電機調速技術的演變 典型的運動控制系統設計詳解

1.什么是運動控制

在工業生產中，運動控制系統既用于提高產品質量，也用于提高產品的產量。例如，生產過程中對機器人手的定位控制；機床數控；造紙廠中紙張滾卷的恒張力控制；熱軋廠中對金屬板厚度的控制；在現代武器系統中，導彈制導系統控制導彈正確命中目標；慣性導航使人造衛星按預定軌跡運行；雷達跟蹤系統控制火炮射擊的高低和方位。運動控制技術正在不斷地深入到各個領域并迅速地向前推進，其應用范圍幾乎涵蓋了所有的工業領域。

運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等，在自動控制理論的指導下，進行實時的控制和管理，使其在各種驅動裝置的作用下，按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。一般的運動控制系統，是一個以控制器（如運動控制計算機單元）為核心，以電力電子功率變換裝置（如交流伺服驅動單元）為驅動單元、以機電能量轉換裝置（如交流伺服電機）為執行器，組成的機械電子系統。

典型的運動控制系統組成如圖1所示。

圖1 運動控制系統組成

2.運動控制系統分類

運動控制系統按被控物理量分為：以轉速為被控量的運動控制系統稱調速系統；以直線位移或角位移為被控量的稱位置隨動系統，或稱伺服系統。按驅動電機的類型分為：用步進電機驅動的運動控制系統稱為步進傳動系統；用直流電機驅動生產機械的稱為直流傳動系統；用交流電機帶動生產機械的稱為交流傳動系統。

3.交流調速系統

3.1什么是調速？

所謂調速，指在生產過程中，根據生產機械的工藝要求或實際情況而人為調節系統運行的速度。調速的意義體現在三個方面，一是可以提高產品質量，二是可以提高工作效率，三是可以節約能源?；镜恼{速方案有三種，分別是機械調速、電氣調速和機械與電氣配合調速。

3.1.1機械調速（Mechanical Speed Regulation Method）

機械調速主要是通過改變機械傳動比來實現有級或無級傳動（調速）。大家比較熟悉的機械傳動方式主要有：摩擦輪傳動、鏈條傳動、齒輪傳動、皮帶傳動、渦輪渦桿傳動、棘輪傳動、曲軸連桿傳動、鋼絲索傳動（在電梯系統中應用較廣）、聯軸器傳動、花鍵傳動等。

如圖2所示，人們日常所使用的交通工具之一的自行車，就是依靠人腳的蹬力通過曲柄、鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動，從而驅動自行車不斷前進。

3.1.2? 電氣調速

電氣調速是指在電力拖動系統中，通過改變電動機的參數或電源電壓等方法來改變電動機的機械特性，從而改變它與負載機械特性的交點，使電動機的穩定轉速改變。

根據電力拖動系統所采用的電源不同，可以將電氣調速分為直流電動機調速和交流電動機調速兩種。生活中常見的電動車就是采用的直流電動機調速，如圖3所示。

在很多情況下，電力拖動系統中的調速屬于機械與電氣配合調速，數控機床采用的就是這種配合調速方式，如圖4所示。

3.2 電機調速技術的演變

3.2.1? 電動機的歷史與發展?

直流電動機的發明早于交流電動機，1820年奧斯特（Hans Christian Oersted，1777-1851）發現了電流在磁場中受力的物理現象，安培（André-Marie Ampère，1775-1836）對此現象總結之后，人們在實驗室里制成了直流電動機的簡單模型。

1831年法拉第（Michael Faraday，1791-1867）提出了電磁感應定律。1834年雅可比（Jacobi,Carl Gustav Jacob，1804-1851）根據電流在磁場中受力的理論設計出第一臺可供使用的直流電動機，直流電動機的旋轉運動擺脫了蒸汽機由往復運動產生旋轉運動的過程。

十九世紀七十年代，直流電在工業中仍占著統治地位，當時已能應用直流電取代價格昂貴、效率低的化學電池。人們對交流電的認識還很不夠，例如愛迪生（Thomas Alva Edison，1847-1931）就認為：沿著街道鋪設交流電纜無異于鋪設爆炸性的地雷。1871年凡麥爾發明了交流發電機，特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）改進交流發電機以使之更加完善。

1878年亞布洛契可夫完成了為他發明的燈泡供電的交流電源設備，他使用了交流發電機和變壓器，并用他的裝置證明交流電的實際應用是可能的。十九世紀八十年代，隨著用電量的增加，人們逐漸認識到交流電在長距離輸送中的優點，但全面利用交流電仍存在著技術上的困難，當時還沒有適用的交流電動機。

1885年費拉里斯發現了二相電流可以構成旋轉磁場，他根據這個原理制成二相異步電動機的模型，用來進行原理演示。1888年多里奧·多布羅勿斯基提出了三相制和三相異步電動機，他證明三相電流和兩相電流一樣可以構成旋轉磁場，并研制了鼠籠式異步電動機和繞線式異步電動機。

十九世紀九十年代，三相制和三相異步電動機在工業中得到了廣泛的應用。二十世紀后，隨著工業的不斷發展，交流電機的性能得到全面提升，較低的成本、較小的尺寸、較大的電機容量、較好的性能，使得廣泛應用交流調速系統成為可能。

3.2.2? 交流電動機與直流電動機的比較

直流電動機拖動和交流電動機拖動先后誕生于19世紀，距今已有100多年的歷史，并已成為動力機械的主要驅動裝置。但是由于技術上的原因，在很長一段時期內，占整個電力拖動系統80％左右的恒速拖動系統中采用的是交流電動機（包括異步電動機和同步電動機），而在需要進行調速控制的拖動系統中則基本上采用的是直流電動機。

不過，由于結構上的原因，直流電動機存在以下缺點：

（1）需要定期更換電刷和換向器，維護保養困難，壽命較短；

（2）由于直流電動機存在換向火花，難以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環境；

（3）結構復雜，難以制造大容量、高轉速和高電壓的直流電動機。

直流調速系統的優點主要表現在調速范圍廣、穩定性好、過載能力強、易實現調速控制等方面；缺點主要表現在直流電動機結構復雜、對環境要求高、維護困難、壽命短、效率低等方面。而與直流電動機相比，交流電動機則具有以下優點：

（1）結構堅固，工作可靠，易于維護保養；

（2）不存在換向火花，可以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環境；

（3）容易制造出大容量、高轉速和高電壓的交流電動機等。

交流調速系統的優點主要表現在交流電動機結構簡單、應用環境廣、免維護、造價低、運行控制方便等方面；缺點主要表現在調速控制理論復雜且實現困難。但是，隨著電力電子技術的發展，交流控制理論的不斷完善以及計算機技術的不斷進步，尤其是變頻器的出現，使得交流調速系統在很多領域足以取代直流調速系統，成為當今電力拖動系統的絕對主力。

3.2.3 變頻調速技術的發展

很久以來，人們希望在許多場合下能夠用可調速的交流電動機來代替直流電動機，并在交流電動機的調速控制方面進行了大量的研究和開發工作。近十年多來，隨著電力電子技術、微電子學、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，電力傳動領域正發生著交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術的革命。

交流變頻調速以其優異的調速和起、制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，被國內外公認為最有發展前途的調速方式，成為當今節電、改善工藝流程以及提高產品質量和改善環境、推動技術進步的手段。它是一門綜合性的技術，是建立在控制技術、電力電子技術、微電子技術和計算機技術的基礎之上，并隨著這些基礎技術的發展而不斷發展。由于變頻器具有頗多優點，因而在社會生產的各種領域中得到了廣泛的應用。

我國關于變頻調速的研究開始于20世紀60年代初期，當時典型的技術是交—交變頻器供電的交流變頻調速傳動；在此之后80年代主體技術為電壓或電流型六脈沖逆變器供電的交流變頻調速傳動；從90年代中期至今，隨著電力電子器件、調制技術以及控制技術的發展，BJT（IGBT）PWM逆變器供電的交流變頻調速傳動空前發展，并得到廣泛應用。我國是一個發展中國家，許多產品的科研開發能力仍落后于發達國家。

在變頻調速方面，國內雖然投入了一定的人力和物力，但由于力量分散，并未形成一定的技術規模和生產規模，再加上相關產業的落后，使得至今自行開發生產的變頻調速產品大體只相當于國際上20世紀80年代中后期的水平。國內許多合資公司生產著當今國際上先進的產品，國內的成套部門在自行設計制造的成套裝置中采用進口外國公司先進設計和裝置，自行開發應用軟件，能為國內外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統。雖然取得很大成績，但產品的可靠性和工藝水平與國外還有差距，并且國內自行開發、生產產品的能力弱，對國外公司的依賴性還很嚴重。

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編輯：黃飛

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