电机调速技术的演变 典型的运动控制系统设计详解

1.什么是运动控制

在工业生产中，运动控制系统既用于提高产品质量，也用于提高产品的产量。例如，生产过程中对机器人手的定位控制；机床数控；造纸厂中纸张滚卷的恒张力控制；热轧厂中对金属板厚度的控制；在现代武器系统中，导弹制导系统控制导弹正确命中目标；惯性导航使人造卫星按预定轨迹运行；雷达跟踪系统控制火炮射击的高低和方位。运动控制技术正在不断地深入到各个领域并迅速地向前推进，其应用范围几乎涵盖了所有的工业领域。

运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等，在自动控制理论的指导下，进行实时的控制和管理，使其在各种驱动装置的作用下，按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。一般的运动控制系统，是一个以控制器（如运动控制计算机单元）为核心，以电力电子功率变换装置（如交流伺服驱动单元）为驱动单元、以机电能量转换装置（如交流伺服电机）为执行器，组成的机械电子系统。

典型的运动控制系统组成如图1所示。

图1 运动控制系统组成

2.运动控制系统分类

运动控制系统按被控物理量分为：以转速为被控量的运动控制系统称调速系统；以直线位移或角位移为被控量的称位置随动系统，或称伺服系统。按驱动电机的类型分为：用步进电机驱动的运动控制系统称为步进传动系统；用直流电机驱动生产机械的称为直流传动系统；用交流电机带动生产机械的称为交流传动系统。

3.交流调速系统

3.1什么是调速？

所谓调速，指在生产过程中，根据生产机械的工艺要求或实际情况而人为调节系统运行的速度。调速的意义体现在三个方面，一是可以提高产品质量，二是可以提高工作效率，三是可以节约能源。基本的调速方案有三种，分别是机械调速、电气调速和机械与电气配合调速。

3.1.1机械调速（Mechanical Speed Regulation Method）

机械调速主要是通过改变机械传动比来实现有级或无级传动（调速）。大家比较熟悉的机械传动方式主要有：摩擦轮传动、链条传动、齿轮传动、皮带传动、涡轮涡杆传动、棘轮传动、曲轴连杆传动、钢丝索传动（在电梯系统中应用较广）、联轴器传动、花键传动等。

如图2所示，人们日常所使用的交通工具之一的自行车，就是依靠人脚的蹬力通过曲柄、链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动，从而驱动自行车不断前进。

3.1.2  电气调速

电气调速是指在电力拖动系统中，通过改变电动机的参数或电源电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变它与负载机械特性的交点，使电动机的稳定转速改变。

根据电力拖动系统所采用的电源不同，可以将电气调速分为直流电动机调速和交流电动机调速两种。生活中常见的电动车就是采用的直流电动机调速，如图3所示。

在很多情况下，电力拖动系统中的调速属于机械与电气配合调速，数控机床采用的就是这种配合调速方式，如图4所示。

3.2 电机调速技术的演变

3.2.1  电动机的历史与发展 

直流电动机的发明早于交流电动机，1820年奥斯特（Hans Christian Oersted，1777-1851）发现了电流在磁场中受力的物理现象，安培（André-Marie Ampère，1775-1836）对此现象总结之后，人们在实验室里制成了直流电动机的简单模型。

1831年法拉第（Michael Faraday，1791-1867）提出了电磁感应定律。1834年雅可比（Jacobi,Carl Gustav Jacob，1804-1851）根据电流在磁场中受力的理论设计出第一台可供使用的直流电动机，直流电动机的旋转运动摆脱了蒸汽机由往复运动产生旋转运动的过程。

十九世纪七十年代，直流电在工业中仍占着统治地位，当时已能应用直流电取代价格昂贵、效率低的化学电池。人们对交流电的认识还很不够，例如爱迪生（Thomas Alva Edison，1847-1931）就认为：沿着街道铺设交流电缆无异于铺设爆炸性的地雷。1871年凡麦尔发明了交流发电机，特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）改进交流发电机以使之更加完善。

1878年亚布洛契可夫完成了为他发明的灯泡供电的交流电源设备，他使用了交流发电机和变压器，并用他的装置证明交流电的实际应用是可能的。十九世纪八十年代，随着用电量的增加，人们逐渐认识到交流电在长距离输送中的优点，但全面利用交流电仍存在着技术上的困难，当时还没有适用的交流电动机。

1885年费拉里斯发现了二相电流可以构成旋转磁场，他根据这个原理制成二相异步电动机的模型，用来进行原理演示。1888年多里奥·多布罗勿斯基提出了三相制和三相异步电动机，他证明三相电流和两相电流一样可以构成旋转磁场，并研制了鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机。

十九世纪九十年代，三相制和三相异步电动机在工业中得到了广泛的应用。二十世纪后，随着工业的不断发展，交流电机的性能得到全面提升，较低的成本、较小的尺寸、较大的电机容量、较好的性能，使得广泛应用交流调速系统成为可能。

3.2.2  交流电动机与直流电动机的比较

直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80％左右的恒速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。

不过，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：

（1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；

（2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；

（3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。

直流调速系统的优点主要表现在调速范围广、稳定性好、过载能力强、易实现调速控制等方面；缺点主要表现在直流电动机结构复杂、对环境要求高、维护困难、寿命短、效率低等方面。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：

（1）结构坚固，工作可靠，易于维护保养；

（2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；

（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机等。

交流调速系统的优点主要表现在交流电动机结构简单、应用环境广、免维护、造价低、运行控制方便等方面；缺点主要表现在调速控制理论复杂且实现困难。但是，随着电力电子技术的发展，交流控制理论的不断完善以及计算机技术的不断进步，尤其是变频器的出现，使得交流调速系统在很多领域足以取代直流调速系统，成为当今电力拖动系统的绝对主力。

3.2.3 变频调速技术的发展

很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究和开发工作。近十年多来，随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正发生着交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术的革命。

交流变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的手段。它是一门综合性的技术，是建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断发展。由于变频器具有颇多优点，因而在社会生产的各种领域中得到了广泛的应用。

我国关于变频调速的研究开始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交—交变频器供电的交流变频调速传动；在此之后80年代主体技术为电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着电力电子器件、调制技术以及控制技术的发展，BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动空前发展，并得到广泛应用。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。

在变频调速方面，国内虽然投入了一定的人力和物力，但由于力量分散，并未形成一定的技术规模和生产规模，再加上相关产业的落后，使得至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上20世纪80年代中后期的水平。国内许多合资公司生产着当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用进口外国公司先进设计和装置，自行开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但产品的可靠性和工艺水平与国外还有差距，并且国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性还很严重。

 

编辑：黄飞