直流电机调速控制及其发展

电动机作为最主要的机电能量转换装置， 其应用范围已遍及国民经济的各个 领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医 疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电 冰箱，空调，DVD 等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所 有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之 六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动 机的调速控制一般采用模拟法， 对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指 对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可 编程控制器和开关元件来实现。 还有一类控制叫复杂控制， 是指对电动机的转速， 转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。
2、并励电动机 并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流电源供电，如图 2 所示， 这时电源提供的电流 I 等于电枢电流 Ia 和励磁电流 If 之和， 即 I=Ia+If。 并励电动机励磁绕组的特点是导线细、匝数多、 电阻大、电流小。这是因为励磁绕组的电压就是电 枢绕组的端电压，这个电压通常较高。励磁绕电阻 大，可使 If 减小，从而减小损耗。由于 If 较小， 为了产生足够的主磁通，就应增加绕组的匝数。由 于 If 较小，可近似为 I=Ia。 并励直流电动机的机械特性较好，在负载变时，转速变化很小，并且转速调 节方便，调节范围大，启动转矩较大。因此应用广泛。 3﹑串励电动机 串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直 流电源，如图 3 所示。串励电动机励磁绕组的特点是 其励磁电流 If 就是电枢电流 Ia， 这个电流一般比较大， 所以励磁绕组导线粗、匝数少，它的电阻也较小。串 励电动机多于负载在较大范围内变化的和要求有较大 起动转矩的设备中。 4、复励电动机 这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一 个与电枢绕组并联， 如图 4 所示，所以复励电动机的特性兼有串励电动机和并励 电动机的特点，所以也被广泛应用。 5、永磁电动机 这种直流电动机沒有励磁绕组﹐直接以永久磁 铁建立磁场來使转子转动。这种电动机在许多小型 电子产品上得到了广泛应用。 在以上几种类型的直流电动机中，以并励直流电动 机和他励直流电动机应用最为广泛。
五、直流电机调速硬件设计介绍
生产实际中要求生产机械在不同情况下以不同速度工作，这就需要对电机的 速度进行快速精确的调节。目前，PWM 控制方式作为可调电源取代笨重的电动机 发电机组以及饱和电抗器的控制方式具有许多优点。 其原理是通过改变脉冲宽度 来调节电动机电枢电压实现平滑调速。 由单片机控制的直流调速系统一般由电动 机、触发器、调节器、转速/电流检测与反馈环节组成，对系统实现数字触发、 数字测速、数字调节，即所谓全数字控制
三、直流电机数学模型
在控制中，需要建立控制对象的数学模型，才能进行控制方式的分析，下面 简要介绍直流电动机数学模型的构建，直流电动机的等效电路如图 5 所示。
La
Ra
Q Ua N S Ea Te
负载
Tl
图5直流电动机等效图
电路的电压平衡方程和力矩平衡方程为:
U
a
Ra I a La
d Ia dt
+ -
Ea(S)
1 LaS+Ra
Ia(S)
KT
Ka
Te(S)-
来自百度文库
Tl(S) 1 JS+KD
+
四、直流电机调速技术简介及其发展
众所周知，直流电机转速 n 的表达式为:
n U IR K
(2 - 1)
式中:U-电枢端电压 I-电枢电流 R-电枢电路总电阻 Φ -每极磁通量 K-与电机结构有关的常数 由上式可知，直流电机转速 n 的控制方法有三种: (1)调节电枢电压 U。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; (2)改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒 功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小; (3)改变电枢电路电阻 R 在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，
直流电机调速控制以及发展
摘要 现代工业中，各种生产机械对拖动的电动机有不同的要求，入迅速启动、制 动、反转或极慢的温宿运行等；直流电动机犹豫调速性能好、静差率小、运行效 率高， 在高性能的调速系统中被广泛应用。本文对直流电机调速控制技术及其发 展做了简要的介绍 关键词：直流电机 调速控制 发展
一、 引言
平滑性差、机械特性软、效率低。 改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:弱磁调速范围不大，往 往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文中设 计系统所采用的方法。 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、 脉宽调制 （PWM） 变换器(或称直流斩波器)。 (l)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。 (2)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。 (3) 脉宽调制 (PWM)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。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件 工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。
动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。将式 (2-2)、 式(2-3)、式(2-4)和式(2-5)作拉氏变换，得到如下函数: Ua(s )=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s) JSΩ (s)=Te(s)一Tl(s)一KDSΩ (s) Ea(s)= KeΩ (s) Te(s)=KTIa(s) 上面的式子可以用下面的方框图表示。[3]
二、直流电机概述
直流电动机一般可分为电磁式和永磁式，电磁式电动机除了必须给电枢绕组 外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以 建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独 供电，也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不 同，直流电动机可以分为他励﹑并励、串励﹑和复励 等形式。由于励磁方式不同，它们的特性也不同。 1、他励电动机 他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电 源供电，如图 1 所示。他励电动机由于采用单独的励 磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。
六、参考文献
[1] 国家机械工业委员会.电机原理[M].北京：机械工业出版社，1988.9 [2] 胡双,马志云.永磁无刷直流电机系统建模研究[J].电工技术杂志, 2003.8:17～21 [3] 西巴依洛夫， 洛奥斯， 刘锐乡.电机的数学摸拟[M].北京： 机械工业出版社， 1985 [4] 施佩特， 许实章， 陶醒世.电机： 运行理论导论[M].北京： 机械工业出版社， 1983.3 [5] 李士勇.模糊控制•神经控制和智能控制论[M].哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版 社，1998.9 [6] 罗海福, 毛义梅.模糊 PID 控制器的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表, 2001.3:3～6 [7] 陈梅,杨琳琳,许正荣.直流电机的模糊 PID 控制[J].自动化技术与应 用,2008.2:14～15 [8] 何平，王鸿绪.模糊控制器的设计及应用[M].北京：科学出版社，1997.1 [9] 佟绍成，王涛，王艳平.模糊控制系统的设计及稳定性分析[M].北京：科学 出版社，2004.4 [10] 汤兵勇，路林吉，王文杰.模糊控制理论与应用技术[M].北京：清华大学出 版社，2002.9 [11] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.5 [12] 李育贤.直流电机调速系统仿真研究[J]计算机仿真，2011.5
Ea
(2 - 2) (2 - 3)
J
d dt T e T l K D
式中 Ua 电源电压; Ia-电枢电流 ; Ra-电枢电阻(包括电刷、换向器以及两者之间的电阻); La-电枢电感; Ea-电枢反电动势; J-转动惯量; Ω -转动的角速度; Te-电磁转距; Tl-负载转距; KD-转动部分的阻尼系数. 永磁直流电动机的电枢反电动势可表示为: Ea=Ke*Ω 式中Ke-反电动势常数. 电磁转矩为: Te=KT *Ia 式中 KT-磁转矩常数。[2] (2 - 5) (2 - 4)