電機調(diào)速技術(shù)的演變 典型的運動控制系統(tǒng)設(shè)計詳解

1.什么是運動控制

在工業(yè)生產(chǎn)中，運動控制系統(tǒng)既用于提高產(chǎn)品質(zhì)量，也用于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量。例如，生產(chǎn)過程中對機器人手的定位控制；機床數(shù)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(xiàn)代武器系統(tǒng)中，導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)控制導(dǎo)彈正確命中目標；慣性導(dǎo)航使人造衛(wèi)星按預(yù)定軌跡運行；雷達跟蹤系統(tǒng)控制火炮射擊的高低和方位。運動控制技術(shù)正在不斷地深入到各個領(lǐng)域并迅速地向前推進，其應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有的工業(yè)領(lǐng)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(dǎo)下，進行實時的控制和管理，使其在各種驅(qū)動裝置的作用下，按照預(yù)期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動。一般的運動控制系統(tǒng)，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(qū)動單元）為驅(qū)動單元、以機電能量轉(zhuǎn)換裝置（如交流伺服電機）為執(zhí)行器，組成的機械電子系統(tǒng)。

典型的運動控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 運動控制系統(tǒng)組成

2.運動控制系統(tǒng)分類

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

3.交流調(diào)速系統(tǒng)

3.1什么是調(diào)速？

所謂調(diào)速，指在生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求或?qū)嶋H情況而人為調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行的速度。調(diào)速的意義體現(xiàn)在三個方面，一是可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，二是可以提高工作效率，三是可以節(jié)約能源?；镜恼{(diào)速方案有三種，分別是機械調(diào)速、電氣調(diào)速和機械與電氣配合調(diào)速。

3.1.1機械調(diào)速（Mechanical Speed Regulation Method）

機械調(diào)速主要是通過改變機械傳動比來實現(xiàn)有級或無級傳動（調(diào)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(tǒng)中應(yīng)用較廣）、聯(lián)軸器傳動、花鍵傳動等。

如圖2所示，人們?nèi)粘Ｋ褂玫慕煌üぞ咧坏淖孕熊嚕褪且揽咳四_的蹬力通過曲柄、鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動，從而驅(qū)動自行車不斷前進。

3.1.2? 電氣調(diào)速

電氣調(diào)速是指在電力拖動系統(tǒng)中，通過改變電動機的參數(shù)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(wěn)定轉(zhuǎn)速改變。

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

在很多情況下，電力拖動系統(tǒng)中的調(diào)速屬于機械與電氣配合調(diào)速，數(shù)控機床采用的就是這種配合調(diào)速方式，如圖4所示。

3.2 電機調(diào)速技術(shù)的演變

3.2.1? 電動機的歷史與發(fā)展?

直流電動機的發(fā)明早于交流電動機，1820年奧斯特（Hans Christian Oersted，1777-1851）發(fā)現(xiàn)了電流在磁場中受力的物理現(xiàn)象，安培（André-Marie Ampère，1775-1836）對此現(xiàn)象總結(jié)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(yīng)定律。1834年雅可比（Jacobi,Carl Gustav Jacob，1804-1851）根據(jù)電流在磁場中受力的理論設(shè)計出第一臺可供使用的直流電動機，直流電動機的旋轉(zhuǎn)運動擺脫了蒸汽機由往復(fù)運動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的過程。

十九世紀七十年代，直流電在工業(yè)中仍占著統(tǒng)治地位，當時已能應(yīng)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(shè)交流電纜無異于鋪設(shè)爆炸性的地雷。1871年凡麥爾發(fā)明了交流發(fā)電機，特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）改進交流發(fā)電機以使之更加完善。

1878年亞布洛契可夫完成了為他發(fā)明的燈泡供電的交流電源設(shè)備，他使用了交流發(fā)電機和變壓器，并用他的裝置證明交流電的實際應(yīng)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(yōu)點，但全面利用交流電仍存在著技術(shù)上的困難，當時還沒有適用的交流電動機。

1885年費拉里斯發(fā)現(xiàn)了二相電流可以構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁場，他根據(jù)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(gòu)成旋轉(zhuǎn)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(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。二十世紀后，隨著工業(yè)的不斷發(fā)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(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)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(qū)動裝置。但是由于技術(shù)上的原因，在很長一段時期內(nèi)，占整個電力拖動系統(tǒng)80％左右的恒速拖動系統(tǒng)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(diào)速控制的拖動系統(tǒng)中則基本上采用的是直流電動機。

不過，由于結(jié)構(gòu)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(yǎng)困難，壽命較短；

（2）由于直流電動機存在換向火花，難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；

（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動機。

直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在調(diào)速范圍廣、穩(wěn)定性好、過載能力強、易實現(xiàn)調(diào)速控制等方面；缺點主要表現(xiàn)在直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對環(huán)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(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)堅固，工作可靠，易于維護保養(yǎng)；

（2）不存在換向火花，可以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；

（3）容易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動機等。

交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用環(huán)境廣、免維護、造價低、運行控制方便等方面；缺點主要表現(xiàn)在調(diào)速控制理論復(fù)雜且實現(xiàn)困難。但是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流控制理論的不斷完善以及計算機技術(shù)的不斷進步，尤其是變頻器的出現(xiàn)，使得交流調(diào)速系統(tǒng)在很多領(lǐng)域足以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，成為當今電力拖動系統(tǒng)的絕對主力。

3.2.3 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展

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

交流變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，成為當今節(jié)電、改善工藝流程以及提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的手段。它是一門綜合性的技術(shù)，是建立在控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)之上，并隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。由于變頻器具有頗多優(yōu)點，因而在社會生產(chǎn)的各種領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

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

在變頻調(diào)速方面，國內(nèi)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(shù)規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模，再加上相關(guān)產(chǎn)業(yè)的落后，使得至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當于國際上20世紀80年代中后期的水平。國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)著當今國際上先進的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部門在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用進口外國公司先進設(shè)計和裝置，自行開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。雖然取得很大成績，但產(chǎn)品的可靠性和工藝水平與國外還有差距，并且國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)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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