《直流電動機(jī)論》word版

1、直流電動機(jī)引言Motor as the main mechanical and electrical energy conversion device，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動機(jī)。據(jù)資料顯示，在所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機(jī)。同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動機(jī)的。電動機(jī)與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時(shí)代，電動機(jī)的調(diào)速控制一般采用模擬法，對電動機(jī)的簡單控制應(yīng)用比較多。簡單控制

2、是指對電動機(jī)進(jìn)行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，可編程控制器和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。還有一類控制叫復(fù)雜控制，是指對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩，電壓，電流，功率等物理量進(jìn)行控制。13摘要直流電機(jī)的特點(diǎn)及其發(fā)展概況，然后介紹了直流電機(jī)在工業(yè)控制等領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，同時(shí)闡述了直流電機(jī)控制中有待研究的問題。并在此基礎(chǔ)之上介紹了本課題的選題背景和意義。直流電動機(jī)控制的發(fā)展歷史常用的控制直流電動機(jī)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(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍

3、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(jī)-電動機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、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(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動機(jī)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(jī)、電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別

4、是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn):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(dú)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(qiáng)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(diǎn)，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(jī)組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(放大倍數(shù)1000)高10倍;在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級，而晶閘

5、管變流裝置為毫秒級。14從20世紀(jì)80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機(jī)電動機(jī)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(shí)，控制電路也實(shí)現(xiàn)了高度集成化、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(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動機(jī)控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使直流電氣傳動控制系統(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)國家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的

6、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。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電動機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。例如，軍事和宇航方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動器，各種光盤驅(qū)動器，繪圖儀，掃描儀，打印機(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電

7、扇等的控制。Along with the computer, the development of micro-electronics technology and the constantly emerging of the new power electronic power devices, the control strategy of the motor is also profound changes have taken place. Motor control technology due to the development of microelectronics techn

8、ology, power electronics technology, sensor technology, permanent magnetic material technology, the latest development of computer application technology achievements. Frequency conversion technology and pulse width modulation technology has become the mainstream of motor control technology。正是這些技術(shù)的進(jìn)

9、步使電動控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。其中，電動機(jī)控制策略的模擬實(shí)現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器，通用計(jì)算機(jī)，F(xiàn)PGA/CPLD，DSP控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。電動機(jī)的驅(qū)動部分所采用的功率器件經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐漸成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。其中，脈寬調(diào)制（PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動機(jī)，如永磁直流電動機(jī)，交流伺服電動機(jī)，超聲波電動機(jī)等。

10、由于有微處理器和傳感器作為新一代運(yùn)動控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運(yùn)動控制系統(tǒng)為智能運(yùn)動控制系統(tǒng)。所以應(yīng)用先進(jìn)控制算法，開發(fā)全數(shù)字化智能運(yùn)動控制系統(tǒng)將成為新一代運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。17在那些對電動機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機(jī)床，工業(yè)縫紉機(jī)，磁盤驅(qū)動器，打印機(jī)，傳真機(jī)等設(shè)備中，要求電動機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負(fù)載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機(jī)控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進(jìn)。直流電動機(jī)控制的研究現(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

11、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(jī)，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(qiáng)大的通訊功能使它易和PLC等各種器件通訊組成整個(gè)工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，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整個(gè)控制器體積小型化，彌補(bǔ)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(diǎn)，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。18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

12、司、美國的GE公司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個(gè)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:綜合性最優(yōu)控制，補(bǔ)償PID控制，PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)。19隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)具有開關(guān)速度快、驅(qū)動簡單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。因此我國直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（pulse width modulation

13、,簡稱PWM）方向發(fā)展。16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(jià)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。12主要研究內(nèi)容及意義由于變頻技術(shù)的出現(xiàn)，交流調(diào)速一直沖擊直流調(diào)速，但綜觀全局，尤其是我國在此領(lǐng)域的現(xiàn)狀，再加上全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性，直流調(diào)速系統(tǒng)仍將處于十分重要地位。對于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有穩(wěn)速、調(diào)速、加速或減速三個(gè)方面，而在工業(yè)生產(chǎn)中對于后兩個(gè)要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，穩(wěn)速要求即以一定的精度在所

14、需要的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動。穩(wěn)速很難達(dá)到要求原因在于數(shù)字直流調(diào)速裝置中的PID調(diào)節(jié)器對被控對象及其負(fù)載參數(shù)變化適應(yīng)能力差。直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型很容易得到，這使得經(jīng)典控制理論在己知被控對象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計(jì)的前提得到滿足，大部分?jǐn)?shù)字直流調(diào)速控制器就是建立在此基礎(chǔ)上的。然而，在實(shí)際的傳動系統(tǒng)中，電機(jī)本身的參數(shù)和拖動負(fù)載的參數(shù)并不如模型那樣一成不變，尤其對于中小型電機(jī)，在某些應(yīng)用場合隨工況而變化;同時(shí)，直流電機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控對象，許多拖動負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素，因此，被控對象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性常參數(shù)PID調(diào)節(jié)器顧此失彼，不能使系統(tǒng)在各種工況下

15、都能保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)，往往使得控制系統(tǒng)的魯棒性差，特別是對于模型參數(shù)大范圍變化且具有較強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，常常不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響。在工程上，這種控制器就很有可能滿足不了生產(chǎn)的需求，如:軋鋼工業(yè)同軸控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯傳動裝置、軋輥磨床拖板電控系統(tǒng)等都需要在生產(chǎn)過程中保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速要求，而生產(chǎn)負(fù)載參數(shù)卻是隨著工況變化的。7模糊控制不要求被控對象的精確模型且適應(yīng)性強(qiáng)，為了克服常規(guī)數(shù)字直流調(diào)速裝置的缺點(diǎn)，可將模糊控制與PID調(diào)節(jié)器結(jié)合，形成fuzzy-PID復(fù)合控制方案，設(shè)計(jì)能在負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非

16、線性因素的影響下均可以滿足控制穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度要求的直流電機(jī)控制器。5直流電機(jī)的運(yùn)行原理其中，固定部分有磁鐵，這里稱為主磁極；固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組。(其中2個(gè)小圓圈是為了方便的表示該位置上的導(dǎo)體電勢或電流的方向而設(shè)置的)上圖表示一臺最簡單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向

17、片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。1直流電機(jī)的基本工作原理直流電機(jī)，如果去掉原動機(jī)，并給兩個(gè)電刷加上直流電源，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然

18、使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。4 實(shí)用中的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機(jī)。直流電機(jī)的調(diào)速原理眾所周知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為: 式中:U-電樞端電壓I-電樞電流R-電樞電路總電阻-每極磁通量K-與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)由上式可知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種:(1)調(diào)節(jié)電樞電壓U。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);(2)改變電機(jī)主磁通

19、中只能減弱磁通，使電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小;(3)改變電樞電路電阻R在電動機(jī)電樞外串電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機(jī)械特性軟、效率低。改變電樞電路電阻的方法缺點(diǎn)很多，目前很少采用:弱磁調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用;因此，自動調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，這也是論文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)所采用的方法。改變電樞電壓主要有三種方式:旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（PWM）變換器(或稱直流斬波器)。(l)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)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)

20、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(yùn)行有噪音、維護(hù)不方便。(2)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(jī)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的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機(jī)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。(3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實(shí)現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時(shí)間比

21、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。絕大多數(shù)直流電動機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。展望 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方案層出不窮，并且控制效果也越來越好，有關(guān)模糊控制在直流調(diào)速中的應(yīng)用還有以下方案值得研究：(1)自適應(yīng)Fuzzy control方法在直流傳動控制系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)用化研究。目前最具有工程應(yīng)用前景、最能體現(xiàn)模糊控制優(yōu)勢的，是能夠在線進(jìn)行模糊模型辯識、在線根據(jù)模型變化進(jìn)行控制規(guī)則和參數(shù)自調(diào)整的模糊控制算法，而如果能把這種辯識和控制算法簡化到可在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，則模糊控制和智能控制的應(yīng)用將會跨上一個(gè)新臺階。(2)基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等自適應(yīng)方法的研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的