浅析他励直流电机电压反馈的优缺点及其负载特性刘海强

浅析他励直流电机电压反馈的优缺点及其负载特性刘海强

刘海强

(广东省韶关市仁化凡口矿采矿机动科广东省韶关市512000)

摘要：本文以他励直流电动机为研究对象，讨论他励直流电机的速度闭环控制中，各种反馈模式的优缺点和对其负载特性的影响，其中尤以电枢电压反馈的介绍做为重点。

关键词：直流电动机闭环控制电枢电压反馈负载特性

一、绪论

直流电动机因其具有良好的启动和调速性能，在工业领域中得到了广泛的应用，随着科技的发展和对工业控制领域要求的不断提高，直流电动机在应用上更追求更高的要求了。配有晶闸管整流装置的直流电动机，在电机启动、调速、控制上因其方便、精密、可控性高、安全性能更完善而在生产上得到很大的应用，已经成为中等功率直流电动机应用的主导方向。当然了，现代技术方便了生产，但对其的应用如何应用的更好形成了一个学问，特别是在直流电机的过程控制上，应用于速度闭环控制的反馈源因为种类不同，产生的效果不同而具有广泛的研究。而围绕着这个课题，又是多少工程师不断追求的理想目标。

二、直流电动机的简介和应用

近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生存及人们的日常生活中都有机器广泛的应用。在电动机的发展中首先发展的是直流电动机，直流电动机更具历次方式的不同分为他励、并励、串励、和复励四类，他们的运行特性也不尽相同，本文主要介绍在调速系统中用的最多的他励直流电动机。直流电动机相对于交流电动机虽然制造工艺复杂、可靠性差、生产成本高，但是因其具有交流电动机不能比拟的良好启动性能和调速性能，具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊的要求。目前，虽然就电动机的调速问题已经解决，但是，速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械，仍采用直流电动机拖动。

三、直流电动机的调速

直流电动机的调速一般有改变电枢回路电阻调速；改变电枢电压调速；改变励磁电流调速等几种，现代工业广泛应用的是电枢电压调速，因电枢电压与输出速度有比例关系，这种调速方式在工业生产中得到广泛应用。借助于现代控制理论和技术，于整流装置同时使用的直流电机可以实现速度闭环控制。

本文将用于西门子6RA70装置配套使用的直流电动机为例做介绍。

1、反馈源的种类

用西门子6RA70装置作为控制源的直流电动机，其反馈源可以通过6RA70装置进行设置，设置方式如下：

P083=1——为模拟测速机反馈，P741中设置最高转速时的测速机电压。

P083=2——为脉冲编码器反馈，P140选择编码器类型，P141选择脉冲数/转,P142选择脉冲编码器的信号电压。P143选择脉冲编码器的最大运转速度（转/分）。

P083=3——为EMF反馈，不需要测速硬件设备。P115中设置最高转速时的EMF断崖值（P078的百分数）。

这三种反馈方式中，EMF反馈不需要另外的硬件设施，其他两种都需要另接设备。但从其反馈信号精度来说，其效果是最差的，但是就其控制基础来说，EMF反馈是其他两种反馈的基础，测速反馈和编码器反馈都是依据从电机轴得到一个信号然后经过放大电路的计算，从而是控制装置得到一个比EMF反馈更稳定、更精确的信号，从这个方面分析我们可以知道EMF反馈相对比较有什么样的优缺点。

2、EMF反馈的特点

枢电压反馈（EMF）：其反馈源为电枢端电压，依据在电枢回路一定情况下，电枢电压与转速成正比来实现电机的调速控制。

反电势emf=电枢电压U-电枢电流i*电枢电阻和从这两个公式可以看出，EMF反馈除了跟电枢电压有关，也跟电枢电流和电枢电阻有关的，但是在反馈计算过程中，是依据电枢电压与转速成正比来计算的，其反馈的速度与电机速度有个△N的静态差，这样相对于测速机反馈和编码器反馈，精度比较低，调速特性会比较软。当然因为电枢电阻比较小，在电流不大范围内，可以认为EMF反馈近似速度反馈。

EMF优点：不需要转速传感器反馈。

EMF缺点：不能自动的实现弱磁升速，因受电枢电阻影响，反馈精度不高，在电枢电流工作在非负载条件下，反馈与速度偏差较大。其反馈特性比较软。

3、从负载特性分析EMF反馈

EMF反馈之所以能够实现闭环控制，就是依据电枢电压与转速成正比来实现电机的调速控制。在这个过程中，电机的负载输出不断与实际输出进行比较，从而可以通过比较误差来修正给定输出转矩。但是这个实际输出就是通过EMF反馈信号为依据计算出来的，如果反馈信号本身误差较大，就会影响闭环控制效果。

EMF调速的负载特性如图1

图1他励电动机改变EMF调速

通过改变输出电压U，从而改变电动机的转速n,在不同的电枢电压U时，其得到的机械特想便是一簇完全平行的直线，由于电枢电压不同，电动机能够稳定在不同的转速n上。在EMF反馈中，根据公式可以知道其反馈的速度与电机速度有个△N的静态差，如图1，当电机实际转速为N,但是因为有△N转载存在，EMF反馈信号就可能会在1，2，3等上达到稳定转速，这样速度闭环控制就难以稳定可靠的效果。

四、总结

本文从电动机的负载特性上讲述了电枢电压反馈的优缺点和其负载特性，虽然现代工业因为电枢电压反馈的这些缺点，而一般采用了测速机反馈或编码器测速反馈。但是后面两种方式的产生，也正是因为对电枢电压反馈的特性深入的研究后，在不改变理论基础上优化得到的，作为专业工程师，必须要了解各种反馈的特性，从而为以后处理问题，解决问题提供方法和依据。也希望继来者能够从中得出灵感，总结出一种更精确可靠的闭环控制方式。

参考文献:

【1】邹宝钦.浅析他励直流电动机的可控硅调速[J].电力与电工,1997(4):49-50.

【2】周华锋,康少华,王爱荣,等.IR2110S在他励直流电动机励磁驱动设计中的应用[J].军事交通学院学报,2013,15(1):58-62.