电动机的速度控制
王季秩（电子工业部第21研究所）
【摘 要】随着工农业生产和国防工业的发展，电动机的调速技术已成为专门的研究课题。文中介绍电动机调速的要求，并着重对直流电动机、交流电动机、步进电动机、开关磁阻电动机的调速电路作了分析，指出调速系统的数字化是发展方向。
【叙 词】直流电动机交流电动机步进电动机／开关磁阻电动机速度控制调速系统电路
数字化
1概述
电动机的速度控制（文中简称电机调速）是伴随电机的诞生而出现，随着工农业和国防的发展，电机的速度控制技术已成为专门研究课题，并摆到十分重要地位。
从电机发展历史来看，首先诞生的是直流电机，它可以较方便地利用调节电枢电压或激磁电流，实现电机调速。交流感应电动机的出现，给调速增加困难，因没有激磁电路，无法调节激磁，调节电枢电压也难以调速。交流同步电动机虽有激磁电路，但调激磁难实现调速。因此，交流电机的调速是电机界面临的难题。电子学的兴起与发展，现代控制理论的诞生及电子产品的广泛应用，促使电机、电子、计算机、自动控制等学科相互结合，使电机调速技术进入崭新阶段。尤其当数字控制的产生、发展和应用，电机的控制面貌就大大改观了。因此，调速技术促使宇航、海洋、她面、家电等所有领域中控制技术的飞跃发展。
电动机的速度控制是采用电气或电子方式使电机的速度变化或保持电机速度为恒定的控制技术。速度控制的对象是电动机，控制的内容不仅仅是速度，还涉及驱动对象的有关参数，如通过调速实现功率、力矩控制等。
2电机调速的要求
电机调速的要求涉及机、电、热、光、声等多方面的技术，不同的应用场合、不同的时期，调速要求是不完全一致的。现在，就当前应用的系统与装备的主要要求进行讨论。
2.1调速比
调速比是指电动机的速度在满足一定的精度下，电机的****和****运行速度的比值。电机速度变化有连续均匀、间断、多档次等变化类型。近代，连续的调速比可达1：100000。
2.2速度精度
速度精度是电动机在一定的输入和负载的条件下，其速度随负载或环境等而变的相对比值。速度精度通常是指静态误差，有些场合还有动态误差要求，它称为瞬时速度精度。
2.3力矩波动
在一定条件下，电机一转内输出力矩的变化常用力矩变化的峰一峰值与平均值之比表示。电机在低速下将产生较大的力矩波动。
2.4起停时间
起停时间是起动电机或停止电机的时间，前者电机在负载下从起动到稳定速度所需时间。后者是指电机在负载下从运行到停止不转的时间。以计算出一些常数，如喀L势常数、****加速度等与上述参数列在一起作为电机应用的重要数据。
除了上述！要求外，系统的可靠性、安全工作区、噪声振动和抗彳二扰性能等要求均是非常重要的。
2.5力能参数
电机的力能参数有输出力矩、转速、输入功率、功率因数、电流、电压、温升、转动惯量等，这些参数除额定值之外，还包括起动、制动和逆转等条件下的允许值。由力能参数可以计算出一些常数，如电势常数，****加速度等与上述参数列在一起，作为电机应用的重要数据。
除了上述要求外，系统的可靠性、安全工作区、噪声振动和抗干扰性能等要求均是非常重要的。
3 电机调速的分类与组成
电机调速可按直流电机、交流电机、步进电机和开关磁阻电机分为4类，但从本质上来看，可分为频率和转矩的控制技术。
从图1可知，速度控制是由速度比较、检测、校正、控制、电流检测、比较、校正、控制以及功率驱动等组成。现就常用电机调速技术作分析。
3.1直流电动机的调速
3.1.1桥式电路的调速
该法悬利用永磁式电机电枢组成桥式伺服电路来检测和比较速度。根据电桥平衡原理：
因此，可以调节VZD大小来改变电机的转速，见图2。该电路简单，只有速度检测、比较和功率驱动等部分。电路集成化后，元件少、可靠性高、价格便宜，录音机广泛采用这种电机调速。这种调速方法是调节电枢的方法，是属有差调节，羹重度精度不高，调速范围不大。
3.1.2采用测速发电机的调速
在调速比较宽I均直流电机系统中，大多不用电枢电势作速度检测，而是用在电机上附加发电机检测速度。在图3a直流电机系统中，测速发电机G,作为速度检测元件，G输出信号Ec与速度殳定信号ES相比较，经放大器OP和功率驱动Q1后，输给电机，产生力矩，调节电机速度。这种电路电机功率驱动简单，仅适用于小功率系统。较大功率电机系统如图3b所示的昆；闸管调速系统。近来，采用大功率晶体管调速系统较多。
采用测速发电机调速，速度精度可以提高，但仍与桥式电路一样，属有差调速形式。
3.1.3采用测频发电机的调速
采用测频发电机FG的调速有称F/V变换速度控制。它与上述图二种模拟控制不同，可以组成模拟或数字二种控制。模拟和数字的控制方法均是利用发电机的输出频率调节速度，有称鉴频控制。该法有许多控制方法，为了便于与图2、图3a二种应用比较，图4表示采用光电速度传感器FG作测频发电机检测速度信号的电机调速。图中采用M519701集成电路取代分立元件。
采用测频发电机的调速的原理不是有差调节形式，但实际上由于存在模拟电路，频率检测后输出产生变化，使电机实际速度偏差不等于零。图4所示多档次调速变化的比较电路控制，也可以采用连续调速的比较电路，实现连续均匀调速。
3.1.4锁相回环的调速
上述三种调速方法均因电机定转子磁场不同步，导致速度误差。采用锁相回环控制电机速度，可使电机具有同步运行能力，这种调速称为锁相式调速方法，其基本组成如图5所示。
锁相式调速方法的转速偏差为零，但其瞬态仍存在误差。图6示出直流无刷电动机 采用锁相调速的电路组成，其中TC9203P/F为锁相集成块。
直流无刷电动机与直流有刷电动机有较大差别。上述调速方法虽能用于无刷电机上，但具体线路差别很大。表1列出四种调速的主要性能数据。在实际选用时，应考虑产品的经济性，才能得到合理的应用。
有些电机调速系统不仅仅要控制转速，还要控制位置。实际上这种电机调速系统成为具有伺服控制的电机系统，它是运动控制系统的典型。它的组成要比图1所用常用调速系统增加置回路。用锁相回环的调速是位置和速度控制的特例。
3.2交流电动机的调速
3.2.1感应电动机的调速
感应电动机的转速表达式为：
可见，感应电动机的调速方法有二种。
a．改变同步转速咒。，调节电机转速。改变同步速二种方法，一是变频f，二是变极P。
b．改变滑差s，调节电机转速。
改变滑差s，常用定子调压和电磁滑差两种方法实现，电机同步转速不变。采用滑差的调速法，因为ns不变，将产生附加转差功率损耗、机械特性变软筹。因此，它是一种低效型、低性能的调速方法，目前这种方法逐渐被淘汰，仅在小功率电动机中得到应用。图7示出两相感应电机的调速。
变同步转速的调速法不存在上述缺点。采用变极法改变同步转速ns是一种有级调速，适用性差，使用范围不广。采用变频法改变同步转速ns实现电机均匀连续的调速也没有变滑差调速的缺点，应用广泛。早期的变频调速是通过电源的整流、逆变、变频方法得到，由于电机磁通不能变化，单一逆变、变频难以实现调速高指标要求。虽然采用恒转矩、恒****转矩及恒功率等调速方法可以改善电机调速特性而得到应用，但其机械特性均是非线性，无法达到直流电机调速要求。为此，根据感应电机转矩的基本方程：
提出类似直流电机转矩方程的控制方法，可以得到与直流电机一样的线性调速控制。通常，它是通过控制电机有效电流的有功与无功分量实现。由于转矩方程中φm、I2均是转速函数，难以由φm、I2直接控制电机转矩。70年代德国F．Blaockke，W．Floter等提出了矢量变换控制理论，1979年第一台矢量变换控制的样机的调速性能与直流电机完全一样。它标志交流调速进入崭新阶段。
根据交流电机轴系变换原理，感应电机的三相绕组a、b、c轴系旋转磁场可变换成三相绕组a、p轴系磁场。上述磁场可以用2个互相垂直直流绕组α、β产生磁场等效，直流绕组磁场的幅值、相位和旋转速度与交流绕组磁场完全相同。图8示出轴系变换和磁场等效，它表示电机间矢量变换关系。只要按照交流调速的规律控制三相电流Va、Vb、Vc。就可筹效地控制id、iq，从而得到和直流电机一样的控制性能。
实现矢量变换控制三种基本方式，即模拟式、模数式和数字式等控制，三者的基本组成和图1的控制相似，即除主回路外还包括速度回路和电流回路。图9表示感应电机矢量控制原理图。
交流电机调速与直流电机调速一样，有些系统不仅仅要控制转速，还要控制位置，成为伺服系统。
3.2.2同步电动机调速
同步电动机和感应电动机的主要差别是转速，从式(3)可知，感应电动机转速变化因素较多。同步电动机转速表达式为：
上式表明，同步电机转速严格与逆变器的频率成正比，大多采用变频方法控制。
3.2.2.1自同步控制变频调速
激磁式同步电动机是定子交流供电、转子直流激磁的电动机。为实现调速，定子是由自换流的变频逆变器供电，转子是直流电通过滑环或带旋转式整流器的交流激磁机供电。自控式同步电机的转矩是由定子电流和转子磁场大小所决定。如将转子作为静止基准，则定子就成为直流电机的电枢。以往，变频逆变器多采用晶闸管组成电流型装置，所以这种调速称为晶闸管无换向器电机的调速。目前，用大功率的晶体管取代晶闸管已很多，图10示出无换向器电机的调速原理。
3.2.2.2矢量控制变频调速
永磁式同步电动机采用永磁激磁代替电激磁，采用矢量变换控制理论后，可以达到高性能调速。图11示出永磁式同步电动机调速框图，这种调速系统也可分模拟、模数或数字式三种控制。数字式控制性能优良、精度高、可靠性好，已成为电机****的控制技术。
3.2.3开关控制变频调速
矢量控制的同步电机是采用正弦波电量模拟控制，为了提高电机运行效率及简化线路，用方波电量取代正弦波电量控制电机。它的控制万法与矢量控制不同，但速度回路完全一样。图12示出两者的不同部分，即除速度回路外的开关控制同步电机调速框图。开关控制同步电机的电流波形是方波，这种电机与直流无刷电机一样，具有直流电机特性，图12若用直流供电代替交流供电，便成为直流无刷电动机调速框图。
3.3步进电动机的调速
步进电动机是数字系统的数模转换机械，随着数字技术的发展而得到广泛应用。虽然步进电机适合于位置控制场合，但从运行原理来说，它也可组成速度控制系统。图13示出步进电机调速原理。它是变化脉冲发生器频率，实现调速。由于步进电机性能的限制，这种调速系统多半限于小功率场合。因此，它的功率驱动较简单，采用功率晶体管组成电路便可满足要求。步进电机的驱动系统容易集成化，尤其专用集成电路的发展，促使系统简单、可靠与经济。图14步进电机系统很简单，只用单块集电路SAA1027便能控制。
3.4开关磁阻电动机的调速
开关磁阻电动机是有别于交直流电机、步进电机的一种特殊电动机。它的原理是和交流同步磁阻电机相近，但设计结构不一样。图15示出开关磁阻电动机工作原理。从图可知，开关磁阻电动机的控制电路和直流无刷电动机的电路一样，但它的调速是通过调节PWM的调制波频率达到。图16示出小功率四相开关磁阻电动机的调速电路，该电路是用分离元件组成，实际上可象直流无刷电机一样用集成电路组成。
开关磁阻电动机是一种新颖的电动机，在理论和实践上均在不断发展，目前已有小到10W、大到50kW产品可供系统应用。当前，电子、控制、计算机等技术促使其调速技术发展，克服开关磁阻电动机的缺陷，应引起关注。
除了前述4类电机调速之外，还有交流整流子电动机调速产品在使用中，功率小副几瓦、大到数十千瓦。在原理上，它可以通过电压和频率调速，不同功率、不同种类产品调速电路差别较大。交流整流子电动机调速电路与交、直流电动机调速电路雷同。
4展望
电动机调速技术从列奥纳德直流调速开始，发展到交流调速的新阶段，调速技术有了质的变化。当今，交流调速与30年前交流调速的差别不仅表现在电机进步，更主要是控制技术的变化。
为了进一步提高电机调速技术水平，有必要对三种基本控制技术作一比较。表2列出其对比。由此可认为系统的数字化是发展的方向，系统的数字化将导致系统组成重点由硬件转向软件。电机是调速的重要组成，属模拟式产品。为适应数字系统的要求，电机要作根本性变革，当前的难题是电机如何转向数字化。
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