直流電機調(diào)速電路發(fā)展、現(xiàn)狀以及前景綜述

1、直流電機調(diào)速電路發(fā)展、現(xiàn)狀以及前景綜述摘要：在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。對可調(diào)速的電氣傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求，至今在金屬切削機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應(yīng)用于自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，是截止到目前為止調(diào)速系統(tǒng)的主要形式

2、。關(guān)鍵詞：直流電機；調(diào)速系統(tǒng)；直流電機應(yīng)用；自動控制直流電機發(fā)展?fàn)顩r：直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。無刷直流電機是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機的理論基礎(chǔ)。十九世紀(jì)四十年代研制成功了第一臺直流電機，經(jīng)過約七十年，直流電機才趨于成熟階段。隨著用途的擴大，對直流電機的要求也越來越高，顯然，有接觸的換向裝置限制了有刷直流電機在許多場合的應(yīng)用，為了取代有刷直流電機的那種電刷換向器結(jié)構(gòu)的機械接觸裝置，人們曾經(jīng)對此做過長期的探索。早在1915年，美國人Langmil發(fā)明了控制柵極的水銀整流器，制成了由直流變交流的逆變裝置；20世紀(jì)30年代，有

3、人提出用離子裝置實現(xiàn)電機的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接的所謂整流子電機，此種電機由于可靠性差、效率低、整個裝置笨重而又復(fù)雜，故無實際意義?？茖W(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍。開關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型電機無刷直流電機帶來了生機。1955年美國D.Harrison等人首次申請用晶體管換向線路代替電機電刷接觸的專利，這就是無刷直流電機的雛形，它由功率放大部分、信號檢測部分、磁極體和晶體管開關(guān)電路等所組成。其工作原理是是：當(dāng)子旋轉(zhuǎn)時，在信號繞組W1或W2中感應(yīng)出周期性的信號電勢，此信號分別使晶體管BG1和BG2輪流導(dǎo)通，這樣就使功率繞組W1和W2輪流饋電，即實現(xiàn)了換流。問題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)

4、子不轉(zhuǎn)時，信號繞組內(nèi)不產(chǎn)生感應(yīng)電勢，晶體管無偏置，功率繞組也就無法饋電，所以這種無刷電機沒有起動轉(zhuǎn)距；其次，由于信號電勢的前沿陡度不大，晶體管的功耗大。為了克服這些弊端，人們采用了離心裝置的換向器，或在定子上放置輔助磁鋼的方法來保證電機可靠的起動，但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者尚需要附加的起動脈沖；其后，經(jīng)過反復(fù)的實驗和不斷的實踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來代替有刷直流電機的機械換向裝置，從而為無刷直流電機的發(fā)展開辟了新的途徑。六十年代初期，以接近某物而動作的接近開關(guān)式位置傳感器、電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼問世，之后，又出現(xiàn)了磁電耦合式和光電式位置傳感器。半導(dǎo)體技術(shù)

5、的飛速發(fā)展，使人們對1879年美國人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過多的努力，終于在1962年試制成功了借助霍爾效應(yīng)來實現(xiàn)換流的無刷直流電機。隨著比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管的出現(xiàn)，在七十年代初期，又試制成功了借助磁敏二極管實現(xiàn)換流的無刷直流電機。在試制各種類型的位置傳感器的同時，人們試圖尋求一種沒有附加位置傳感器結(jié)構(gòu)的無刷直流電機。1968年原聯(lián)邦德國W.Mieslinger提出采用電容移相實現(xiàn)換流的新方法；在此基礎(chǔ)上，原聯(lián)邦德國R.Hanitsh等人試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分配器和過零鑒別器的組合來實現(xiàn)換流的無附加位置傳感器的無刷直流電機。人們一直都在致力于無位置傳感器的研究

6、，根據(jù)同步電機轉(zhuǎn)子磁極位置辨識的方法，利用定子繞組的感應(yīng)電動勢(電壓)間接獲得無刷直流電機轉(zhuǎn)子磁極位置，即間接檢測法。與直接檢測法相比，省去了位置傳感器，從而可簡化原電機本體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，特別適合于小尺寸、小容量無刷直流電機。80年代以后，隨著微機技術(shù)的快速發(fā)展，使得無轉(zhuǎn)子位置傳感器的無刷直流電機得以進(jìn)入實用化階段；另外，隨著多功能傳感器的問世，在無刷直流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)中已有用一個傳感器同時檢測轉(zhuǎn)子磁極位置、速度及伺服位置的實用化應(yīng)用成果。半導(dǎo)體技術(shù)自20世紀(jì)50年代后期誕生以來，發(fā)展速度很快，功率半導(dǎo)體器件的性能得到逐步提高，同時其相應(yīng)驅(qū)動電路也獲得了飛速發(fā)展，現(xiàn)可以做到使用一片驅(qū)動電路，

7、一個驅(qū)動電路就可驅(qū)動三相6個開關(guān)管，從而大大簡化了外圍電路尤其是驅(qū)動電路的設(shè)計。同時高性能永磁材料，如釤鈷、釹鐵硼等的問世，均為無刷直流電機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在一些要求高效率和高功率密度的特殊應(yīng)用領(lǐng)域中，預(yù)示著無刷直流電機驅(qū)動的美好前景，從各個方面對無刷直流電機及其驅(qū)動系統(tǒng)展開的國際性開發(fā)熱還將繼續(xù)下去，這樣的結(jié)果，無刷直流電機將繼續(xù)成為未來高性能無位置伺服裝置的不可輕視的對象。 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史 直流電氣傳動系統(tǒng)中需要有專門的可控直流電源常用的可控直流電源有以下幾種：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單

8、易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機-電動機(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞

9、弧變流器代替上述發(fā)電機、電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機、電動機系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧

10、變流器(1000)高10倍;在響應(yīng)快速性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。從20世紀(jì)80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了已往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進(jìn)。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的深入發(fā)展，電氣傳動裝置不斷向前發(fā)展。微機的應(yīng)用使電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。近年來，一些先進(jìn)

11、國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的多種直流電氣傳動裝置，如西門子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。直流調(diào)速控制裝的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進(jìn)行控制，強大的通訊功能使它易和PLC等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強等特點，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長期工作的高可靠性和

12、整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。國外主要電氣公司如瑞典的ABB公司、德國的西門子公司、AEG公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的GE公司、西屋公司等，均已開發(fā)出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。我國從20世紀(jì)60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有：綜合性最

13、優(yōu)控制，補償PID控制，PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)，并有很少的智能控制應(yīng)用于其中。隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，GIBT(絕緣柵雙極型晶體管)具有開關(guān)速度快、驅(qū)動簡單和自關(guān)斷等優(yōu)點，克服了晶閘管的主要缺點。我國直流調(diào)速正向脈寬調(diào)制方式發(fā)展。我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口。但由于進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前，國內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。直流電動機的調(diào)速方法直流電機轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：式中：Ua電樞端電壓(V);Ia電樞電流(A);Ra電樞電阻總電阻();每極磁通量(wb);Ce與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

14、；由式1可以看出，式中Ua、Ra、三個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；(2)改變勵磁磁通；(3)改變電樞供電電壓Ua。(1)改變電樞電路總電阻在電動機電樞外串聯(lián)電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級調(diào)速，調(diào)速比一般約為1:2左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低、平滑性能差、機械特性軟，故現(xiàn)在已極少采用；(2)改變勵磁磁通進(jìn)行調(diào)速。由式1可看出，電動機的轉(zhuǎn)速與磁通(也就是勵磁電流)成反比，即當(dāng)磁通減小時，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降低。與此同時，由于電動機的轉(zhuǎn)矩Te是磁通和電樞電流Ia的乘積(即Te=CTIa

15、)，電樞電流不變時，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動機磁通的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)速也會相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時，電動機始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動機的容量能得到充分利用，通常只是在電動機基速以上調(diào)速時才采用這種調(diào)速方法。采用弱磁調(diào)速時的范圍一般為1.5:13:1，特殊電動機可達(dá)到5:1。這種調(diào)速電路的實現(xiàn)很簡單，只要在勵磁繞組上加一個獨立可調(diào)的電源供電即可實現(xiàn)。(3)調(diào)節(jié)電樞電壓Ua。改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)。改變電樞電壓主

16、要有三種方式：旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、PWM(脈寬調(diào)制變換器(或稱直流斬波器)。旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱G-M系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱Ward-Leonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護(hù)不方便。20世紀(jì)50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角，進(jìn)而改變整流電壓Ud

17、的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。V-M在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。PWM(脈沖脈寬調(diào)制)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DC-DC變換器。針對具體的無刷直流電機，文獻(xiàn)中提供了各種各樣的控制策略，他們各有各的優(yōu)點。直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用?；赥MS320LF2407A的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)控制策

18、略，采用數(shù)字PID算法，對轉(zhuǎn)速反饋實行PI控制，對電流反饋采用PID控制(見圖1)。圖1中給定速度與反饋速度形成偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生參考電流量，它與反饋電流量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成一定占空比的PWM控制量，PWM占空比隨給定速度改變從而實現(xiàn)三相無刷直流電機速度控制。本系統(tǒng)中控制算法設(shè)計方法是根據(jù)實際情況設(shè)定一個誤差閾值，當(dāng)跟蹤誤差大于閾值時，采用Bang-Bang控制，可避免過大的超調(diào)，使系統(tǒng)有較快的動態(tài)響應(yīng)；當(dāng)跟蹤誤差小于閾值時，采用PD控制，保證系統(tǒng)的控制精度。無刷直流電機模糊控制器的設(shè)計與仿真提出了基于自適應(yīng)權(quán)值修正理論的模糊PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法，系統(tǒng)采用雙路控制，采用自適應(yīng)的權(quán)值修正

19、法，得到電機的供電電壓。由于整個控制系統(tǒng)采用雙路控制的形式，采用PI調(diào)節(jié)器是為了使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小，克服由于模糊控制不易于進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無差控制的弊病。并且，利用PI調(diào)節(jié)器來給出控制電壓的基本值；采用模糊控制器是為了使系統(tǒng)的快速性好，且超調(diào)量較小。為了調(diào)節(jié)兩者的連接權(quán)值，借鑒了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論中的自適應(yīng)的權(quán)值修正算法。針對Fuzzy-PI調(diào)節(jié)器設(shè)計了系統(tǒng)仿真模型。整個系統(tǒng)的框圖如圖2所示，在整個系統(tǒng)中，采用了模糊控制和PI控制器的雙路獨立設(shè)計方法，并采用了自適應(yīng)的加權(quán)方法將兩路信號相加。在系統(tǒng)的設(shè)計中為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，對PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計采用了比較大的比例系數(shù)，同時，為了減小前期誤差對后面控制精度的影響，

20、而相應(yīng)的積分系數(shù)選擇較小。直流電機調(diào)速系統(tǒng)的運動增強學(xué)習(xí)控制適用于重復(fù)運動軌跡的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由前饋和反饋兩部分組成，無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)反饋控制算法為系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了保障，迭代學(xué)習(xí)控制算法作為前饋控制去補償系統(tǒng)的非線性、未知動態(tài)和干擾，因此增強了系統(tǒng)單獨應(yīng)用PID或無模型學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制算法時的控制性能，通過與傳統(tǒng)PID和無模型學(xué)習(xí)白適應(yīng)控制算法的仿真比較，驗證了采用智能前饋控制的優(yōu)勢。無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制器運用了滑模變結(jié)構(gòu)控制理論,通過調(diào)節(jié)端電壓來實現(xiàn)對電機速度的控制,換相由霍爾元件位置檢測來實現(xiàn)；從實際應(yīng)用的角度出發(fā),采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Radial Basis Function Neural Network, RBFNN)非線性函數(shù)估計器，對變結(jié)構(gòu)控制量中的不確定項進(jìn)行動態(tài)估計，補償?shù)娇刂屏恐?很好地抑制了系統(tǒng)抖振。該方法控制無刷直流