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1、10 前言在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。据资料统计，现在有的 90%以上的动力源来自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广,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动、制动和反转,能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完
2、善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流电机的数字控制是直流电动机控制的发展趋势，用单片机的数字控制的发展趋势,用单片机进行控制是实现电动机数字控制的最常用的手段。由于电网相控变流器供电的直流电机调速系统能够引起电网波形畸变、降低电网功率因数，除此之外，该系统还有体积大、价格高、电压电流脉动频率低、有噪声等缺点。而采用直流电动机的PWM 调速控制系统可以克服电网相控调速系统的上述诸多缺点。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术的进步使电机控制技术在近 20 多年
3、内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和 IGBT 成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动控制方法能够得到实现，脉宽调制控制方法（PWM 和 SPWM）,变频技术在直流调速和交流调速中获得广泛的应用。最近几年来，由于直流电机的优秀性能，在众多场合得以应用，所以直流电机的调速方法的研究也逐渐热化。现在研究方面有很多，例如 240K
4、VA 时间分割 PWM 直流调速；采用一种以大功率 IGBT 模块作主功率开关器件,采用 SG3525 集成 PWM 控制器为核心控制器,EXB841 作为驱动模块的高效集成化的直流调速系统；基于 ARM 的 PWM 直流调速；全数字化双闭环可逆直流 PWM 调速；新型 PWM 直流调速及 DCDC 电源技术；基于单片机（PIC AVR）的直流 PWM 电机控制以及和永磁伺服直流电机配套的 PWM 调速系统等等各种2直流调速装置系统。随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多
5、需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提
6、供人机界面，多机联网工作。采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性；控制电路哈尔功率电路集成在一起，使监控更容易实现；集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力；集成化使系统成本大大降低。31 调速原理介绍本章简单的介绍了直流电机的调速原理以及调速的各种性能指标，重点介绍了PWM直流调速的原理、电流调节器和速度调节器的工程设计方法以及数字调节器的实现方法。1.1 直流电动机的调速方法按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电机四种。图1-1所示为直流电动机的物理模型。定子
7、励磁绕组通过直流电流If时产生励磁磁势Ff和主磁通。电枢绕组通过电枢电流Ia，则产生电枢反应磁势Fa。由于直流屯机的电刷在几何中线AB上，因此励磁磁势Ff与电枢反应磁势Fa正交。通常直流电机在其主磁极上加有补偿绕组，电枢反应磁势对主磁通没有影响。直流电机电枢绕组中的电流I。与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动.直流电机的电磁转矩的大小常用下式表示:（1-emaTKI1） 式中，Te-电动机的电磁转矩，单位为 Nm；-励磁磁通，单位为 Wb；Ia-电枢电流，单位为 A； Km-由电机结构决定的转矩常数。4图 1-1 直流电动机的物理模型Fig .1-1 Physical mo
8、del of DC motor以上分析表明，直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和 Ia是相互独立的，可以非常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。由直流电动机的转速特性知道，直流电动机的转速和其他参量的关系可用下式表示：（1-aeUI RnK2）式中，n-电动机转速，单位为，r / min；U-电枢供电电压，单位为v；R-电枢回路总电阻，R=Ra+Rad单位为n；Ke-由电机结构决定的电势常数，Km=9.55Ke在式（1-2）中,Ke为常数，Ia的大小取决于负载转矩，因此可知，直流电动机的调速方法有三种:1)改变电枢电压U进行调速改变电枢电压主要
9、是从额定电压往下降低电枢电压，机械特性如图1-2所示，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法.对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。这种方法有如下性能：可以实现无级调速；nnN；机械特性硬；恒转矩调速；可以利用调压方法启动设备。5图1-2 改变电枢电压调速机械特性Fig .1-2 The mechanical properties of changing armature voltage 2)改变电动机主磁通改变励磁电流的大小便可以改变刺痛的大小，从而达到调速的目的。改变励磁电流调速的系统机械特性如图1
10、-3所示。改变磁通调速的特性：可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，系统特性软，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。If变化时遇到的时间常数同Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。图1-3 改变励磁电流即改变主磁通调速电机机械特性Fig. 1-3 The mechanical properties of changing the excitation current3)改变电枢回路电阻R在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。其机械特性如图1-4所示。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，Rad越大特性越软，空载时几乎没什么调速作用，在
11、调速电阻上消耗大电 6图1-4改变电枢电阻调速的机械特性Fig .1-4 The mechanical properties of changing the armature resistance综上所述，对于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最佳。因为改变电阻只能有级调速，而调节磁通范围很小，不然将造成飞车事故。所以直流调速一变压调速为主。本次设计也正是采用了改变电动机两端电压的调速方法。U变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系旋转变流机组。1.2 直流调速系统中可控直流电源介
12、绍改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，无论是哪种方法都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种: 1)旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。2)静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞孤整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。3)直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。第一种方法在20世纪50年代曾广泛地使用，至今在尚未进行设备更新的地方仍然使用这种系统。这种系统体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。为了克服这些
13、缺点，在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变流机组，即上文的第二种方法，直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代。晶闸管问世以来，变流技术出现了根本性的变革。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统(即晶闸管一电动机调逮系统，简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统)己经成为直流调速系统的主要形式。虽然该系统有很多的优秀性能但是它也有它的缺点：a)晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。b)晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内使元件损坏。
14、c)晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此晶闸管可控整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因数低。d)晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的，如果主电路电感不7是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线;断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。以上两种方法逐渐将被淘汰，现在研究的热点就是第三种方法，利用直流斩波器或脉宽调制变换器控制系统电压。下面就详细的介绍下改系统的工作原理和方式。直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断
15、时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流一直流变换器.它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。图1-5为直流斩波器的原理电路和输出电压波形，图中VT代表开关器件。当开关VT接通时，电源电压U。加到电动机上：当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形如图1-5(b)所示。这样，电动机电枢端电压的平均值为:（1-sson dUUTtU3）式中， T-开关器件的通断周期；Ton开关器件的导通时间；-占空比， ，其中为开关
16、频率。ftTtononf图1-5直流斩波器电路和输出电压波形8Fig .1-5 DC chopper circuit and output voltage wave由式(1-3)可知，直流斩波器的输出电压平均值Ud可以通过改变占空比即通过改变开关器件导通和(或)关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种:1)脉冲宽度调制(pulse width modulation，简称PWM)。开关器件的通断周期T保持不变，只改变器件每次导通的时间ton，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽，称为脉冲调宽。2)脉冲频率调制(pulse frequency modulation，简称PFM)。开关器件每次导通的时间ton，不变，只改变通断周期T或开关频率f，也就是只改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频.3)两点式控制。开关器件的通断周期T和导通时间ton,，均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最
