机在许多场合的应用，为了取代有刷直流电机的那种电刷——换向器结构的机械接触装置，人们曾经对此做过长期的探索。早在1915年，美国人Langmil发明了控制栅极的水银整流器，制成了由直流变交流的逆变装置；20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓整流子电机，此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重而又复杂，故无实际意义。科学技术的迅猛发展，带来了半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型电机——无刷直流电机带来了生机。1955年美国D.Harrison等人首次申请用晶体管换向线路代替电机电刷接触的专利，这就是无刷直流电机的雏形，它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等所组成。其工作原理是是：当子旋转时，在信号绕组W1或W2中感应出周期性的信号电势，此信号分别使晶体管BG1和BG2轮流导通，这样就使功率绕组W1和W2轮流馈电，即实现了换流。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不产生感应电势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷电机没有起动转距；其次，由于信号电势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊端，人们采用了离心装置的换向器，或在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠的起动，但前者结构复杂，而后者尚需要附加的起动脉冲；其后，经过反复的实验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为无刷直流电机的发展开辟了新的途径。六十年代初期，以接近某物而动作的接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后，又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔效应来实现换流的无刷直流电机。随着比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管的出现，在七十年代初期，又试制成功了借助磁敏二极管实现换流的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。1968年原联邦德国W.Mieslinger提出采用电容移相实现换流的新方法；在此基础上，原联邦德国R.Hanitsh等人试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换流的无附加位置传感器的无刷直流电机。人们一直都在致力于无位置传感器的研究，根据同步电机转子磁极位置辨识的方法，利用定子绕组的感应电动势(电压)间接获得无刷直流电机转子磁极位置，即间接检测法。与直接检测法相比，省去了位置传感器，从而可简化原电机本体结构的复杂性，特别适合于小尺寸、小容量无刷直流电机。80年代以后，随着微机技术的快速发展，使得无转子位置传感器的无刷直流电机得以进入实用化阶段；另外，随着多功能传感器的问世，在无刷直流电机伺服驱动系统中已有用一个传感器同时检测转子磁极位置、速度及伺服位置的实用化应用成果。半导体技术自20世纪50年代后期诞生以来，发展速度很快，功率半导体器件的性能得到逐步提高，同时其相应驱动电路也获得了飞速发展，现可以做到使用一片驱动电路，一个驱动电路就可驱动三相6个开关管，从而大大简化了外围电路尤其是驱动电路的设计。同时高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。在一些要求高效率和高功率密度的特殊应用领域中，预示着无刷直流电机驱动的美好前景，从各个方面对无刷直流电机及其驱动系统展开的国际性开发热还将继续下去，这样的结果，无刷直流电机将继续成为未来高性能无位置伺服装置的不可轻视的对象。直流调速系统发展史直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源常用的可控直流电源有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(1000)高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了已往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力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、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的多种直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。直流调速控制装的国内外发展现状数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的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，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术，并有很少的智能控制应用于其中。随着新型电力半导体器件的发展，GIBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。我国直流调速正向脉宽调制方式发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。直流电动机的调速方法直流电机转速n的表达式为：式中：Ua——电枢端电压(V);Ia——电枢电流(A);Ra——电枢电阻总电阻(Ω);Φ——每极磁通量(wb);Ce——与电机结构有关的常数；由式1可以看出，式中Ua、Ra、Φ三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；(2)改变励磁磁通Φ；(3)改变电枢供电电压Ua。(1)改变电枢电路总电阻在电动机电枢外串联电阻进行调速，只能有级调速，调速比一般约为1:2左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低、平滑性能差、机械特性软，故现在已极少采用；(2)改变励磁磁通Φ进行调速。由式1可看出，电动机的转速与磁通Φ(也就是励磁电流)成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积(即Te=CTΦIa)，电枢电流不变时，随着磁通Φ的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Φ的减小，其转矩升高，转速也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为1.5:1～3:1，特殊电动机可达到5:1。这种调速电路的实现很简单，只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现。(3)调节电枢电压Ua。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统。改变电枢电压主要有三种方式：旋转变流机组、静止变流装置、PWM(脉宽调制变换器(或称直流斩波器)。旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，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，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α，进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。PWM(脉冲脉宽调制)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。针对具体的无刷直流电机，文献中提供了各种各样的控制策略，他们各有各的优点。直流电机双闭环调速系统是目