電動機的速度控制
王季秩（電子工業(yè)部第21研究所）
【摘 要】隨著工農業(yè)生產和國防工業(yè)的發(fā)展，電動機的調速技術已成為專門的研究課題。文中介紹電動機調速的要求，并著重對直流電動機、交流電動機、步進電動機、開關磁阻電動機的調速電路作了分析，指出調速系統(tǒng)的數(shù)字化是發(fā)展方向。
【敘 詞】直流電動機交流電動機步進電動機／開關磁阻電動機速度控制調速系統(tǒng)電路
數(shù)字化
1概述
電動機的速度控制（文中簡稱電機調速）是伴隨電機的誕生而出現(xiàn)，隨著工農業(yè)和國防的發(fā)展，電機的速度控制技術已成為專門研究課題，并擺到十分重要地位。
從電機發(fā)展歷史來看，首先誕生的是直流電機，它可以較方便地利用調節(jié)電樞電壓或激磁電流，實現(xiàn)電機調速。交流感應電動機的出現(xiàn)，給調速增加困難，因沒有激磁電路，無法調節(jié)激磁，調節(jié)電樞電壓也難以調速。交流同步電動機雖有激磁電路，但調激磁難實現(xiàn)調速。因此，交流電機的調速是電機界面臨的難題。電子學的興起與發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的誕生及電子產品的廣泛應用，促使電機、電子、計算機、自動控制等學科相互結合，使電機調速技術進入嶄新階段。尤其當數(shù)字控制的產生、發(fā)展和應用，電機的控制面貌就大大改觀了。因此，調速技術促使宇航、海洋、她面、家電等所有領域中控制技術的飛躍發(fā)展。
電動機的速度控制是采用電氣或電子方式使電機的速度變化或保持電機速度為恒定的控制技術。速度控制的對象是電動機，控制的內容不僅僅是速度，還涉及驅動對象的有關參數(shù)，如通過調速實現(xiàn)功率、力矩控制等。
2電機調速的要求
電機調速的要求涉及機、電、熱、光、聲等多方面的技術，不同的應用場合、不同的時期，調速要求是不完全一致的�，F(xiàn)在，就當前應用的系統(tǒng)與裝備的主要要求進行討論。
2.1調速比
調速比是指電動機的速度在滿足一定的精度下，電機的****和****運行速度的比值。電機速度變化有連續(xù)均勻、間斷、多檔次等變化類型。近代，連續(xù)的調速比可達1：100000。
2.2速度精度
速度精度是電動機在一定的輸入和負載的條件下，其速度隨負載或環(huán)境等而變的相對比值。速度精度通常是指靜態(tài)誤差，有些場合還有動態(tài)誤差要求，它稱為瞬時速度精度。
2.3力矩波動
在一定條件下，電機一轉內輸出力矩的變化常用力矩變化的峰一峰值與平均值之比表示。電機在低速下將產生較大的力矩波動。
2.4起停時間
起停時間是起動電機或停止電機的時間，前者電機在負載下從起動到穩(wěn)定速度所需時間。后者是指電機在負載下從運行到停止不轉的時間。以計算出一些常數(shù)，如喀L勢常數(shù)、****加速度等與上述參數(shù)列在一起作為電機應用的重要數(shù)據(jù)。
除了上述！要求外，系統(tǒng)的可靠性、安全工作區(qū)、噪聲振動和抗彳二擾性能等要求均是非常重要的。
2.5力能參數(shù)
電機的力能參數(shù)有輸出力矩、轉速、輸入功率、功率因數(shù)、電流、電壓、溫升、轉動慣量等，這些參數(shù)除額定值之外，還包括起動、制動和逆轉等條件下的允許值。由力能參數(shù)可以計算出一些常數(shù)，如電勢常數(shù)，****加速度等與上述參數(shù)列在一起，作為電機應用的重要數(shù)據(jù)。
除了上述要求外，系統(tǒng)的可靠性、安全工作區(qū)、噪聲振動和抗干擾性能等要求均是非常重要的。
3 電機調速的分類與組成
電機調速可按直流電機、交流電機、步進電機和開關磁阻電機分為4類，但從本質上來看，可分為頻率和轉矩的控制技術。
從圖1可知，速度控制是由速度比較、檢測、校正、控制、電流檢測、比較、校正、控制以及功率驅動等組成�，F(xiàn)就常用電機調速技術作分析。
3.1直流電動機的調速
3.1.1橋式電路的調速
該法懸利用永磁式電機電樞組成橋式伺服電路來檢測和比較速度。根據(jù)電橋平衡原理：
因此，可以調節(jié)VZD大小來改變電機的轉速，見圖2。該電路簡單，只有速度檢測、比較和功率驅動等部分。電路集成化后，元件少、可靠性高、價格便宜，錄音機廣泛采用這種電機調速。這種調速方法是調節(jié)電樞的方法，是屬有差調節(jié)，羹重度精度不高，調速范圍不大。
3.1.2采用測速發(fā)電機的調速
在調速比較寬I均直流電機系統(tǒng)中，大多不用電樞電勢作速度檢測，而是用在電機上附加發(fā)電機檢測速度。在圖3a直流電機系統(tǒng)中，測速發(fā)電機G,作為速度檢測元件，G輸出信號Ec與速度殳定信號ES相比較，經放大器OP和功率驅動Q1后，輸給電機，產生力矩，調節(jié)電機速度。這種電路電機功率驅動簡單，僅適用于小功率系統(tǒng)。較大功率電機系統(tǒng)如圖3b所示的昆；閘管調速系統(tǒng)。近來，采用大功率晶體管調速系統(tǒng)較多。
采用測速發(fā)電機調速，速度精度可以提高，但仍與橋式電路一樣，屬有差調速形式。
3.1.3采用測頻發(fā)電機的調速
采用測頻發(fā)電機FG的調速有稱F/V變換速度控制。它與上述圖二種模擬控制不同，可以組成模擬或數(shù)字二種控制。模擬和數(shù)字的控制方法均是利用發(fā)電機的輸出頻率調節(jié)速度，有稱鑒頻控制。該法有許多控制方法，為了便于與圖2、圖3a二種應用比較，圖4表示采用光電速度傳感器FG作測頻發(fā)電機檢測速度信號的電機調速。圖中采用M519701集成電路取代分立元件。
采用測頻發(fā)電機的調速的原理不是有差調節(jié)形式，但實際上由于存在模擬電路，頻率檢測后輸出產生變化，使電機實際速度偏差不等于零。圖4所示多檔次調速變化的比較電路控制，也可以采用連續(xù)調速的比較電路，實現(xiàn)連續(xù)均勻調速。
3.1.4鎖相回環(huán)的調速
上述三種調速方法均因電機定轉子磁場不同步，導致速度誤差。采用鎖相回環(huán)控制電機速度，可使電機具有同步運行能力，這種調速稱為鎖相式調速方法，其基本組成如圖5所示。
鎖相式調速方法的轉速偏差為零，但其瞬態(tài)仍存在誤差。圖6示出直流無刷電動機 采用鎖相調速的電路組成，其中TC9203P/F為鎖相集成塊。
直流無刷電動機與直流有刷電動機有較大差別。上述調速方法雖能用于無刷電機上，但具體線路差別很大。表1列出四種調速的主要性能數(shù)據(jù)。在實際選用時，應考慮產品的經濟性，才能得到合理的應用。
有些電機調速系統(tǒng)不僅僅要控制轉速，還要控制位置。實際上這種電機調速系統(tǒng)成為具有伺服控制的電機系統(tǒng)，它是運動控制系統(tǒng)的典型。它的組成要比圖1所用常用調速系統(tǒng)增加置回路。用鎖相回環(huán)的調速是位置和速度控制的特例。
3.2交流電動機的調速
3.2.1感應電動機的調速
感應電動機的轉速表達式為：
可見，感應電動機的調速方法有二種。
a．改變同步轉速咒。，調節(jié)電機轉速。改變同步速二種方法，一是變頻f，二是變極P。
b．改變滑差s，調節(jié)電機轉速。
改變滑差s，常用定子調壓和電磁滑差兩種方法實現(xiàn)，電機同步轉速不變。采用滑差的調速法，因為ns不變，將產生附加轉差功率損耗、機械特性變軟籌。因此，它是一種低效型、低性能的調速方法，目前這種方法逐漸被淘汰，僅在小功率電動機中得到應用。圖7示出兩相感應電機的調速。
變同步轉速的調速法不存在上述缺點。采用變極法改變同步轉速ns是一種有級調速，適用性差，使用范圍不廣。采用變頻法改變同步轉速ns實現(xiàn)電機均勻連續(xù)的調速也沒有變滑差調速的缺點，應用廣泛。早期的變頻調速是通過電源的整流、逆變、變頻方法得到，由于電機磁通不能變化，單一逆變、變頻難以實現(xiàn)調速高指標要求。雖然采用恒轉矩、恒****轉矩及恒功率等調速方法可以改善電機調速特性而得到應用，但其機械特性均是非線性，無法達到直流電機調速要求。為此，根據(jù)感應電機轉矩的基本方程：
提出類似直流電機轉矩方程的控制方法，可以得到與直流電機一樣的線性調速控制。通常，它是通過控制電機有效電流的有功與無功分量實現(xiàn)。由于轉矩方程中φm、I2均是轉速函數(shù)，難以由φm、I2直接控制電機轉矩。70年代德國F．Blaockke，W．Floter等提出了矢量變換控制理論，1979年第一臺矢量變換控制的樣機的調速性能與直流電機完全一樣。它標志交流調速進入嶄新階段。
根據(jù)交流電機軸系變換原理，感應電機的三相繞組a、b、c軸系旋轉磁場可變換成三相繞組a、p軸系磁場。上述磁場可以用2個互相垂直直流繞組α、β產生磁場等效，直流繞組磁場的幅值、相位和旋轉速度與交流繞組磁場完全相同。圖8示出軸系變換和磁場等效，它表示電機間矢量變換關系。只要按照交流調速的規(guī)律控制三相電流Va、Vb、Vc。就可籌效地控制id、iq，從而得到和直流電機一樣的控制性能。
實現(xiàn)矢量變換控制三種基本方式，即模擬式、模數(shù)式和數(shù)字式等控制，三者的基本組成和圖1的控制相似，即除主回路外還包括速度回路和電流回路。圖9表示感應電機矢量控制原理圖。
交流電機調速與直流電機調速一樣，有些系統(tǒng)不僅僅要控制轉速，還要控制位置，成為伺服系統(tǒng)。
3.2.2同步電動機調速
同步電動機和感應電動機的主要差別是轉速，從式(3)可知，感應電動機轉速變化因素較多。同步電動機轉速表達式為：
上式表明，同步電機轉速嚴格與逆變器的頻率成正比，大多采用變頻方法控制。
3.2.2.1自同步控制變頻調速
激磁式同步電動機是定子交流供電、轉子直流激磁的電動機。為實現(xiàn)調速，定子是由自換流的變頻逆變器供電，轉子是直流電通過滑環(huán)或帶旋轉式整流器的交流激磁機供電。自控式同步電機的轉矩是由定子電流和轉子磁場大小所決定。如將轉子作為靜止基準，則定子就成為直流電機的電樞。以往，變頻逆變器多采用晶閘管組成電流型裝置，所以這種調速稱為晶閘管無換向器電機的調速。目前，用大功率的晶體管取代晶閘管已很多，圖10示出無換向器電機的調速原理。
3.2.2.2矢量控制變頻調速
永磁式同步電動機采用永磁激磁代替電激磁，采用矢量變換控制理論后，可以達到高性能調速。圖11示出永磁式同步電動機調速框圖，這種調速系統(tǒng)也可分模擬、模數(shù)或數(shù)字式三種控制。數(shù)字式控制性能優(yōu)良、精度高、可靠性好，已成為電機****的控制技術。
3.2.3開關控制變頻調速
矢量控制的同步電機是采用正弦波電量模擬控制，為了提高電機運行效率及簡化線路，用方波電量取代正弦波電量控制電機。它的控制萬法與矢量控制不同，但速度回路完全一樣。圖12示出兩者的不同部分，即除速度回路外的開關控制同步電機調速框圖。開關控制同步電機的電流波形是方波，這種電機與直流無刷電機一樣，具有直流電機特性，圖12若用直流供電代替交流供電，便成為直流無刷電動機調速框圖。
3.3步進電動機的調速
步進電動機是數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)模轉換機械，隨著數(shù)字技術的發(fā)展而得到廣泛應用。雖然步進電機適合于位置控制場合，但從運行原理來說，它也可組成速度控制系統(tǒng)。圖13示出步進電機調速原理。它是變化脈沖發(fā)生器頻率，實現(xiàn)調速。由于步進電機性能的限制，這種調速系統(tǒng)多半限于小功率場合。因此，它的功率驅動較簡單，采用功率晶體管組成電路便可滿足要求。步進電機的驅動系統(tǒng)容易集成化，尤其專用集成電路的發(fā)展，促使系統(tǒng)簡單、可靠與經濟。圖14步進電機系統(tǒng)很簡單，只用單塊集電路SAA1027便能控制。
3.4開關磁阻電動機的調速
開關磁阻電動機是有別于交直流電機、步進電機的一種特殊電動機。它的原理是和交流同步磁阻電機相近，但設計結構不一樣。圖15示出開關磁阻電動機工作原理。從圖可知，開關磁阻電動機的控制電路和直流無刷電動機的電路一樣，但它的調速是通過調節(jié)PWM的調制波頻率達到。圖16示出小功率四相開關磁阻電動機的調速電路，該電路是用分離元件組成，實際上可象直流無刷電機一樣用集成電路組成。
開關磁阻電動機是一種新穎的電動機，在理論和實踐上均在不斷發(fā)展，目前已有小到10W、大到50kW產品可供系統(tǒng)應用。當前，電子、控制、計算機等技術促使其調速技術發(fā)展，克服開關磁阻電動機的缺陷，應引起關注。
除了前述4類電機調速之外，還有交流整流子電動機調速產品在使用中，功率小副幾瓦、大到數(shù)十千瓦。在原理上，它可以通過電壓和頻率調速，不同功率、不同種類產品調速電路差別較大。交流整流子電動機調速電路與交、直流電動機調速電路雷同。
4展望
電動機調速技術從列奧納德直流調速開始，發(fā)展到交流調速的新階段，調速技術有了質的變化。當今，交流調速與30年前交流調速的差別不僅表現(xiàn)在電機進步，更主要是控制技術的變化。
為了進一步提高電機調速技術水平，有必要對三種基本控制技術作一比較。表2列出其對比。由此可認為系統(tǒng)的數(shù)字化是發(fā)展的方向，系統(tǒng)的數(shù)字化將導致系統(tǒng)組成重點由硬件轉向軟件。電機是調速的重要組成，屬模擬式產品。為適應數(shù)字系統(tǒng)的要求，電機要作根本性變革，當前的難題是電機如何轉向數(shù)字化。
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