直流电机调速电路发展、现状以及前景综述

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1、直流电机调速电路发展、现状以及前景综述摘要：在现代化的工业生产过程中， 几乎无处不使用电力传动装置， 生产工艺、 产品质量的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。 对可调速的电气传动系统， 可分为直 流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方 便，易于在大范围内平滑调速， 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制动和反转， 能满足生产过程自动化系统中 各种不同的特殊运行要求， 至今在金属切削机床、 造纸机等需要高性 能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用， 所以直流调速系统至今仍然 被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门

2、， 是截止到目前为 止调速系统的主要形式。关键词：直流电机；调速系统；直流电机应用；自动控制 直流电机发展状况：直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。 无刷直流电机是在 有刷直流电机的基础上发展起来的。 1831 年法拉第发现了电磁感应 现象，奠定了现代电机的理论基础。 十九世纪四十年代研制成功了第 一台直流电机，经过约七十年，直流电机才趋于成熟阶段。随着用途 的扩大，对直流电机的要求也越来越高，显然，有接触的换向装置限 制了有刷直流电机在许多场合的应用， 为了取代有刷直流电机的那种 电刷换向器结构的机械接触装置， 人们曾经对此做过长期的探索。 早在 1915 年，美国人 Langmil 发

3、明了控制栅极的水银整流器，制成 了由直流变交流的逆变装置； 20 世纪 30 年代，有人提出用离子装置 实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓整流子电机， 此种电机由 于可靠性差、效率低、整个装置笨重而又复杂，故无实际意义。科学技术的迅猛发展， 带来了半导体技术的飞跃。 开关型晶体管 的研制成功，为创造新型电机无刷直流电机带来了生机。1955 年美国 D.Harrison 等人首次申请用晶体管换向线路代替电 机电刷接触的专利， 这就是无刷直流电机的雏形， 它由功率放大部分、 信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等所组成。 其工作原理是是： 当子旋转时，在信号绕组W1或W2中感应出周期性的信号电

4、势，此信 号分别使晶体管BG1和BG2轮流导通，这样就使功率绕组 W1和W2轮 流馈电，即实现了换流。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组 内不产生感应电势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这 种无刷电机没有起动转距；其次，由于信号电势的前沿陡度不大，晶 体管的功耗大。为了克服这些弊端，人们采用了离心装置的换向器， 或在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠的起动， 但前者结构 复杂，而后者尚需要附加的起动脉冲；其后，经过反复的实验和不断 的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替有刷直 流电机的机械换向装置， 从而为无刷直流电机的发展开辟了新的途径。 六十年代初期， 以

5、接近某物而动作的接近开关式位置传感器、 电磁谐 振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世， 之后，又出现了 磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展，使人们对 1 879年美国人霍尔发现的霍 尔效应再次发生兴趣，经过多的努力，终于在 1962 年试制成功了借 助霍尔效应来实现换流的无刷直流电机。 随着比霍尔元件的灵敏度高 千倍左右的磁敏二极管的出现， 在七十年代初期， 又试制成功了借助 磁敏二极管实现换流的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时， 人们试图寻求一种没有附 加位置传感器结构的无刷直流电机。 1968 年原联邦德国 W.Mieslinger 提出采用电容移相实

6、现换流的新方法；在此基础上， 原联邦德国 R.Hanitsh 等人试制成功借助数字式环形分配器和过零 鉴别器的组合来实现换流的无附加位置传感器的无刷直流电机。人们一直都在致力于无位置传感器的研究， 根据同步电机转子磁 极位置辨识的方法， 利用定子绕组的感应电动势 （电压） 间接获得无刷 直流电机转子磁极位置，即间接检测法。与直接检测法相比，省去了 位置传感器， 从而可简化原电机本体结构的复杂性， 特别适合于小尺 寸、小容量无刷直流电机。 80 年代以后，随着微机技术的快速发展， 使得无转子位置传感器的无刷直流电机得以进入实用化阶段；另外， 随着多功能传感器的问世， 在无刷直流电机伺服驱动系统中

7、已有用一 个传感器同时检测转子磁极位置、 速度及伺服位置的实用化应用成果。半导体技术自 20 世纪 50 年代后期诞生以来， 发展速度很快， 功 率半导体器件的性能得到逐步提高， 同时其相应驱动电路也获得了飞 速发展，现可以做到使用一片驱动电路， 一个驱动电路就可驱动三相 6个开关管，从而大大简化了外围电路尤其是驱动电路的设计。同时 高性能永磁材料，如钐钴、 钕铁硼等的问世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。在一些要求高效率和高功率密度的特殊应用领域中， 预示着无刷 直流电机驱动的美好前景， 从各个方面对无刷直流电机及其驱动系统 展开的国际性开发热还将继续下去， 这样的结果， 无刷直

8、流电机将继 续成为未来高性能无位置伺服装置的不可轻视的对象。直流调速系统发展史直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源常用的可控直流 电源有以下几种： 第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压 向直流电动机电枢供电， 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、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三 十年代末，出现了发电机 -电动机（ 也称为旋转变流组 ） ，配合采用磁 放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能， 如有较宽的调速范围 （十比一至数十比一 ） 、较小的转速变化率和调速 平滑等

9、， 特别是当电动机减速时， 可以通过发电机非常容易地将电动 机轴上的飞轮惯量反馈给电网， 这样，一方面可得到平滑的制动特性， 另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系 统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些 辅助励磁设备，因而体积维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后， 利用汞弧变流器代替上述发电机、 电动机系统， 使调速性能指标又进 一步提高。 特别是它的系统快速响应性是发电机、 电动机系统不能比 拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点 : 维修还是不太方便，特别是 水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四， 1957 年，世界上 出现了第一只晶闸管， 与

10、其它变流元件相比， 晶闸管具有许多独特的 优越性， 因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。 由于它 具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点， 采用晶闸管供电， 不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高， 而且在技术性能上也显示出很大的优越性。 晶闸管变流装置的放大倍 数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器 (1000) 高 10倍; 在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从 20 世纪 80 年代中后期起， 以晶闸管整流装置取代了已往的直 流发电机电动机组及水银整流装置， 使直流电气传动完成一次大的跃 进。同时，控制

11、电路已经实现高集成化、 小型化、高可靠性及低成本。 以上技术的应用， 使直流调速系统的性能指标大幅提高， 应用范围不 断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、 超大规模集成电路、 新型电子电力开关器件和 传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术 的深入发展， 电气传动装置不断向前发展。 微机的应用使电气传动控 制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年 来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的多种直流 电气传动装置，如西门子公司的 SIMOREG K 6RA24ABB公司的 PAD/PS等等。直流调速控制装的国内外发展现状 数字直流调速装

12、置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调 节器参数设定、 直到触发脉冲的数字化， 使用通用硬件平台附加软件 程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机， 同一台控制器甚至可 以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进 行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业 控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方 便灵活的调试方法、 完善的保护功能、 长期工作的高可靠性和整个控 制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、 调试不方便、 体积大等不足之处， 且数字控制系统表现出另外一些优 点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其

13、具备了广一阔的 应用前景。国外主要电气公司如瑞典的 ABB公司、德国的西门子公司、AEG 公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化 的应用产品。我国从 20世纪 60 年代初试制成功第一只硅晶闸管以来， 晶闸管 直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。 目前，晶闸管供电的 直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有： 综合性最优控制， 补 偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术，并有很少 的智能控制应用于其中。随着新型电力半导体器件的发展，GIBT（绝缘栅

14、双极型晶体管 ） 具有开关速度快、驱动简单和自关断等优点，克 服了晶闸管的主要缺点。我国直流调速正向脉宽调制方式发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。 目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调 速装置。直流电动机的调速方法直流电机转速n的表达式为：Ua-LRa n =（r/min）式中：U电枢端电压（V）;la电枢电流（A）;R电枢电阻总电阻（Q）; 每极磁通量（wb）;C与电机结构有关的常数；由式1可以看出，式中Ua Ra三个参量都可以成为变量， 只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转

15、速，所以直流电动机 有三种基本调速方法：（1）改变电枢回路总电阻Ra; （2）改变励磁磁 通；（3）改变电枢供电电压Ua。（1）改变电枢电路总电阻在电动机电枢外串联电阻进行调速，只 能有级调速，调速比一般约为1:2左右，转速变化率大，轻载下很难 得到低速，效率低、平滑性能差、机械特性软，故现在已极少采用；（2）改变励磁磁通进行调速。由式1可看出，电动机的转速与 磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反 之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩 Te是磁通和电枢电 流la的乘积（即Te二C la）,电枢电流不变时，随着磁通的减小， 其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种

16、调速方法中，随着 电动机磁通 的减小，其转矩升高，转速也会相应地降低。在额定电 压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此 这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用， 通常只是在电动机基速以 上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为1.5:13:1，特殊电动机可达到 5:1。这种调速电路的实现很简单， 只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现。（3）调节电枢电压Ua。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。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、PWM脉宽调制变换

17、器（或称直流斩波器 ）。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。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a，进而改变整流电压Ud的大小，达到调节 直流电动机转速

18、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。PWM脉冲脉宽调制）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。针对具体的无刷直流电机，文献中提供了各种各样的控制策略， 他们各有各的优点。直流电机双闭环调速系统是目前直流调速系统中的主流设备， 具 有调速范围宽、平稳性好、 稳速精度高等优点，在理论和实践方面都 是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。基于TMS320LF2407A的无刷直流电机调速系统采用速度环和电 流环双闭环控制策略， 采

19、用数字 PID 算法，对转速反馈实行 PI 控制， 对电流反馈采用PID控制（见图1）。图1中给定速度与反馈速度形成 偏差，经速度调节后产生参考电流量， 它与反馈电流量的偏差经电流 调节后形成一定占空比的PWM控制量，PWM占空比随给定速度改变从 而实现三相无刷直流电机速度控制。 本系统中控制算法设计方法是根 据实际情况设定一个误差阈值，当跟踪误差大于阈值时，采用 Ban g-Ba ng控制，可避免过大的超调，使系统有较快的动态响应；当 跟踪误差小于阈值时，采用 PD控制，保证系统的控制精度。修正理论的模糊PI调节器的设计方法，系统采用双路控制，采用自 适应的权值修正法，得到电机的供电电压。由

20、于整个控制系统采用双 路控制的形式，采用PI调节器是为了使系统的稳态误差小，克服由 于模糊控制不易于进行稳态无差控制的弊病。并且，利用PI调节器来给出控制电压的基本值；采用模糊控制器是为了使系统的快速性好， 且超调量较小。为了调节两者的连接权值，借鉴了神经网络理论中的 自适应的权值修正算法。针对Fuzzy-PI调节器设计了系统仿真模型。整个系统的框图如 图2所示，在整个系统中，采用了模糊控制和 PI控制器的双路独立 设计方法，并采用了自适应的加权方法将两路信号相加。在系统的设计中为了减小稳态误差，对 PI调节器的设计采用了比较大的比例系 数，同时，为了减小前期误差对后面控制精度的影响，而相应的

21、积分 系数选择较小。b自送座杈 值怦正匚采祥睛毓F&T連BLLXMp?2複糊控制系茫结构框图直流电机调速系统的运动增强学习控制适用于重复运动轨迹的 系统。控制系统由前馈和反馈两部分组成， 无模型学习自适应反馈控 制算法为系统稳定性提供了保障，迭代学习控制算法作为前馈控制去 补偿系统的非线性、未知动态和干扰，因此增强了系统单独应用PID或无模型学习自适应控制算法时的控制性能，通过与传统PID和无模型学习白适应控制算法的仿真比较，验证了采用智能前馈控制的优势。无刷直流电机调速系统神经网络自适应滑模变结构控制器运用了滑模变结构控制理论，通过调节端电压来实现对电机速度的控制，换相由霍尔元件位置检测来实

22、现；从实际应用的角度出发，采用径向基神经网络(Radial Basis Function Neural Network, RBFNN) 非线 性函数估计器，对变结构控制量中的不确定项进行动态估计，补偿到控制量中，很好地抑制了系统抖振。该方法控制无刷直流电机，超调 量小，速度响应快，控制精度高，且系统对各种干扰和参数摄振具有 较强的鲁棒性，动、静态性能均优于PID控制。直流电机前景综述首先，电力电子技术自诞生以来，发展极为迅速，功率器件经历 了晶闸管、GTR MOSFETIGBT的发展过程，使得功率半导体器件的 性能得以提高，也促使了驱动电路的飞速发展。近几年，随着微电子 技术的发展， 智能功率

23、集成电路得以进一步发展并普及， 为功率器件 实现智能化、高频化、小型化创造了条件，这一切都为直流电机的驱 动线路性能的提高开辟了道路。 电力电子技术作为一门极具发展潜力 的新兴技术，相信在将来必定能为直流电机技术的发展提供动力。其次，微型计算机 （含单片机 ）自出现以来，便以其集成度高、功 能强、体积小、功耗低、价格低廉、灵活方便等一系列优点，广泛应 用于国防、地质、教育、经济、日常生活等各个领域，发挥着巨大的 作用。当前微型计算机控制系统的发展，也促进了控制理论的发展。 在电机控制领域， 电机性能的改善提高受到许多客观因素的制约影响。 因此，电机控制技术的发展和控制器的发展显得更加密切， 随着计算 机控制技术的发展，尤其的DSP芯片的出现，人们更加注意到从提高 控制器的性能来提高永磁无刷直流电机的性能， 并取得了良好的效果。 借助于高性能DSP芯片，系统辨识、最优控制、自适应控制等理论也 被引入到电机控制策略中来， 从而推动了直流电机朝着智能化、 柔性 化和全数字化方向发展。最后，随着多功能传感器的问世，除了检测磁极位置外，还能够 进行速度及伺服位置的检测。 检测技术的发展， 必将导致更为先进的 速度及位置辨识方法的产生，从而推动直流电动机的应用和普及。