直流電動機速度控制系統
直流電動機具有良好的起、制動性能，并能在寬廣范圍內平滑調速，所以它一直是電氣傳動自動控制系統的主要角色，在軋鋼機、礦井提升機、挖掘機、海洋鉆機、起重機、金屬切削機床、造紙機、紡織機等傳動系統中得到了廣泛應用。
幾種直流電動機調速系統介紹：
通過學習，我們了解到改變電樞電壓調速是直流調速系統的主要方法。早期是由交流電動機拖動直流發電機(G)實現變流，由發電機給需要調速的直流電動機(M)供電，調節發電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而改變直流電動機的轉速。這樣的調速系統簡稱G-M系統，該系統可以在四象限運行。由于該系統至少需要兩臺與調速電動機容量相當的旋轉電動機，因而設備多、體積大、費用高、效率低、噪聲大、維護不方便。為了克服這些缺點，20世紀60年代開始采用更為經濟可靠的晶閘管變流裝置。晶閘管變流器的功率放大倍數及控制作用的快速性也遠優于變流機組。由晶閘管變流器V向電動機M供電的系統簡稱V—M系統。
隨著電力電子技術的發展，出現了可控制關斷的即自關斷電力電子器件——全控式器件。如電力晶體管(GTR)、可關斷晶閘管(GTO)、功率場效應晶體管(POWER MOS—FET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、MOS控制晶閘管(MCT)等。采用全控型開關器件很容易實現脈沖寬度調制，與半控型開關器件晶閘管變流器相比，體積可縮小30％以上．裝置效率高，功率因數高。同時由于開關頻率的提高，直流脈沖寬度調制傳動系統與v—M傳動系統相比，電流容易連續，諧波少，電動機損耗和發熱都較小，低速性能好，穩速精度高，系統通頻帶寬，快速響應性能好，動態抗擾能力強�；谏鲜龅母鞣N優點，自關斷電力電子器件作為主開關器件的直流脈寬調制傳動控制系統將逐步取代v—M系統。所以本節將以較少的篇幅介紹G-M系統和V—M系統，對直流脈寬調制傳動控制系統則將在其他節中給予較詳細的介紹。
1、發電機一電動機調速系統(G M系統)
發電機一電動機調速系統如圖5 2所示，發電機一電動機調速系統是由單獨的直流發電機供電給
直流他勵電動機的。直流發電機一般由三相異步電動機帶動，在大容量時，使用同步電動機。直流電動機和發電機的勵磁一般由單獨的勵磁電源供電。
在發電機 電動機調速系統中，直流電動機使用了單獨的發電機供電，所以通過調節發電機勵磁
回路中的附加電阻Rf，即可調節發電機的輸出電動勢E1，從而改變了電動機的電樞電壓，實現了調
速的目的。
發電機一電動機組的機械特性方程式具有以下形式：
式中E1——直流發電機的電動勢(v)；
φn——直流電動機的磁通(Wb)：
RF1——直流發電機的電樞電阻(Ω)；
RD1——直流電動機的電樞電阻(Ω)：
KT—電動機轉矩結構系數；
KE——電動機電動勢結構系數。
由式(5—6)可看出，在電動機磁通不變時，調節發電機的電動勢，即改變了電動機的電樞電壓，電動機的理想空載轉速即隨之改變，但機械特性斜率不變，在不同E1時特性是互相平行的，只是電動機的機械特性比電網供電時的機械特性斜率大，這是由于主回路的總電阻增大(Rf1和RD1)的緣故。
這種調速方法由于投入設備多、體積大、費用高、效率低、噪聲大、維護不方便等缺點，除非特殊場合和需要，現在一般很少使用。
2、晶閘管一電動機直流調速系統(V—M直流調速系統)
如果生產機械對靜差率要求不高的話，那么采用開環系統就可滿足要求了。然而在工業部門中，許多調速系統都要求有較高的靜差率，如龍門刨床工作臺的拖動要求有較高的靜差率s≤O 05，『]=20，開環系統是不能滿足此要求的，因此必須采用閉環調速系統。根據反饋量的不同，可有轉速、電流等負反饋調速系統。圖5—3給出的是晶閘管直流電動機轉速負反饋單閉環控制調速系統框圖。
該系統用與電動機同軸相連的測速發電機TG作為速度反饋元件，其輸出En=KFn，正比電動機的轉速n。從電位器RP2得到轉速負反饋電壓uF。它與從轉速給定電位器RP、上取得的電壓u。比較后，得到偏差電壓△u=uG一uF，經放大器放大后，便成為晶閘管觸發裝置的控制電壓uC。晶閘管的觸發電路在uC的控制下改變晶閘管可控整流器的觸發延遲角
a，從而輸出一定的直流電壓u，使電動機在一定的轉速下旋轉。
當電動機帶動的機械負載增加時，電動機轉速下降，速度反饋電壓減小，從而使偏差電壓增大，uC增大，觸發延遲角a減小，使輸出到電動機電樞的直流電壓變大，電動機轉速回升，于是電動機轉速基本穩定在原來的轉速上。當機械負載減小列，系統也可以自動調整轉速，使速度基本保持不變，故調速系統的靜差率非常小。由于該系統只有一個轉速反饋環，故稱為單閉環控制調速系統。
在轉速反饋的基礎上，再增加對電樞電流負反饋控制環節，就構成轉速、電流雙閉環控制的直流調速系統。雙閉環控制的直流調速系統中的電流環主要發揮兩個方面的作用：
1)限制電動機起動和過載時的沖擊電流，以保護電動機和過載能力較低的晶閘管可控整流電路。
2)在電動機起動、制動過程中保持****允許電流在一段時間內不變，以使拖動系統用****的加速度起動，起動電流成矩形，電動機轉速線性增長，從而實現****受限電流下的快速起、制動。
晶閘管一直流電動機轉速控制調速系統由于其電路簡單、控制靈活、體積小、效率高以及沒有旋轉噪聲和磨損等優點，在一般工業應用中，特別是大功率系統中一直占據著主要的地位。但是當系統運行在較低速時，晶閘管的導通角很小，系統的功率因數相應也很小，并產生較大的諧波電流，使轉矩脈動大，限制了調速范圍。必須加大平波電抗器的電感量來克服上述問題，但電感大又限制了系統的快速性。功率因數低、諧波電流大，還將引起電網電壓波形畸變。變流器設備容量大還將造成所謂的“電力公害”，在這種情況下必須增設無功補償和諧波濾波裝置。
2、直流脈寬調速系統
隨著大功率電力電子器件的快速發展，直流脈沖寬度調制(PwM)型的調速系統的研制和應用越來越廣。與V--M系統相L-L，直流脈寬調速系統的突出優點是：
1)由于可采用較高的開關頻率，電樞電流僅依靠電樞電感或附加較小的電抗器便可連續，所以電動機損耗發熱都較小。
2)由于開關頻率高，系統的頻帶寬，快速性好，動態抗干擾能力強。
3)低速時電流脈動和轉速脈動都很小，穩速精度高，調速范圍寬。
4）主回路的功率晶體管工作在開關狀態，所以損耗小，裝置的效率高。并且所需的功率器件少，電路簡單，控制方便。
1。脈寬調制調遮的基本原理
(1)不可逆脈寬調制調速電路不可逆脈寬調制調速電路如圖5—4所示。圖中v為功率晶體管，c為濾波電容，VD為續流二極管。直流電壓u可由三相交流電通過整流得到功率晶體管的基極用一個脈寬可調的電壓Ub驅動。
在一個開關周期內，當0機兩端電壓ud等于U，如圖5—5所示。當ton≤t二極管VD續流，電動機兩端電壓ud等于零。這樣，電動機上獲得的平均電壓為
式中的P為占空比，改變晶體管基極控制電壓Ub的脈沖寬度即可改變p。這樣就可以在電動機電樞兩端獲得不同大小的平均電壓(即直流電壓)Ud，從而達到單方向調速的目的。這種通過調節晶體管基極控制電壓Ub的脈沖寬度來調節電動機電樞電壓大小的調速方法稱脈寬調速PWM(Pulse Width Moduia}10n)。
(2)可逆脈寬調制調速電路 目前應用較廣的一種可逆直流脈寬調速系統的基本電路如圖5—6所示。該電路通常稱為雙極式H形PwM變換器電路。三相交流電經整流濾波變成電壓恒定的直流電壓，V1～V4為四只大功率晶體管，工作在開關狀態，其中處于對角線上的一對晶體管的基極因接受同一控制信號而同時導通或截止。
當0端電壓為正，電樞電流id1沿回路I流動；當ton≤t體管V2和V3同時導通，在為負值的ub1=ub4驅動下，V1和V4截止，這時直流電源電壓u加在電樞BA端，電樞兩端電壓為負．電樞電流id1沿回路2流動，其各電壓和電流波形如圖5—7所示(id1對應于電動機負載較重的情況，id2對應于電動機負載較輕的情況)。
雙極式可逆PwM變換器的“可逆”作用，由加在電樞兩端正負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖較寬，即ton>T／2時，則電樞兩端的平均電壓uAB為正值，電動機正向運行；當正脈沖較窄，即ton>T／2時，則電樞兩端的平均電壓uAB為負值，電動機反向運行；如果正負脈沖寬度相等，ton>T／2時，則電樞平均電壓為零，電動機停止轉動。圖5—7給出的是電動機正轉時的情況。
2．典型的雙閉環脈寬調制調速系統
一個典型的晶體管雙閉環脈寬調速系統如圖5 8所示。它由速度調節器AsR、電流調節器AcR、三角波發生器、電壓一脈沖轉換電路uPw、脈沖分配和驅動輸出電路、主電路、直流電動機M、速度反饋、電流反饋、整流電源以及過電流保護、泵升限制等電路組成。下面分別對幾個主要組成部分進行分析。
(1)主電路主電路采用雙極式H形PWM變換器電路，前面已經進行過較詳細的討論，這里不再復述。
(2)速度調節器ASR和電流調節器ACR速度給定電壓U。有兩種極性，為正時電動機正轉；為負時電動機反轉。速度反饋電壓Unf的極性由測速發電機(或碼盤)對主電動機的轉向鑒別得到。電流負反饋的大小和極性由反映電動機電樞電流大小和極性的電流互感器TA得到(如霍耳電流變換器)。
為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實現串級連接。即把速度調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再把電流調節器的輸出電壓作為電壓一脈沖轉換電路UPW的輸入電壓，控制輸出脈沖的寬度。從閉環結構上來看，電流調節環在里面，稱作內環；速度調節環在外面，稱作外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。
為了獲得良好的靜、動態特性，雙閉環調速系統的兩個調節器一般都采用比例積分調節器(PI調節器)，其電路如圖5—9所示。在圖中標出了兩個調節器輸入輸出電壓的實際極性。圖中還表示出兩個調節器都是帶有限幅環節．
(3)三角波形發生器三角波形發生器電路如圖5一lO所示。
三角波發生器是由運算放大A1和Az組成，A1處正反饋工作狀態，它的輸出電壓不是正飽和值就是負飽和值。電阻R3和穩壓管Vs組成一個限幅電路，限制A1輸出電壓的幅值。A2為一個積分器，當輸入電壓u1為正時．其輸出電壓u2向負方向變化；當輸入電壓u1為負時，其輸出電壓u2向正方向變化。當輸入電壓u1正負交替變化時，它的輸出電壓u2就變成了一個三角波，u1和u2的波形見圖5一11
改變積分時間常數R4c的數值可以改變三角波電壓u2的頻率，，改變電阻R5、R6的比值可以改變三角波電壓u2的幅值，調節電位器RP滑動點的位置可以獲得一個對稱的三角波電壓。
(4)電壓一脈沖變換器(uPw) 電壓脈沖變換器電路如圖5—12所示。組成電壓脈沖變換器(uPw)的運算放大器A工作在開環狀態，接成一比較器電路，所以輸出電壓只能在正飽和值和負飽和值之間變化。輸出的是脈沖信號。
電流調節器的輸出信號uC加到比較器的反向端，三角波加到同相端，改變uC的大小和極性，就可以調節輸出脈沖電壓的寬度。三角波的線性度很好，可以保證脈沖電壓寬度同控制電壓uC的大小成正比。脈沖電壓寬度同控制電壓uC關系的見圖5—13。
(5)脈沖分配器 脈沖分配器的作用是把uPw電路產生的一串正的矩形脈沖電壓經光電隔
離電路和功率放大電路分配到主電路中各被控晶體管的基極。其電路如圖5—14所示。
從電路可知，當upw信號為高電平時，u1輸出低電平，u2輸出高電平，從而使發光二極管vL0
發光，光敏晶體管V0導通，通過功放電路送出基極驅動信號ub1、ub4直接驅動圖5—6所示的雙極式H形PwM變換器電路中的晶體管v1和v4同時導通。與此同時，H形PwM變換器電路的晶體管v2
和V3因u2輸出高電平而截止。
當upw信號為低電平時，u2輸出低電平，u1輸出高電平，從而使發光二極管VL1發光，光敏晶
體管V1導通．通過功放電路送出基極驅動信號ub2、ub3晶體管V2和V3同時導通：與此同時，
PwM變換器電路的晶體管V1和v4因u1輸出高電平而截止。讀者不難看出，處于對角線上的一對晶
體管導通時，另一對角線上的一對晶體管必然截止。隨著upw控制信號的周期性變化，主電路中的
晶體管交替導通、截止，達到脈寬調速的目的.
(6)泵升限制電路 當脈寬調速系統的電動機減速或停車時，存儲在電動機和機械負載系統轉動部分的動能將變成電能，并通過PWM變換電路回饋給直流電源：一般直流電源由不可控的整流器供電，不可回饋的電能只好對濾波電容充電而使電源電壓升高，這種現象稱為“泵升電壓”。
“泵升電壓”過高時，將會對PWM主電路造成損害.因此通常在濾波電容兩端并聯一個泵升電壓限制電路，當電容電壓(也就是直流電源電壓)超過預定電壓umax時，限制電路接通，把回饋能
量的一部分消耗在能耗電阻上，從而起到保護電路的作用。
應當指出，早期的PwM調速控制系統中的控制電路部分多采用分立元件和單元集成電路組成，近年來已經有多種專用集成PwM控制芯片面世，并得到廣泛的使用。如摩托羅拉公司的Mc3420、Mc34060、西肯尼公司的sG3525、sGl527、SGl731、德州儀器公司的T1494等。集成PwM
控制芯片集我們前面講述過的各控制電路的功能于一身，而且對PWM調速控制主電路有多種保護功能。它的實用使PWM調速控制系統接線變得簡單，實用可靠，方便靈活，便于調試。在實際應用中已經十分普遍，也推動了PWM技術的發展。
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