直流電動機與調(diào)速理論基礎(chǔ)概述1.1直流電動機基本知識1.1.1無刷直流電機的發(fā)展歷程無刷直流電機自投入運行以來，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在此之前，發(fā)動機一直使用機械刷。這種皮帶有機械刷由于其體積大，效率低，浪費了大量的能源成本很高，特別是在操作過程中。有許多新的電子設(shè)備，占有重要地位的晶體管是由整流電路,這個電路的出現(xiàn),機械毛刷,可以讓汽車不需要直流發(fā)動機的各方面性能都有了明顯的改善，自第一次出現(xiàn)問題以來就無人過問直流電刷發(fā)動機，是在很短的時間內(nèi)推廣的。。由于這種電機它能做到體積小，效率高，使得它在輕工業(yè)領(lǐng)域中有許多應(yīng)用，如紡織廠的紡織機械、制砂機、食品廠的攪拌機、造紙廠的軋輥機等等。到目前為止，人們的日常出行方式中都有無刷直流電機的身影，如大城市的地鐵，越來越多的電動汽車以及一些城市公交車都是使用無刷直流電機供電。無刷直流電動機的發(fā)展過程是非?？斓?，有刷直流電動機從發(fā)明到推廣使用近二十年，而無刷直流電動機的推廣只花了短短的十年時間。到目前為止，無刷直流電機已經(jīng)在許多尖端技術(shù)中得到了應(yīng)用，特別是在航天領(lǐng)域，如發(fā)射衛(wèi)星進入太空，太空衛(wèi)星的太陽能電池板的打開是由無刷直流電機驅(qū)動，月球探測車到月球。在當(dāng)今人們的日常生活中，無刷直流電機越來越有用，人們在高層不同樓層之間穿梭的電梯;過去，當(dāng)人們旅行時，無人機可以拍攝風(fēng)景的航拍照片;家用自動展開和折疊的衣架，全部使用無刷直流電機。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無刷直流電動機將被應(yīng)用于載人飛機、電動船、人形機器人等領(lǐng)域，無刷直流電動機將越來越有用。1.1.2無刷直流電機的結(jié)構(gòu)特點無刷直流電動機它不同于有刷電動機，它的設(shè)計結(jié)構(gòu)非常的巧妙，它的出現(xiàn)解決了很多工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)電變電方面的問題。之所以說它結(jié)構(gòu)巧妙，是因為它使用了永磁體轉(zhuǎn)子，在無刷直流電機出現(xiàn)前，普通有刷直流電機使用的是定子勵磁。無刷直流電機的最核心的部分，也是最具有創(chuàng)新的地方要屬它用電子換向器取代機械換向器和電刷。如下圖1.1為無刷直流電機的原理圖。無刷直流電動機中三相繞組要優(yōu)于多相繞組，同時采用三相繞組，其繞組利用率也越高，電阻壓陣減小，工作效率增大。因此，一般使用具有三相繞組的無刷直流電機居多[8]。圖1.1無刷直流電動機結(jié)構(gòu)原理圖1.1.3無刷直流電機的展望無刷直流電動機有很多優(yōu)點，無刷直流電動機體積輕，使用壽命長，工作效率非常高，而且沒有噪音小，主要性能非常穩(wěn)定，使用非常安全，以其良好的性能，首先應(yīng)用于無刷直流電動機(BLDCM)和一些小家電的消聲，從小型相機和手機到大型汽車和空調(diào)。雖然我國剛開始使用無刷直流電動機，但是無刷直流電動機很快就被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域，并形成了一條產(chǎn)業(yè)鏈。另外，近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，無刷直流電動機的研發(fā)速度加快，其成本開始降低。產(chǎn)量的增加導(dǎo)致成本的降低，因此被大量應(yīng)用于模型領(lǐng)域，如電動遙控車、電動模型飛船等。高效節(jié)能電機是當(dāng)前市場的主流，也是社會的需要，所以無刷直流電動機的未來發(fā)展前景是很好的。隨著電力作為未來的能源設(shè)備將越來越多，隨著國家對環(huán)保重視程度的加深，無刷直流電機作為電廠設(shè)備將逐漸取代內(nèi)燃機作為電廠設(shè)備，就像現(xiàn)在，電動汽車越來越普及，電動公交車在公交車數(shù)量中所占比例越來越大。無刷直流電動機對國家和社會的未來發(fā)展至關(guān)重要。1.2直流電動機的調(diào)速方法直流電機的轉(zhuǎn)動速度n的表達式為公式（1.1）；（1.1）下面為對直流電動機轉(zhuǎn)速控制的三個方法：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：通過改變電樞電壓Ua而造成轉(zhuǎn)速發(fā)生變化[10]。恒功率調(diào)速：減弱磁通造成主磁通的改變來實現(xiàn)。電樞外串聯(lián)電阻調(diào)速：電樞電路電阻Ra阻值變化從而實現(xiàn)有級調(diào)速，但是這種調(diào)速方式效率很低。在穩(wěn)速方面：系統(tǒng)在有干擾的情況下運行，其運行精度不變且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不會有所改變，不會在運行過程中出現(xiàn)大波動而影響整個系統(tǒng)。在加、減速方面：系統(tǒng)頻繁啟動或關(guān)閉，需要通過加速或者減速來完成，這樣能提高一定的工作效率。想要了解調(diào)速系統(tǒng)就需要了解系統(tǒng)的性能指標(biāo)，只有了解系統(tǒng)的性能指標(biāo)才能更好的運用系統(tǒng)進行調(diào)速。(一)調(diào)速范圍D（1.2）(二)靜差率S靜差率的表達式為：（1.3）由上述表達式可推斷調(diào)速范圍和靜差率對系統(tǒng)的調(diào)速都有影響，要同時升高兩個性能指標(biāo)才有意義，靜差率用來判斷負載變化時轉(zhuǎn)速是否恒定。最低速靜差率：（1.4）（1.5）而調(diào)速范圍為：（1.6）將上式（1.5）中代入式(1.6)得（1.7）由式(1.7)可見，如果調(diào)速系統(tǒng)對于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平穩(wěn)性要求較高，則靜差率會很小，系統(tǒng)允許的調(diào)速范圍也會隨之變少，這樣可以保證整個調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，因為控制系統(tǒng)包含了兩個閉環(huán)，所以被稱為雙閉環(huán)系統(tǒng)，在整個調(diào)速系統(tǒng)中，它是由兩個閉環(huán)組成，這兩個閉環(huán)控制效果不同，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)。其原理如圖1.2所示。圖1.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR—電流調(diào)節(jié)器，TG—測速計，GT—晶閘管觸發(fā)器，V—整流裝置。下面對調(diào)速系統(tǒng)的特性去具體分析，對于特性的分析，可以選擇從穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖出發(fā)來研究它的特點，只有從穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖來進行分析，才能具體的對整個系統(tǒng)的每一個部分進行詳細的了解，去研究系統(tǒng)的每一個部分所起到的功能，以及系統(tǒng)的運行過程。如圖1.3所示。圖1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖對于電流環(huán)來說在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，它的輸入偏差電壓可以用下列關(guān)系來表達：===0，即。其中為電流反饋系數(shù)。當(dāng)一定，為使整流裝的輸出電流保持在的恒定數(shù)值，當(dāng)時，其系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程為：在系統(tǒng)調(diào)節(jié)完畢后電流保持穩(wěn)定。當(dāng)電流下降時，調(diào)節(jié)過程的原理與上面所述內(nèi)容類似。（2）以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)它的主要功能就是先檢測電動機轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和設(shè)定的轉(zhuǎn)速差值反饋給控制器，進行調(diào)整對電動機的控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，即。當(dāng)一定時，轉(zhuǎn)速n將恒定在。當(dāng)時，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程為：負載雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時，調(diào)節(jié)過程跟上述過程原理相似。系統(tǒng)有兩種狀態(tài)：當(dāng)系統(tǒng)的輸出達到限副值，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)達到飽狀態(tài)，相當(dāng)于開環(huán)；（2）如果在系統(tǒng)輸出的值還沒有達到系統(tǒng)的限定幅值時，系統(tǒng)會進行改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器數(shù)值大小的操作，并且這一操作會持續(xù)到輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時的數(shù)值大小為零。如圖1.4為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性。圖1.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，它的參數(shù)的計算過程如下：如果在兩個調(diào)節(jié)器都是在不飽和的狀態(tài)下這種情況時，但是對于整個系統(tǒng)而言，系統(tǒng)是處于穩(wěn)定狀態(tài)時，整個系統(tǒng)它的內(nèi)部各個變量的關(guān)系表達式為：（1.8）（1.9）（1.10）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（1.11）電流反饋系數(shù)（1.12）其中，和分別是最大轉(zhuǎn)速給定電壓及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓。下圖1.5為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，對于系統(tǒng)的動態(tài)特性，可以用下列數(shù)學(xué)模型來表示：對于PI調(diào)節(jié)器來說，它的傳遞函數(shù)就是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，其傳遞函數(shù)分別為：（1.13）（1.14）圖1.5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖1.4理論計算根據(jù)上面幾節(jié)對于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的理論分析和研究，進行理論計算。假設(shè)直流電機的具體參數(shù)為：W=8.5KW，Ua=220V，Ia=38A，，L=100mH，T=2s，a=1.5，n=1450r/min，Ks=40。對直流電機控制效果的數(shù)值要求：（1）電流超調(diào)量小于5%（2）調(diào)量小于等于30%（3）調(diào)速范圍D=20（4）靜差率小于等于0.031.4.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計（1）確定時間常數(shù)①對于整流裝置來說，它是有滯后時間的，在這里將滯后時間立項化為一個常數(shù)表達為。按表3-1，三相橋式電路它是有失控時間的，這與它的物理機械特性有關(guān)，在這里理想化平均失控時間為=0.0017s。②電磁時間常數(shù)。由公式=L/R=0.1/0.3=0.33s。③電流濾波時間常數(shù)。應(yīng)有，。④電流環(huán)最小時間常數(shù)之和，表3-1晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時間Tsmax/ms平均失控時間Ts/ms單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.671.33三相橋式1.331.67（2）從設(shè)計的要求出發(fā)，下面為選擇的電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)在這里因為考慮到設(shè)計的要求≤5%，所以從前面的理論分析可以知道，選用PI型電流調(diào)節(jié)器比較合適，其傳遞函數(shù)為（1.15）（3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)==0.5s（1.16）（1.17）電流環(huán)開環(huán)增益計算公式：因為根據(jù)設(shè)計要求σi≤5%,在從表3-1查詢可以知道，應(yīng)取=0.5,（1.18）（1.19）（4）校驗近似條件（1.20）滿足滿足滿足（5）計算調(diào)節(jié)器和電容121KΩ12.5μF0.2μF設(shè)計原理圖如圖1.6圖1.6電流調(diào)節(jié)器原理圖該電流環(huán)的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)：=4.1%<5%(見表3-2)滿足要求表3-2典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系1.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計（1）確定時間常數(shù)=（1.21）（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)在這里因為考慮到設(shè)計的要求，所以從前面的理論分析可以知道，選用PI型電流調(diào)節(jié)器比較合適。（1.22）（3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)Σi=5×0.0174s=0.087s（1.23）（1.24）Ce=（1.25）（1.26）（1.27）（4）檢驗近似條件