第一篇 全數字控制直流電動機驅動器

第1章 直流調速系統基礎

1.1 緒論

直流電動機在電力拖動系統中具有兩個突出的優點。首先，直流電動機具有良好的啟動、制動和調速性能，主要是低速時能夠穩定運行和輸出額定轉矩，啟動轉矩高，在恒功率區有較大的調速范圍，等等。例如，軋鋼機、造紙機、龍門刨等對啟動和調速性能要求較高的設備，很長一段時間都采用直流調速系統。另外，由于直流電動機的數學模型較為簡單、準確，使得直流調速控制系統的分析、計算及設計也較為容易，直流調速控制系統的理論分析和實際運用都比較成熟、經典，而且從反饋閉環控制的角度來看，它又是交流調速系統的基礎。

直流電動機也具有它不可克服的缺點，即由換向器和電刷組成的機械換向裝置，運行時會產生電火花和電磁干擾，電刷易磨損，需定期維護、更換。由于直流電動機在應用中存在著這樣一些限制，使得直流調速系統的發展也相應受到限制。在許多工業應用中，直流調速系統正逐步被高性能的交流調速系統取代。但是目前工業生產中許多場合仍然沿用以往的直流電動機，因此，在今后相當長的一個時期內，直流調速系統和交流調速系統并存。穩定、可靠的直流調速系統仍是電力拖動領域的重要組成部分。以帶鋼冷連軋機架主傳動為例，它對調速系統的動態響應和控制精度要求很高，這兩項指標直接影響到冷連軋機的生產效率和質量控制，也是對帶鋼厚度和軋鋼張力進行精細控制不可或缺的手段。長期以來，冷連軋主傳動一直被直流調速系統所占領。近年來，新建的冷連軋機都采用交流拖動，大功率的交—交變頻系統已有20年的歷史，現在用得更多的是交-直-交變頻系統。

目前，工業用的直流電動機驅動器已是全數字化產品，具有使用方便、調速性能好、精度高、控制功能豐富、穩定、可靠等一系列優點。作為工業基礎自動化系統的一個重要組成部分，直流電動機驅動器具有控制、監測、保護、通信等全部必備的功能。

市場上各種型號的直流電動機驅動器，盡管在功能和性能上有一定的差別，但其結構和使用方法基本相同。功率部分，單象限驅動器電樞由晶閘管三相全控橋供電，四象限驅動器電樞由兩個晶閘管三相全控橋無環流反并聯連接的電路供電，勵磁供電采用2脈沖晶閘管單相半控橋電路。調速系統數字控制部分采用傳統的由電流環和速度環組成的雙閉環調速方案。驅動器還提供模擬量輸入/輸出、開關量輸入/輸出、PID調節器、運算、邏輯和通信等功能模塊，經組態擴展基本裝置的功能，如構成張力控制系統、位置控制系統等。在各種工藝軟件的配合下，直流電動機驅動器可以滿足各種應用場合對直流調速系統提出的要求。

全數字控制直流電動機驅動器發展至今，就像直流調速系統理論分析一樣成熟、經典，已完全取代了模擬控制的直流電動機驅動器。從應用角度來考慮，本篇主要介紹全數字控制直流電動機驅動器的工作原理和應用技術。但是由于模擬系統物理概念清晰，為了便于讀者理解和掌握，對建立轉速、電流雙閉環直流調速系統的基本概念和控制方法的過程仍按連續系統進行講述。