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1、10 引言直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性；尽管近几年来不断受其它电机（交流变频电动机、步进电动机等）的挑战，但到目前为止它仍然是大多数调速控制电动机的最优选择。直流电动机相比以往电机具有良好的的特性：能在宽广的范围内平滑而且方便的调节转矩，可实现频繁的快速起动，制动和反转；有较强的过载能力，能承受频繁的冲击负载；可以满足生产过程自动化控制系统的各种要求，因此，直流电动机在冶金、采矿、化工、纺织、造纸、印刷和机床等工业部门中得以广泛应用。直流调速总
2、体上有三种方式：（1）调节电枢供电电压（2）减弱励磁磁通（3）改变电枢回路总电阻。一般来说，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因为改变电阻只能有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速。但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电动机额定转速）以上作小范围的升速。故直流调速的发展过程主要是变压调速的过程。早期的直流调速以变阻器调速、电动机发电机组调速等为代表。它又简称为 GM 系统，国际上统称为 WardLeonard 系统。它由交流电动机拖动直流电机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机 M 供电，调节发电机的励磁电流即可以改变输出电压，从而调节
3、电动机的转速。由于该系统需要旋转交流机组，因而设备多、体积大、费用高、效率低、噪音大、维护不方便。为了克服这些缺点，在 50 年代末开始采用汞弧整流器和闸流管这样的静止装置来代替交流绕组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统是最早应用的静止变流装置供电的直流调速系统。它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，但汞弧整流器造价较高，维护麻烦特别是水银如果泄漏将会污染环境，危害人身健康。为了获得较好的动、静态性能，一般都采用转速、电流双闭环控制方案。转速环作为外环起主要调节作用，具体来说即是要求:转速 n 跟随给定电压 变化，保证稳态无静差；nE对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。电流
4、环作为内环，其主要作用是:电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压扰动，双闭环可逆调速系统按发展过程可分为以线电路为核心的模拟调节控制系统和以微处理器为核心的数字调速系统两大类。在八十年代以前，主要是模拟调速系统，刚开始是用分立元件，进入八十年代中期、随着技术的发展，模拟调节器向着紧凑型和模块型方向发展，调速装置力求标准化、系列2化。进入八十年代后期，随着计算机技术尤其是单片机技术的发展，直流调速装置出现了以微处理器为核心的数字调速器新产品，到 90 年代在国外发达国家己取代模拟调节装置成为上流产品。直调速系统的数字化控制,使直流传动系统直接采用计算机技术。以微机控制的电气传动系统有以下特点：1）
5、电动机的各种状态量可实现快速、宽范围、高分辨率、高精度的检测，为高性能传动系统的实现提供了保证。2）由微机控制的各类电力电子功率变换装置可以使电动机有接近理想的可供电源，为提高传动系统的性能提供了保证。3）以微机为核心的控制装置可以完成包括复杂计算和判断在内的高精度的运算、变换和控制。软件的模块化结构可以方便地实时增加、更改、删减应用程序，当实际系统变化时也可彻底更新。软件控制的这种灵活性大大增强了控制器对被控制对象的适应能力。使各种新的控制策略和控制方法得己实现。4）数字电路完全不存在漂移问题也不存在参数变化的影响，采用适当的定标可以避免溢出问题。5）体积小，重量轻，耗能少。6）集成电路的平
6、均无故障时间大大长于分离元件电子电路，所以控制装置的可靠性更高。7）有利于与总的工业控制系统中的主计算机联机。8）可对系统运行状态进行监视、预警、故障诊断和数据采集。以微处理器为核心的调速装置在结构上大多采用紧凑型形式，仍采用电流、速度双闭环调速。速度给定值和速度实际值输入后经 A/D 转换器转换为数字信号进入单片机。软件实现给定积分、转速调节、电流调节、然后产生触发脉冲输出，调节器用 PI 形式。数字信号处理器(DSP)运行速度快，能够完成复杂的控制方法，适合于建立高性能的调速系统。数字信号处理作为信号和信息处理的一个分支学科，已经在科学研究、技术开发、工业生产、国防和国民经济的各个领域得到
7、了广泛的应用，并取得了丰硕的成果。数字信号处理系统的优越性表现为：a).灵活性好:当处理方法和参数发生变化时，只需通过改变软件设计以适应相应的变化;b).精度高:信号处理系统可以通过 A/D 变换的位数、处理器的字长和适当的算法满足精度要求;3c).可靠性好:处理系统受环境温度、湿度，噪声及电磁场的干扰所造成的影响较小;d).可大规模集成:随着半导体集成电路技术的发展，数字电路的集成度可以作得很高.具有体积小、功耗小、产品一致性好等优点。随着 80 年代 DSP(数字信号处理)芯片出现和发展，数字信号处理技术的得到了巨大的提高，许多新系统、新算法应运而生，其应用领域不断拓展。和早期的 DSP
8、芯片相比，现在的 DSP 芯片在成本、体积、工作电压、重量和功耗都有了很大程度的下降，而且软件和硬件开发工具不断完善。某些芯片己经具有相应的集成开发环境，它支持断点的设置和程序存储器、数据存储器和 DfA 的访问及程序的单部运行和跟踪等，并且可以采用高级语言编程，有些厂家甚至提供了通用的函数库及各种算法子程序和各种接口程序，这使得应用软件开发更为方便，开发时间大大缩短，提高了产品开发的效率。目前，DSP芯片已广泛应用于通信、自动控制、航天航空、军事、医疗等领域。41 直流调速系统在现代化工业生产中，生产机械都在不停地运动着，几乎到处都使用电力传动装置。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，
9、越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。1.1 直流调速系统1.1.1 直流电动机调速系统的基础直流电动机电枢回路的电压平衡方程为(1-1)RIEUa式中： 电动机端电压；U电动机电枢电流；aI电动机回路总电阻（ ）R1Ra电枢电阻（包括电枢绕组导线电阻和碳刷接触电阻） ；a电枢回路串接的附加电阻；1电枢反电势；E电枢反电势为(1-2)nKEe由电机结构决定的电势系数；eK励磁磁通；由此得到转速特性方程式如下(1-3)eaKRIUn上式即为直流电动机的转速特性方程式。对于他励直流电动机，当励磁磁通不变时，电枢电流与转距成正比，为方便有时
10、把转速特性也称为机械特性。式（2-3)就是调速公式。1.1.2 直流电动机调速方案由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。51）改变电枢回路总电阻 R如图 1-1，总电阻 R 越大，特性线斜率越大，机械特性越软。若负载转矩为 ，对应LT所需的电枢电流为 ，则负载大小不变时总电阻越大，转速越低。由于电阻耗能大，机alI械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。图 1-1 变电阻调速特性Fig.1-1 Turn into the resistance and adjust the speed characteristic2）减弱电机励磁磁通 普通电动机在额定磁通下运
11、行，铁芯已接近饱和，不能再增加磁通而只能减小。如图 1-2, 减小， 增大，特性线斜率也增大。弱磁调速虽能实现平滑调速，但其调速范0I围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。图 1-2 改变励磁调速特性Fig.1-2 Change the excitation and adjust the speed characteristic3）改变电动机端电压调速;如图 1-3 额定励磁保持不变，理想空载转速 随 U 减小而减小，各特性线斜率不变，0n由此可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。此方案为目前调速系统采用。变电压调速要有可调的直流电源。
12、根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控6变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速。由于工矿企业中大多为交流电源，因此前一种情况应用最广。对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种形式：线性放大驱动和开关驱动方式。图 1-3 改变电枢电压调速特性Fig.1-3Change the voltage of armatures and adjust the speed characteristic线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原
13、理简单，输出波形小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时会将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用语数瓦以下的微笑功率直流电动机的驱动。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。图 2-4 是利用开关管对直流电动机进行 PWM 调制控制原理图和输出输入电压波形。在图 2-4（a ）中，当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 。SU秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为 0。 秒后，栅极输1t 2t
14、入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图 1-4（b）所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值 为：0U（1-4）SSUTttU1210式中 占空比， 。Tt1占空比 表示在一个周期 T 内，导通时间与周期的比值。 的变化范围为 。107由式（1-4 ）可知，当电源电压 不变的情况下，电枢的端电压平均值 取决于占空比SU0U的大小，改变 的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是 PWM调速原理。（a）原理图 (b)输入输出电压波形图 1-4 PWM 调速控制原理和电压波形Fig.1-4 PWM adjusts
15、and controls the principle and voltage wave form rapidly在 PWM 调速时，占空比 是一个重要参数。以下 3 种方法都可以改变占空比值。1) 定宽调频法 这种方法是保持 不变，只改变 ，这样使周期（或频率）也随只1t2t改变。2）调宽调频法 这种方法是保持 不变，而改变 ，这样使周期（或频率）也随只2t1t改变。3）定频调宽法 这种方法是使周期（或频率）保持不变，同时改变 和 。前两种1t2方法是由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率） ，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的少。目前在直流电动机的控制
16、中，主要使用定频调宽法。1.2 直流电动机 PWM 控制系统1.2.1 直流电动机 PWM 控制系统原理PWM 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考止弦波比较，产生止弦脉宽调制 PWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的 PWM 信号输出，可以说直到目前为止，PWM 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于 PWM 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。8直流电动机 PWM 控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只能单方向旋转。对于可逆系统，又可分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个 PWM 周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个 PWM 周期里，作
