第一篇 全数字控制直流电动机驱动器

第1章 直流调速系统基础

1.1 绪论

直流电动机在电力拖动系统中具有两个突出的优点。首先，直流电动机具有良好的启动、制动和调速性能，主要是低速时能够稳定运行和输出额定转矩，启动转矩高，在恒功率区有较大的调速范围，等等。例如，轧钢机、造纸机、龙门刨等对启动和调速性能要求较高的设备，很长一段时间都采用直流调速系统。另外，由于直流电动机的数学模型较为简单、准确，使得直流调速控制系统的分析、计算及设计也较为容易，直流调速控制系统的理论分析和实际运用都比较成熟、经典，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

直流电动机也具有它不可克服的缺点，即由换向器和电刷组成的机械换向装置，运行时会产生电火花和电磁干扰，电刷易磨损，需定期维护、更换。由于直流电动机在应用中存在着这样一些限制，使得直流调速系统的发展也相应受到限制。在许多工业应用中，直流调速系统正逐步被高性能的交流调速系统取代。但是目前工业生产中许多场合仍然沿用以往的直流电动机，因此，在今后相当长的一个时期内，直流调速系统和交流调速系统并存。稳定、可靠的直流调速系统仍是电力拖动领域的重要组成部分。以带钢冷连轧机架主传动为例，它对调速系统的动态响应和控制精度要求很高，这两项指标直接影响到冷连轧机的生产效率和质量控制，也是对带钢厚度和轧钢张力进行精细控制不可或缺的手段。长期以来，冷连轧主传动一直被直流调速系统所占领。近年来，新建的冷连轧机都采用交流拖动，大功率的交—交变频系统已有20年的历史，现在用得更多的是交-直-交变频系统。

目前，工业用的直流电动机驱动器已是全数字化产品，具有使用方便、调速性能好、精度高、控制功能丰富、稳定、可靠等一系列优点。作为工业基础自动化系统的一个重要组成部分，直流电动机驱动器具有控制、监测、保护、通信等全部必备的功能。

市场上各种型号的直流电动机驱动器，尽管在功能和性能上有一定的差别，但其结构和使用方法基本相同。功率部分，单象限驱动器电枢由晶闸管三相全控桥供电，四象限驱动器电枢由两个晶闸管三相全控桥无环流反并联连接的电路供电，励磁供电采用2脉冲晶闸管单相半控桥电路。调速系统数字控制部分采用传统的由电流环和速度环组成的双闭环调速方案。驱动器还提供模拟量输入/输出、开关量输入/输出、PID调节器、运算、逻辑和通信等功能模块，经组态扩展基本装置的功能，如构成张力控制系统、位置控制系统等。在各种工艺软件的配合下，直流电动机驱动器可以满足各种应用场合对直流调速系统提出的要求。

全数字控制直流电动机驱动器发展至今，就像直流调速系统理论分析一样成熟、经典，已完全取代了模拟控制的直流电动机驱动器。从应用角度来考虑，本篇主要介绍全数字控制直流电动机驱动器的工作原理和应用技术。但是由于模拟系统物理概念清晰，为了便于读者理解和掌握，对建立转速、电流双闭环直流调速系统的基本概念和控制方法的过程仍按连续系统进行讲述。