直流电动机速度控制系统
    直流电动机具有良好的起、制动性能，并能在宽广范围内平滑调速，所以它一直是电气传动自动控制系统的主要角色，在轧钢机、矿井提升机、挖掘机、海洋钻机、起重机、金属切削机床、造纸机、纺织机等传动系统中得到了广泛应用。
几种直流电动机调速系统介绍：
    通过学习，我们了解到改变电枢电压调速是直流调速系统的主要方法。早期是由交流电动机拖动直流发电机(G)实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机(M)供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而改变直流电动机的转速。这样的调速系统简称G-M系统，该系统可以在四象限运行。由于该系统至少需要两台与调速电动机容量相当的旋转电动机，因而设备多、体积大、费用高、效率低、噪声大、维护不方便。为了克服这些缺点，20世纪60年代开始采用更为经济可靠的晶闸管变流装置。晶闸管变流器的功率放大倍数及控制作用的快速性也远优于变流机组。由晶闸管变流器V向电动机M供电的系统简称V—M系统。
    随着电力电子技术的发展，出现了可控制关断的即自关断电力电子器件——全控式器件。如电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(POWER MOS—FET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)等。采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制，与半控型开关器件晶闸管变流器相比，体积可缩小30％以上．装置效率高，功率因数高。同时由于开关频率的提高，直流脉冲宽度调制传动系统与v—M传动系统相比，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较小，低速性能好，稳速精度高，系统通频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强。基于上述的各种优点，自关断电力电子器件作为主开关器件的直流脉宽调制传动控制系统将逐步取代v—M系统。所以本节将以较少的篇幅介绍G-M系统和V—M系统，对直流脉宽调制传动控制系统则将在其他节中给予较详细的介绍。

    1、发电机一电动机调速系统(G M系统)
    发电机一电动机调速系统如图5 2所示，发电机一电动机调速系统是由单独的直流发电机供电给
直流他励电动机的。直流发电机一般由三相异步电动机带动，在大容量时，使用同步电动机。直流电动机和发电机的励磁一般由单独的励磁电源供电。
    在发电机  电动机调速系统中，直流电动机使用了单独的发电机供电，所以通过调节发电机励磁
回路中的附加电阻Rf，即可调节发电机的输出电动势E1，从而改变了电动机的电枢电压，实现了调
速的目的。
    发电机一电动机组的机械特性方程式具有以下形式：
   
式中E1——直流发电机的电动势(v)；
    φn——直流电动机的磁通(Wb)：
    RF1——直流发电机的电枢电阻(Ω)；
    RD1——直流电动机的电枢电阻(Ω)：
    KT—电动机转矩结构系数；
    KE——电动机电动势结构系数。
    由式(5—6)可看出，在电动机磁通不变时，调节发电机的电动势，即改变了电动机的电枢电压，电动机的理想空载转速即随之改变，但机械特性斜率不变，在不同E1时特性是互相平行的，只是电动机的机械特性比电网供电时的机械特性斜率大，这是由于主回路的总电阻增大(Rf1和RD1)的缘故。
    这种调速方法由于投入设备多、体积大、费用高、效率低、噪声大、维护不方便等缺点，除非特殊场合和需要，现在一般很少使用。
    2、晶闸管一电动机直流调速系统(V—M直流调速系统)

  如果生产机械对静差率要求不高的话，那么采用开环系统就可满足要求了。然而在工业部门中，许多调速系统都要求有较高的静差率，如龙门刨床工作台的拖动要求有较高的静差率s≤O 05，『]=20，开环系统是不能满足此要求的，因此必须采用闭环调速系统。根据反馈量的不同，可有转速、电流等负反馈调速系统。图5—3给出的是晶闸管直流电动机转速负反馈单闭环控制调速系统框图。

    该系统用与电动机同轴相连的测速发电机TG作为速度反馈元件，其输出En=KFn，正比电动机的转速n。从电位器RP2得到转速负反馈电压uF。它与从转速给定电位器RP、上取得的电压u。比较后，得到偏差电压△u=uG一uF，经放大器放大后，便成为晶闸管触发装置的控制电压uC。晶闸管的触发电路在uC的控制下改变晶闸管可控整流器的触发延迟角
a，从而输出一定的直流电压u，使电动机在一定的转速下旋转。
    当电动机带动的机械负载增加时，电动机转速下降，速度反馈电压减小，从而使偏差电压增大，uC增大，触发延迟角a减小，使输出到电动机电枢的直流电压变大，电动机转速回升，于是电动机转速基本稳定在原来的转速上。当机械负载减小列，系统也可以自动调整转速，使速度基本保持不变，故调速系统的静差率非常小。由于该系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环控制调速系统。
    在转速反馈的基础上，再增加对电枢电流负反馈控制环节，就构成转速、电流双闭环控制的直流调速系统。双闭环控制的直流调速系统中的电流环主要发挥两个方面的作用：
    1)限制电动机起动和过载时的冲击电流，以保护电动机和过载能力较低的晶闸管可控整流电路。
    2)在电动机起动、制动过程中保持最大允许电流在一段时间内不变，以使拖动系统用最大的加速度起动，起动电流成矩形，电动机转速线性增长，从而实现最大受限电流下的快速起、制动。
    晶闸管一直流电动机转速控制调速系统由于其电路简单、控制灵活、体积小、效率高以及没有旋转噪声和磨损等优点，在一般工业应用中，特别是大功率系统中一直占据着主要的地位。但是当系统运行在较低速时，晶闸管的导通角很小，系统的功率因数相应也很小，并产生较大的谐波电流，使转矩脉动大，限制了调速范围。必须加大平波电抗器的电感量来克服上述问题，但电感大又限制了系统的快速性。功率因数低、谐波电流大，还将引起电网电压波形畸变。变流器设备容量大还将造成所谓的“电力公害”，在这种情况下必须增设无功补偿和谐波滤波装置。

2、直流脉宽调速系统
    随着大功率电力电子器件的快速发展，直流脉冲宽度调制(PwM)型的调速系统的研制和应用越来越广。与V--M系统相L-L，直流脉宽调速系统的突出优点是：
    1)由于可采用较高的开关频率，电枢电流仅依靠电枢电感或附加较小的电抗器便可连续，所以电动机损耗发热都较小。
    2)由于开关频率高，系统的频带宽，快速性好，动态抗干扰能力强。
    3)低速时电流脉动和转速脉动都很小，稳速精度高，调速范围宽。
    4）主回路的功率晶体管工作在开关状态，所以损耗小，装置的效率高。并且所需的功率器件少，电路简单，控制方便。   
    1。脉宽调制调遮的基本原理
    (1)不可逆脉宽调制调速电路不可逆脉宽调制调速电路如图5—4所示。图中v为功率晶体管，c为滤波电容，VD为续流二极管。直流电压u可由三相交流电通过整流得到功率晶体管的基极用一个脉宽可调的电压Ub驱动。

    在一个开关周期内，当0机两端电压ud等于U，如图5—5所示。当ton≤t二极管VD续流，电动机两端电压ud等于零。这样，电动机上获得的平均电压为
 

式中的P为占空比，改变晶体管基极控制电压Ub的脉冲宽度即可改变p。这样就可以在电动机电枢两端获得不同大小的平均电压(即直流电压)Ud，从而达到单方向调速的目的。这种通过调节晶体管基极控制电压Ub的脉冲宽度来调节电动机电枢电压大小的调速方法称脉宽调速PWM(Pulse Width Moduia}10n)。

    (2)可逆脉宽调制调速电路  目前应用较广的一种可逆直流脉宽调速系统的基本电路如图5—6所示。该电路通常称为双极式H形PwM变换器电路。三相交流电经整流滤波变成电压恒定的直流电压，V1～V4为四只大功率晶体管，工作在开关状态，其中处于对角线上的一对晶体管的基极因接受同一控制信号而同时导通或截止。

    当0端电压为正，电枢电流id1沿回路I流动；当ton≤t体管V2和V3同时导通，在为负值的ub1=ub4驱动下，V1和V4截止，这时直流电源电压u加在电枢BA端，电枢两端电压为负．电枢电流id1沿回路2流动，其各电压和电流波形如图5—7所示(id1对应于电动机负载较重的情况，id2对应于电动机负载较轻的情况)。
    双极式可逆PwM变换器的“可逆”作用，由加在电枢两端正负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽，即ton>T／2时，则电枢两端的平均电压uAB为正值，电动机正向运行；当正脉冲较窄，即ton>T／2时，则电枢两端的平均电压uAB为负值，电动机反向运行；如果正负脉冲宽度相等，ton>T／2时，则电枢平均电压为零，电动机停止转动。图5—7给出的是电动机正转时的情况。

    2．典型的双闭环脉宽调制调速系统
    一个典型的晶体管双闭环脉宽调速系统如图5 8所示。它由速度调节器AsR、电流调节器AcR、三角波发生器、电压一脉冲转换电路uPw、脉冲分配和驱动输出电路、主电路、直流电动机M、速度反馈、电流反馈、整流电源以及过电流保护、泵升限制等电路组成。下面分别对几个主要组成部分进行分析。

    (1)主电路主电路采用双极式H形PWM变换器电路，前面已经进行过较详细的讨论，这里不再复述。
    (2)速度调节器ASR和电流调节器ACR速度给定电压U。有两种极性，为正时电动机正转；为负时电动机反转。速度反馈电压Unf的极性由测速发电机(或码盘)对主电动机的转向鉴别得到。电流负反馈的大小和极性由反映电动机电枢电流大小和极性的电流互感器TA得到(如霍耳电流变换器)。
    为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。即把速度调节器的输出当作电流调节器的输入，再把电流调节器的输出电压作为电压一脉冲转换电路UPW的输入电压，控制输出脉冲的宽度。从闭环结构上来看，电流调节环在里面，称作内环；速度调节环在外面，称作外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
    为了获得良好的静、动态特性，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用比例积分调节器(PI调节器)，其电路如图5—9所示。在图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性。图中还表示出两个调节器都是带有限幅环节．

    (3)三角波形发生器三角波形发生器电路如图5一lO所示。

三角波发生器是由运算放大A1和Az组成，A1处正反馈工作状态，它的输出电压不是正饱和值就是负饱和值。电阻R3和稳压管Vs组成一个限幅电路，限制A1输出电压的幅值。A2为一个积分器，当输入电压u1为正时．其输出电压u2向负方向变化；当输入电压u1为负时，其输出电压u2向正方向变化。当输入电压u1正负交替变化时，它的输出电压u2就变成了一个三角波，u1和u2的波形见图5一11
    改变积分时间常数R4c的数值可以改变三角波电压u2的频率，，改变电阻R5、R6的比值可以改变三角波电压u2的幅值，调节电位器RP滑动点的位置可以获得一个对称的三角波电压。
    (4)电压一脉冲变换器(uPw)  电压脉冲变换器电路如图5—12所示。组成电压脉冲变换器(uPw)的运算放大器A工作在开环状态，接成一比较器电路，所以输出电压只能在正饱和值和负饱和值之间变化。输出的是脉冲信号。

    电流调节器的输出信号uC加到比较器的反向端，三角波加到同相端，改变uC的大小和极性，就可以调节输出脉冲电压的宽度。三角波的线性度很好，可以保证脉冲电压宽度同控制电压uC的大小成正比。脉冲电压宽度同控制电压uC关系的见图5—13。

    (5)脉冲分配器  脉冲分配器的作用是把uPw电路产生的一串正的矩形脉冲电压经光电隔
离电路和功率放大电路分配到主电路中各被控晶体管的基极。其电路如图5—14所示。

     从电路可知，当upw信号为高电平时，u1输出低电平，u2输出高电平，从而使发光二极管vL0
发光，光敏晶体管V0导通，通过功放电路送出基极驱动信号ub1、ub4直接驱动图5—6所示的双极式H形PwM变换器电路中的晶体管v1和v4同时导通。与此同时，H形PwM变换器电路的晶体管v2
和V3因u2输出高电平而截止。
    当upw信号为低电平时，u2输出低电平，u1输出高电平，从而使发光二极管VL1发光，光敏晶 
体管V1导通．通过功放电路送出基极驱动信号ub2、ub3晶体管V2和V3同时导通：与此同时，
PwM变换器电路的晶体管V1和v4因u1输出高电平而截止。读者不难看出，处于对角线上的一对晶
体管导通时，另一对角线上的一对晶体管必然截止。随着upw控制信号的周期性变化，主电路中的
晶体管交替导通、截止，达到脉宽调速的目的.
    (6)泵升限制电路  当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，存储在电动机和机械负载系统转动部分的动能将变成电能，并通过PWM变换电路回馈给直流电源：一般直流电源由不可控的整流器供电，不可回馈的电能只好对滤波电容充电而使电源电压升高，这种现象称为“泵升电压”。
    “泵升电压”过高时，将会对PWM主电路造成损害.因此通常在滤波电容两端并联一个泵升电压限制电路，当电容电压(也就是直流电源电压)超过预定电压umax时，限制电路接通，把回馈能
量的一部分消耗在能耗电阻上，从而起到保护电路的作用。  
    应当指出，早期的PwM调速控制系统中的控制电路部分多采用分立元件和单元集成电路组成，近年来已经有多种专用集成PwM控制芯片面世，并得到广泛的使用。如摩托罗拉公司的Mc3420、Mc34060、西肯尼公司的sG3525、sGl527、SGl731、德州仪器公司的T1494等。集成PwM
控制芯片集我们前面讲述过的各控制电路的功能于一身，而且对PWM调速控制主电路有多种保护功能。它的实用使PWM调速控制系统接线变得简单，实用可靠，方便灵活，便于调试。在实际应用中已经十分普遍，也推动了PWM技术的发展。