直流电机控制

直流电机的调速

众所周知，直流电机转速n的表达式为:

UIRK (2 - 1)

n式中:U-电枢端电压

I-电枢电流

R-电枢电路总电阻

Φ-每极磁通量

K-与电机结构有关的常数

由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:

(1)调节电枢电压U。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;

(2)改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;

(3)改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、

机械特性软、效率低。

改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:弱磁调速范围不大，往往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文中设计系统所采用的方法。

改变电枢电压主要有三种方式:旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器(或称直流斩波器)。

(l)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。

(2)20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α。进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。

(3) 脉宽调制 (PWM)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。

绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。

直流电机的数学模型

直流电动机的等效电路如下图所示。

RaLaQUaNSEaTe负载Tl

直流电动机等效图

电路的电压平衡方程和力矩平衡方程为:

dIadtUaRaIaLaEaJdTeTlKDdt

式中 Ua 电源电压;

Ia-电枢电流 ;

Ra-电枢电阻(包括电刷、换向器以及两者之间的电阻);

La-电枢电感;

Ea-电枢反电动势;

J-转动惯量;

Ω-转动的角速度;

Te-电磁转距;

Tl-负载转距;

KD-转动部分的阻尼系数.

永磁直流电动机的电枢反电动势可表示为:Ea=Ke*Ω

式中Ke-反电动势常数.

电磁转矩为:Te=KT *Ia

式中KT-磁转矩常数。

动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。作拉氏变换，得到如下函数:Ua(s )=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s)

JSΩ(s)=Te(s)一Tl(s)一KDSΩ(s) Ea(s)= KeΩ(s)Te(s)=KTIa(s)

上面的式子可以用下面的方框图表示。

+-Ea(S)1LaS+RaIa(S)KTKaTe(S)-Tl(S)1JS+KD+图2.4直流电动机

数学模型