電動機(jī)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防工業(yè)的發(fā)展，電動機(jī)的調(diào)速技術(shù)已成為專門的研究課題。文中介紹電動機(jī)調(diào)速的要求，并著重對直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)的調(diào)速電路作了分析，指出調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化是發(fā)展方向。
【敘 詞】直流電動機(jī)交流電動機(jī)步進(jìn)電動機(jī)／開關(guān)磁阻電動機(jī)速度控制調(diào)速系統(tǒng)電路
數(shù)字化
1概述
電動機(jī)的速度控制（文中簡稱電機(jī)調(diào)速）是伴隨電機(jī)的誕生而出現(xiàn)，隨著工農(nóng)業(yè)和國防的發(fā)展，電機(jī)的速度控制技術(shù)已成為專門研究課題，并擺到十分重要地位。
從電機(jī)發(fā)展歷史來看，首先誕生的是直流電機(jī)，它可以較方便地利用調(diào)節(jié)電樞電壓或激磁電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。交流感應(yīng)電動機(jī)的出現(xiàn)，給調(diào)速增加困難，因沒有激磁電路，無法調(diào)節(jié)激磁，調(diào)節(jié)電樞電壓也難以調(diào)速。交流同步電動機(jī)雖有激磁電路，但調(diào)激磁難實(shí)現(xiàn)調(diào)速。因此，交流電機(jī)的調(diào)速是電機(jī)界面臨的難題。電子學(xué)的興起與發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的誕生及電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，促使電機(jī)、電子、計(jì)算機(jī)、自動控制等學(xué)科相互結(jié)合，使電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)入嶄新階段。尤其當(dāng)數(shù)字控制的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用，電機(jī)的控制面貌就大大改觀了。因此，調(diào)速技術(shù)促使宇航、海洋、她面、家電等所有領(lǐng)域中控制技術(shù)的飛躍發(fā)展。
電動機(jī)的速度控制是采用電氣或電子方式使電機(jī)的速度變化或保持電機(jī)速度為恒定的控制技術(shù)。速度控制的對象是電動機(jī)，控制的內(nèi)容不僅僅是速度，還涉及驅(qū)動對象的有關(guān)參數(shù)，如通過調(diào)速實(shí)現(xiàn)功率、力矩控制等。
2電機(jī)調(diào)速的要求
電機(jī)調(diào)速的要求涉及機(jī)、電、熱、光、聲等多方面的技術(shù)，不同的應(yīng)用場合、不同的時(shí)期，調(diào)速要求是不完全一致的�，F(xiàn)在，就當(dāng)前應(yīng)用的系統(tǒng)與裝備的主要要求進(jìn)行討論。
2.1調(diào)速比
調(diào)速比是指電動機(jī)的速度在滿足一定的精度下，電機(jī)的****和****運(yùn)行速度的比值。電機(jī)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(diào)速比可達(dá)1：100000。
2.2速度精度
速度精度是電動機(jī)在一定的輸入和負(fù)載的條件下，其速度隨負(fù)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(shí)速度精度。
2.3力矩波動
在一定條件下，電機(jī)一轉(zhuǎn)內(nèi)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(jī)在低速下將產(chǎn)生較大的力矩波動。
2.4起停時(shí)間
起停時(shí)間是起動電機(jī)或停止電機(jī)的時(shí)間，前者電機(jī)在負(fù)載下從起動到穩(wěn)定速度所需時(shí)間。后者是指電機(jī)在負(fù)載下從運(yùn)行到停止不轉(zhuǎn)的時(shí)間。以計(jì)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(jī)應(yīng)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(jī)的力能參數(shù)有輸出力矩、轉(zhuǎn)速、輸入功率、功率因數(shù)、電流、電壓、溫升、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)等條件下的允許值。由力能參數(shù)可以計(jì)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(jī)應(yīng)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(jī)調(diào)速的分類與組成
電機(jī)調(diào)速可按直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)分為4類，但從本質(zhì)上來看，可分為頻率和轉(zhuǎn)矩的控制技術(shù)。
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(qū)動等組成。現(xiàn)就常用電機(jī)調(diào)速技術(shù)作分析。
3.1直流電動機(jī)的調(diào)速
3.1.1橋式電路的調(diào)速
該法懸利用永磁式電機(jī)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(diào)節(jié)VZD大小來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，見圖2。該電路簡單，只有速度檢測、比較和功率驅(qū)動等部分。電路集成化后，元件少、可靠性高、價(jià)格便宜，錄音機(jī)廣泛采用這種電機(jī)調(diào)速。這種調(diào)速方法是調(diào)節(jié)電樞的方法，是屬有差調(diào)節(jié)，羹重度精度不高，調(diào)速范圍不大。
3.1.2采用測速發(fā)電機(jī)的調(diào)速
在調(diào)速比較寬I均直流電機(jī)系統(tǒng)中，大多不用電樞電勢作速度檢測，而是用在電機(jī)上附加發(fā)電機(jī)檢測速度。在圖3a直流電機(jī)系統(tǒng)中，測速發(fā)電機(jī)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(jīng)放大器OP和功率驅(qū)動Q1后，輸給電機(jī)，產(chǎn)生力矩，調(diào)節(jié)電機(jī)速度。這種電路電機(jī)功率驅(qū)動簡單，僅適用于小功率系統(tǒng)。較大功率電機(jī)系統(tǒng)如圖3b所示的昆；閘管調(diào)速系統(tǒng)。近來，采用大功率晶體管調(diào)速系統(tǒng)較多。
采用測速發(fā)電機(jī)調(diào)速，速度精度可以提高，但仍與橋式電路一樣，屬有差調(diào)速形式。
3.1.3采用測頻發(fā)電機(jī)的調(diào)速
采用測頻發(fā)電機(jī)FG的調(diào)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(jī)的輸出頻率調(diào)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(yīng)用比較，圖4表示采用光電速度傳感器FG作測頻發(fā)電機(jī)檢測速度信號的電機(jī)調(diào)速。圖中采用M519701集成電路取代分立元件。
采用測頻發(fā)電機(jī)的調(diào)速的原理不是有差調(diào)節(jié)形式，但實(shí)際上由于存在模擬電路，頻率檢測后輸出產(chǎn)生變化，使電機(jī)實(shí)際速度偏差不等于零。圖4所示多檔次調(diào)速變化的比較電路控制，也可以采用連續(xù)調(diào)速的比較電路，實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻調(diào)速。
3.1.4鎖相回環(huán)的調(diào)速
上述三種調(diào)速方法均因電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場不同步，導(dǎo)致速度誤差。采用鎖相回環(huán)控制電機(jī)速度，可使電機(jī)具有同步運(yùn)行能力，這種調(diào)速稱為鎖相式調(diào)速方法，其基本組成如圖5所示。
鎖相式調(diào)速方法的轉(zhuǎn)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(jī) 采用鎖相調(diào)速的電路組成，其中TC9203P/F為鎖相集成塊。
直流無刷電動機(jī)與直流有刷電動機(jī)有較大差別。上述調(diào)速方法雖能用于無刷電機(jī)上，但具體線路差別很大。表1列出四種調(diào)速的主要性能數(shù)據(jù)。在實(shí)際選用時(shí)，應(yīng)考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，才能得到合理的應(yīng)用。
有些電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)不僅僅要控制轉(zhuǎn)速，還要控制位置。實(shí)際上這種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)成為具有伺服控制的電機(jī)系統(tǒng)，它是運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型。它的組成要比圖1所用常用調(diào)速系統(tǒng)增加置回路。用鎖相回環(huán)的調(diào)速是位置和速度控制的特例。
3.2交流電動機(jī)的調(diào)速
3.2.1感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速
感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：
可見，感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速方法有二種。
a．改變同步轉(zhuǎn)速咒。，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
改變滑差s，常用定子調(diào)壓和電磁滑差兩種方法實(shí)現(xiàn)，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速不變。采用滑差的調(diào)速法，因?yàn)閚s不變，將產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)差功率損耗、機(jī)械特性變軟籌。因此，它是一種低效型、低性能的調(diào)速方法，目前這種方法逐漸被淘汰，僅在小功率電動機(jī)中得到應(yīng)用。圖7示出兩相感應(yīng)電機(jī)的調(diào)速。
變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速法不存在上述缺點(diǎn)。采用變極法改變同步轉(zhuǎn)速ns是一種有級調(diào)速，適用性差，使用范圍不廣。采用變頻法改變同步轉(zhuǎn)速ns實(shí)現(xiàn)電機(jī)均勻連續(xù)的調(diào)速也沒有變滑差調(diào)速的缺點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。早期的變頻調(diào)速是通過電源的整流、逆變、變頻方法得到，由于電機(jī)磁通不能變化，單一逆變、變頻難以實(shí)現(xiàn)調(diào)速高指標(biāo)要求。雖然采用恒轉(zhuǎn)矩、恒****轉(zhuǎn)矩及恒功率等調(diào)速方法可以改善電機(jī)調(diào)速特性而得到應(yīng)用，但其機(jī)械特性均是非線性，無法達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速要求。為此，根據(jù)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的基本方程：
提出類似直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程的控制方法，可以得到與直流電機(jī)一樣的線性調(diào)速控制。通常，它是通過控制電機(jī)有效電流的有功與無功分量實(shí)現(xiàn)。由于轉(zhuǎn)矩方程中φm、I2均是轉(zhuǎn)速函數(shù)，難以由φm、I2直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的調(diào)速性能與直流電機(jī)完全一樣。它標(biāo)志交流調(diào)速進(jìn)入嶄新階段。
根據(jù)交流電機(jī)軸系變換原理，感應(yīng)電機(jī)的三相繞組a、b、c軸系旋轉(zhuǎn)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(gè)互相垂直直流繞組α、β產(chǎn)生磁場等效，直流繞組磁場的幅值、相位和旋轉(zhuǎn)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(jī)間矢量變換關(guān)系。只要按照交流調(diào)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(jī)一樣的控制性能。
實(shí)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(yīng)電機(jī)矢量控制原理圖。
交流電機(jī)調(diào)速與直流電機(jī)調(diào)速一樣，有些系統(tǒng)不僅僅要控制轉(zhuǎn)速，還要控制位置，成為伺服系統(tǒng)。
3.2.2同步電動機(jī)調(diào)速
同步電動機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)的主要差別是轉(zhuǎn)速，從式(3)可知，感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化因素較多。同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：
上式表明，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)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(diào)速
激磁式同步電動機(jī)是定子交流供電、轉(zhuǎn)子直流激磁的電動機(jī)。為實(shí)現(xiàn)調(diào)速，定子是由自換流的變頻逆變器供電，轉(zhuǎn)子是直流電通過滑環(huán)或帶旋轉(zhuǎn)式整流器的交流激磁機(jī)供電。自控式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由定子電流和轉(zhuǎn)子磁場大小所決定。如將轉(zhuǎn)子作為靜止基準(zhǔn)，則定子就成為直流電機(jī)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(diào)速稱為晶閘管無換向器電機(jī)的調(diào)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(jī)的調(diào)速原理。
3.2.2.2矢量控制變頻調(diào)速
永磁式同步電動機(jī)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(dá)到高性能調(diào)速。圖11示出永磁式同步電動機(jī)調(diào)速框圖，這種調(diào)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(jī)****的控制技術(shù)。
3.2.3開關(guān)控制變頻調(diào)速
矢量控制的同步電機(jī)是采用正弦波電量模擬控制，為了提高電機(jī)運(yùn)行效率及簡化線路，用方波電量取代正弦波電量控制電機(jī)。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(guān)控制同步電機(jī)調(diào)速框圖。開關(guān)控制同步電機(jī)的電流波形是方波，這種電機(jī)與直流無刷電機(jī)一樣，具有直流電機(jī)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(jī)調(diào)速框圖。
3.3步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速
步進(jìn)電動機(jī)是數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換機(jī)械，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用。雖然步進(jìn)電機(jī)適合于位置控制場合，但從運(yùn)行原理來說，它也可組成速度控制系統(tǒng)。圖13示出步進(jìn)電機(jī)調(diào)速原理。它是變化脈沖發(fā)生器頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由于步進(jìn)電機(jī)性能的限制，這種調(diào)速系統(tǒng)多半限于小功率場合。因此，它的功率驅(qū)動較簡單，采用功率晶體管組成電路便可滿足要求。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)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(jīng)濟(jì)。圖14步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)很簡單，只用單塊集電路SAA1027便能控制。
3.4開關(guān)磁阻電動機(jī)的調(diào)速
開關(guān)磁阻電動機(jī)是有別于交直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的一種特殊電動機(jī)。它的原理是和交流同步磁阻電機(jī)相近，但設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不一樣。圖15示出開關(guān)磁阻電動機(jī)工作原理。從圖可知，開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制電路和直流無刷電動機(jī)的電路一樣，但它的調(diào)速是通過調(diào)節(jié)PWM的調(diào)制波頻率達(dá)到。圖16示出小功率四相開關(guān)磁阻電動機(jī)的調(diào)速電路，該電路是用分離元件組成，實(shí)際上可象直流無刷電機(jī)一樣用集成電路組成。
開關(guān)磁阻電動機(jī)是一種新穎的電動機(jī)，在理論和實(shí)踐上均在不斷發(fā)展，目前已有小到10W、大到50kW產(chǎn)品可供系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)前，電子、控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)促使其調(diào)速技術(shù)發(fā)展，克服開關(guān)磁阻電動機(jī)的缺陷，應(yīng)引起關(guān)注。
除了前述4類電機(jī)調(diào)速之外，還有交流整流子電動機(jī)調(diào)速產(chǎn)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(diào)速，不同功率、不同種類產(chǎn)品調(diào)速電路差別較大。交流整流子電動機(jī)調(diào)速電路與交、直流電動機(jī)調(diào)速電路雷同。
4展望
電動機(jī)調(diào)速技術(shù)從列奧納德直流調(diào)速開始，發(fā)展到交流調(diào)速的新階段，調(diào)速技術(shù)有了質(zhì)的變化。當(dāng)今，交流調(diào)速與30年前交流調(diào)速的差別不僅表現(xiàn)在電機(jī)進(jìn)步，更主要是控制技術(shù)的變化。
為了進(jìn)一步提高電機(jī)調(diào)速技術(shù)水平，有必要對三種基本控制技術(shù)作一比較。表2列出其對比。由此可認(rèn)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(dǎo)致系統(tǒng)組成重點(diǎn)由硬件轉(zhuǎn)向軟件。電機(jī)是調(diào)速的重要組成，屬模擬式產(chǎn)品。為適應(yīng)數(shù)字系統(tǒng)的要求，電機(jī)要作根本性變革，當(dāng)前的難題是電機(jī)如何轉(zhuǎn)向數(shù)字化。
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