直流电动机调速系统文献综述

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1、_毕业设计（论文）文献综述题 目 直流电动机电流、转速双闭环控制系统设计 专 业 电气工程与自动化 班 级 2011级1班 学 生 夏于洋 指导教师 杜军 重庆交通大学 2015 年_直流电动机调速系统文献综述摘要：随着我国工业的不断发展，对于电动机的调速系统的性能要求越来越高，对于直流电动机调速系统的研究越来越多。通过对直流电动机的相关研究，对于国家地区的进步起着至关重要的作用。本文通过对直流电动机调速系统的相关研究进行综述，希望能够为相关学者的进一步研究提供一些启示与帮助。关键词：调速系统；直流电动机；文献综述现代化的工业生产过程中，几乎无处不在使用电力传动装置。调速系统必不可免的成为了当

2、今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量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。对于自动调速的系统有哪些？每种自动调速的优缺点是什么？国内外对调速系统的发展展望是什么？这是有这么一些问题，本文带着对直流电动机的调速系统研究进行综述。1 直流电动机调速系统的研究背景在自然界各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制等突出特点，它不但成为人类生产和活动的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。与此相呼应，作为电能生产、传输、使用和电能特性变化的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越

3、重要的地位。在当今社会，工业发展的脚步也一直没有提留下来，然而现代话的工业生产中无不利用到直流电机。在工农业中，直流电动机作为它们的动力系统和自动控制系统，从而控制直流电动机进行调速也是现代工业不可缺少的一部分。众所周知，在二十世纪的大部分年代中，由于直流电动机具有优越的调速性能，大部分高性能的调速控制都是由直流电动机担任着这个巨大的任务。到了现今的社会，直流电动机的地位依然不可动摇，研究直流电动机调速系统对当今社会的发展起着重要的作用。2 直流电动机调速系统国内外现状直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能够实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。从解放

4、以来，我国直流电动机制造工业有了很大的发展。在五十年代我国就有了全国统一的小型电动机系列，并且不断改进，不断的进步。电动机是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性好精确度快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。随着国民经济和国防建设的发展，工

5、业生产自动化程度的不断提高，要求直流电动机具有更高的动态特性，较大的过载能力，更宽的调速范围，较低的转动惯量，不断提高产品的可靠性，耐用性和主要技术经济指标;在某些场合则要求提高大型直流电机的单机功率;要求发展更多能适应特种用途和在特殊环境条件下使用的专用直流电机。纵观电机的发展，其应用范围不断扩大，使用要求不断提高，结构类型不断增多，理论研究也不断深入。特别是近30年来，随着电力电子技术和计算机技术的进步，尤其是超导技术的重大突破和新原理；新结构；新材料；新工艺；新方法的不断推动，电机发展更是呈现出勃勃生机，其前景是不可限量的。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，

6、使采用全控型的开关功率元件进行脉冲条款调制。随着微机的不断运用，对于复杂的电机控制，则需要用微机控制电机的电压、电流、转速、转矩、转角等，使电机按照给定的指令准确工作。通过微机的控制可以使电机的性能得到很大的提升。电机调速系统采用微机控制实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。从八十年代中后期开始，全世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，电流调速已经发展到了一个很高的技术水平，功率元件采用可控硅，控制板采用表面安装技术，控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进的技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到了广泛的应用

7、。3 直流电动机调速方法直流电动机的调速方法主要有三种：一是调压调速（变电枢电压，恒转矩速）；二是调调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）；三是改变电枢回路电阻调速。调压调速，是指调节电动机端电压使电动机在某一转速范围内实现无级调速。优点是电机运行在整个调速范围内都平稳。调速范围也最大，从电机的始动电压可以调到额定电压。调磁调速是用改变直流电动机励磁电流实现直流电动机调速的技术，又称直流调磁调速。它是一种较为简单、经济，容易实现无级控制的调速。直流电动机调压和调磁时的调速特性：电动机的励磁愈弱，相同的负载变动时其转速变化也愈大。励直流电动机调磁调速特性曲线由于直流电动机励磁回路的时间常数远大于电枢

8、回路的时间常数，因此，直流调磁调速的反应速度也就不如调电枢电压调速。这种调速法适用于对反应速度要求不高，要求电动机能在基速以上以及恒功率控制的场合，如纸张、带材等加工机械的卷筒恒张力控制等。调磁调速也可与调电枢电压调速相结合，构成调压调磁调速。改变电枢回路电阻调速就是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，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。因此，自动控制的直流调速系统往往是以调压调速为主。直流调速系统凭借其优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好和易于控制等优点

9、，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。至今在金属切削机床、轧钢、矿山采掘、纺织、造纸机等需要高调速性能的各类可控电力拖动生产机械大多采用直流传动，直流调速到目前为止仍是调速系统的主要形式。4 直流电动机调速系统直流电动机分为有换向器和无换向器两大种类。最早的时候，直流电动机调速系统采用的是恒定直流电压给直流电动机进行供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速功能。这种采用恒定直流电压的调速系统简单易行、设备制造方面、价格低廉；但是效率低，机械特性软，不能够得到较宽和平滑的调速性能。该法只适合在一些小功率并且调速范围要求不大的场合下使用。三十年代末，才

10、出现了能够使电动机调速系统性能优异的发电机电动机的直流电动机调速系统，才使得直流电动机得到了广泛的应用。这种调速方法可以获得较宽的调速范围、平滑的调速性能以及较少的转速变化率。由于这种系统至少应该包含两台与调速系统电动机容量相当的旋转电机。因而应用这种调速方法存在的问题也很多，比如：系统的重要很大，占地多，效率低，维修也很困难。为了克服这种困难，在二十世纪五十年代开始采用水银整流器作为可控变流装置，用静止的变流器取代了旋转的变流机组，但是由于水银对环境的污染很大，危害着人类的健康，因而在五十年代末，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管整流器供电的直流电动机调速系统已经取代了发电机电动机调速系统

11、，他的调速性能也远远的超过了发电机电动机调速系统。随着大规模的集成电路出现，电动机调速系统的性能也得到了很大的改善。更是随着微机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制产生了新的变化。微机技术、电力电子技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究。直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，是直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了

12、更大的提高。对于直流电动机的主要的调速系统主要有以下几种：4.1 直流电动机开环调速系统调速系统是当今电力拖动控制系统中运用十分普遍的一种系统，对于要求较高的调速性能的各种生产机械来说大多采用直流电机进行调速。晶闸管直流电动机调速就是最早的一种调速方式。直流开环调速系统如图1所示。直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器供电，并通过改变触发器移相控制信号调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。晶闸管直流电动机调速虽然具有较高的可靠性与经济性，但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向流通，这样会给系统的可逆运行造成困难。晶闸管的另外一个问题就是对于过电压，过电

13、流以及过高的电压、电流变化都是十分的敏感，其中的任何一个指标超出范围以后都可能导致器件在很短的时间内损坏，因此必须要设计安装可靠地保护电流与散热装置，而且在选择晶闸管时要留有合适的余量。再由于无功功率和谐波造成的“电力公害”对晶闸管可控整流也存在一定的影响，因此，晶闸管电动机调速系统对于工业上的一些控制难以达到要求。图1 直流电动机开环调速系统4.2 转速闭环控制的直流调速系统图2是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管VST的击穿电压，使晶体三

14、极管VBT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。图2 转速单闭环无静差直流调速系统众所周知，稳态误差的大小是衡量一个系统稳态性能的重要指标。在自动调速系统中，其给定值是恒定的，因此，对于自动调速系统来说，稳态误差主要是由于扰动引起的。虽然在实际中引起扰动的因素存在很多，但是对于调速系统来说，最主要的扰动是由于负载变化引起的。单闭环调速系统比开环调速系统能更好的克服扰动，在于单闭环调速系统能够减少稳态速降。这主要是由于单闭环调速系统它的一个自动调节作用。开环机械特性上各点所对应的晶闸管所给直流电动机的整流电压为一恒定值，既不能随着电枢电

15、流的改变而自动变化，当电枢电流增大，电枢的压降也增大，转速也就只有下降，而闭环静特性上各点所对应的晶闸管所给直流电动机的整流电压不是一个恒定值，是一个随着电枢电流增大（或减少）而相应的提高（或降低）的，补偿了电枢压降的增大（或减小）。正是由于闭环系统具有随着负载的变化而提供给电机的整流电压也自动变化的特点，才使得闭环系统相对于开环系统具有更好地抗干扰能力。闭环调速系统较之开环调速系统能自动侦测到转速信号，并把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；通过这样自动调节输入量，来达到提高系统稳定性的作用。但是对于那些要求动态性能较高的系统中，比如要求快速的起制动，或

16、者是突加负载动态速降小的这些情况中，单闭环系统就很难满足要求。这是由于在单闭环系统中并不能随心所欲地控制电流与转矩的动态过程。虽然在单闭环控制系统中，有电流截止负反馈模块对电流进行控制，但是它主要是当电流超过了临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。4.3 转速、电流双闭环直流调速系统将转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。因从闭环结构上看去，电流环在里面形成了内环，而转速环在外面形成了外环，所以称之为转速、电流双闭环调速系统。图3 转速、电流双闭环直流调速系统带转速反馈的单闭环调速系统是转速控制系

17、统当中最基本的形式，但它并没有什么实用价值，因为转速的偏差只能够控制电动机的端电压，没有办法对电枢电流进行控制。因此，当系统处于启动或者是输入电压处于大幅度变化之时，将会导致电动机的电枢电流明显突变，但是衰减又很缓慢。所以在实际生活中，除了对电动机的转速进行控制以外，还必须对电枢电流的状态进行控制。为了具有一个良好的性能，将转速与电流两种负反馈的作用进行分开，两者之间实行串级连接，从而构成转速和电流两个负反馈环节的双闭环调速系统。在双闭环调速系统中，当速度环处于开环状态的时候，电流环处于闭环状态时，双闭环系统相当于一个电流恒定值调节系统，用限幅的转速偏差值作为电流环的给定值，以实现最大电流限制

18、。当电流处于恒流状态时，拖动系统的加速度为恒定值，转速呈现线性增长的趋势，从而电动机的反电势也按线性增长。而这个反电势对应于电流调节系统来说是一个扰动，为了克服这种扰动，保持电流恒定，电流调节器必须要具备积分功能。双闭环调速系统相比于单闭环调速系统还具有更强的稳速能力。主要是由于在实际中，当电网电压发生变化之时，由于增设了电流内环，而电流环又具备维持电流不变的特性，因此，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等到它影响到转速以后才反馈回来进行调节，因而使得抗扰性得到了改善。4.4 直流可逆调速系统有许多生产机械要求电动机既能够正转，又能够反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要

19、电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。电动机既能正转，又能反转，而且 还能正反向制动，即待控直流电动机具有四象限运行特性。 那么就需要满足条件：电动机电枢电压方向可变；电动机电枢电流方向可变；根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。因此，可逆直流调速系统主要有两种方式：一是电枢电压反接可逆直流调速系统；二是励磁电压反接可逆直流调速系统。运用可逆直流

20、电动机，其产生的电流一定是连续的，电动机在停止的时候具有微振电流，能够消除静摩擦死区，低速的时候平稳性好，系统的调速范围广，在低速的时候，每个开关器件的驱动脉冲仍然较宽，有利于器件的可靠导通。但是利用可以直流调速系统，其中的开关损耗大，而且容易发生桥臂上下直通，降低可靠性能。因此不允许两组VT同时处于整理状态，要求的控制电路非常的严格。这样的系统适用于在那些要求频繁、快速正反转的生产机械的拖动上。4.5 直流脉宽调速系统为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压。实现系统的平滑调速，这种调速系

21、统就称为直流脉宽调速系统。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压. PWM不是调节电流的。PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比，一个30%占空比波形，会有30%的高电平时间和70%的低电平时间，而一个40%占空比的波形则具有40%的高电平时间和60%的低电平时间，占空比越大，高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压。 所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节。 PWM信号是一个矩形的方波，他的脉冲宽度可以任意改变，改变其脉冲宽度控

22、制控制回路输出电压高低或者做功时间的长短，实现无级调速。对于PWM调制的直流调速系统适用于在小功率场合，具有着晶闸管驱动装置无法比拟的优点，PWM系统主电路线路简单，需要用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗级发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。但是对于PWM控制的调速系统也会存在一些缺点，例如：电流的平均值为零,不产生平均转矩,徒然增大电机的损耗。5 总结在众多的调速系统之中，发电机电动机调速系统其需要至少两台与调速系统容量相同的电机来进行调速，并且其调速性能并不能达到理想的状态，对于它的使用现

23、在的工业上已经看不到它的身影了。然而对于开环调速系统不允许电流反向流通，会给系统的可逆运行造成困难，还存在着过电压，过电流以及过高的电压、电流变化对其造成的影响，所以在工业上的使用并不是很多。对于转速单闭环调速系统不能很好的控制电流与转速的关系，所以现在大多数工业中采用的多是转速、电流双闭环调速系统。在某些控制比较复杂，要求更高的情况下会采用PWM调速系统。在未来当中，由于微机的发展，电动机的调速将会越来越多的结合微机技术，电力电子技术发展出动态性能更好的调速系统，并且能够承受更恶劣的工作环境条件，能够通过对微机的监测，通过自动的调节装置，对调速系统进行控制，使其转速能够时时满足负载的需要，最

24、大可能的节约资源。缩短电动机的启动时间，使电动机能够迅速的进行正反转的调节。参考文献1 陈伯时. 电力拖动制动控制系统运动控制系统北京：机械工业出版社，2003.72 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真M.北京：机械工业出版社，2006.1：156-1693 徐邦荃，李浚源，詹琼华著.直流调速系统与交流调速系统.武汉：华中科技大学出版社，2000.8:16-434 王兆安,刘进军主编电力电子技术.北京：机械工业出版社，2009.55 胡寿松主编自动控制原理北京：科学出版社，2013.36 张晶，曾宪云.基于MATLAB/SIMULINK直流电机调速系统模糊控制的建模与仿真.

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