Entwicklungsstand und Aussichten für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren
In der modernen industriellen Produktion gibt es fast keinen Ort ohne den Einsatz elektrischer Antriebe. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Produktionstechnologie, der Produktqualität und der Leistung werden immer mehr Produktionsmaschinen benötigt, um eine automatische Geschwindigkeitsregulierung zu realisieren. Das elektrische Antriebssystem mit einstellbarer Geschwindigkeit kann in eine Gleichstrom-Geschwindigkeitsregelung und eine Wechselstrom-Geschwindigkeitsregelung unterteilt werden. Der Gleichstrommotor verfügt über hervorragende Geschwindigkeitsregulierungseigenschaften, eine sanfte und bequeme Geschwindigkeitsregulierung, eine leicht zu glättende Geschwindigkeitsregulierung in einem großen Bereich, eine große Überlastfähigkeit, kann häufigen Stoßbelastungen standhalten, kann häufiges stufenloses schnelles Starten, Bremsen und Rückwärtsdrehen realisieren und kann Erfüllen Sie verschiedene spezielle Betriebsanforderungen im Automatisierungssystem des Produktionsprozesses. Bisher wird es immer noch häufig in Metallschneidemaschinen, Papiermaschinen und anderen Bereichen eingesetzt, die einen leistungsstarken steuerbaren Elektroantrieb erfordern. Daher wird das DC-Geschwindigkeitsregelungssystem immer noch häufig in verschiedenen Produktionsabteilungen mit hohen Anforderungen an die automatische Steuerung eingesetzt. Es ist bis heute die wichtigste Form des Geschwindigkeitsregelungssystems. Gleichstrommotoren werden in zwei Kategorien unterteilt: Kommutatormotoren und Nichtkommutatormotoren. Der bürstenlose Gleichstrommotor wurde auf Basis des bürstenlosen Gleichstrommotors entwickelt. Im Jahr 1831 entdeckte Faraday das Phänomen der elektromagnetischen Induktion und legte damit den theoretischen Grundstein für moderne Motoren.
Der erste Gleichstrommotor wurde in den 1840er Jahren erfolgreich entwickelt. Es dauerte etwa 70 Jahre, bis der Gleichstrommotor ausgereift war. Mit der Ausweitung der Nutzung werden die Anforderungen an Gleichstrommotoren immer höher. Offensichtlich schränkt die Kontaktkommutierungsvorrichtung den Einsatz von Bürsten-Gleichstrommotoren in vielen Fällen ein. Um die mechanische Kontaktvorrichtung der Bürstenkommutatorstruktur des Bürsten-Gleichstrommotors zu ersetzen, wurde eine langfristige Forschung betrieben. Bereits 1915 erfand der Amerikaner Langmil den Quecksilbergleichrichter zur Netzsteuerung und baute den Wechselrichter von Gleichstrom auf Wechselstrom um; In den 1930er Jahren wurde vorgeschlagen, mithilfe von Ionengeräten den sogenannten Kommutatormotor zu realisieren, bei dem die Statorwicklung des Motors entsprechend der Rotorposition ausgetauscht wird. Diese Art von Motor hat aufgrund seiner geringen Zuverlässigkeit, seines geringen Wirkungsgrads und seines schweren und komplexen Gesamtgeräts keine praktische Bedeutung. Die rasante Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat zu einem Sprung in der Halbleitertechnologie geführt. Die erfolgreiche Entwicklung des Schalttransistors hat der Entwicklung eines neuen Motors – eines bürstenlosen Gleichstrommotors – neuen Schwung verliehen.
Entwicklungsstand und Aussichten für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren
1955 meldeten D. Harrison und andere in den Vereinigten Staaten erstmals ein Patent an, um den Motorbürstenkontakt durch eine Transistorkommutierungsleitung zu ersetzen, die der Prototyp eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist. Es besteht aus einem Leistungsverstärkungsteil, einem Signalerfassungsteil, einem Magnetpolkörper und einem Transistorschaltkreis. Sein Funktionsprinzip besteht darin, dass bei Drehung des Rotors ein periodisches Signalpotential in der Signalwicklung W1 oder W2 induziert wird. Dieses Signal schaltet die Transistoren BG1 bzw. BG2 ein, wodurch die Leistungswicklungen W1 und W2 der Reihe nach gespeist werden, dh es wird eine Kommutierung realisiert. Das Problem besteht darin, dass erstens, wenn sich der Rotor nicht dreht, kein induziertes Potential in der Signalwicklung vorhanden ist, der Transistor nicht vorgespannt ist und die Leistungswicklung nicht speisen kann, sodass dieser bürstenlose Motor kein Anlaufdrehmoment hat; zweitens ist aufgrund der geringen Vorderflankensteilheit des Signalpotentials die Leistungsaufnahme des Transistors groß. Um diese Nachteile zu überwinden, verwenden Menschen den Kommutator einer Zentrifugalvorrichtung oder platzieren Hilfsmagnetstahl auf dem Stator, um das zuverlässige Starten des Motors sicherzustellen, aber der Aufbau des ersteren ist komplex, während der letztere noch einen zusätzlichen Startimpuls benötigt; Dann, nach wiederholten Experimenten und kontinuierlicher Übung, fanden die Menschen schließlich die mechanische Kommutierungsvorrichtung mit Positionssensor und elektronischer Kommutierungsschaltung, um den bürstenlosen Gleichstrommotor zu ersetzen, was einen neuen Weg für die Entwicklung des bürstenlosen Gleichstrommotors eröffnete. In den frühen 1960er Jahren kamen nacheinander Positionssensoren vom Näherungsschaltertyp, Positionssensoren vom elektromagnetischen Resonanztyp und Positionssensoren vom Hochfrequenzkopplungstyp heraus, die sich etwas nähern, und dann kamen magnetoelektrische Kopplung und photoelektrische Positionssensoren heraus Durch die rasante Entwicklung der Halbleitertechnologie interessieren sich die Menschen für den Hall-Effekt, der 1879 von American Hall entdeckt wurde. Nach vielen Bemühungen wurde der bürstenlose Gleichstrommotor mit Hilfe des Hall-Effekts 1962 erfolgreich versuchsweise hergestellt. Mit dem Aufkommen der magnetempfindlichen Diode, die Tausende Male empfindlicher als das Hall-Element, wurde Anfang der 1970er Jahre ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Hilfe einer magnetempfindlichen Diode erfolgreich entwickelt.
Bei der Entwicklung verschiedener Arten von Positionssensoren versucht man, einen bürstenlosen Gleichstrommotor ohne zusätzliche Positionssensorstruktur zu finden. 1968 w. mieslinger aus der ehemaligen bundesrepublik deutschland schlug ein neues verfahren zur realisierung der kommutierung durch kapazitive phasenverschiebung vor: auf dieser grundlage entwickelte r. hanitsh aus der ehemaligen bundesrepublik deutschland erfolgreich einen bürstenlosen gleichstrommotor ohne zusätzlichen positionsensor zur realisierung der kommutierung mit dem Kombination aus digitalem Ringverteiler und Nulldurchgangsdiskriminator. Menschen haben sich der Erforschung der sensorlosen Position verschrieben. Gemäß dem Verfahren zur Identifizierung der Rotorpolposition eines Synchronmotors wird die Rotorpolposition eines bürstenlosen Gleichstrommotors indirekt durch Verwendung der induzierten elektromotorischen Kraft (Spannung) der Statorwicklung erhalten, d. h. durch ein indirektes Erfassungsverfahren. Verglichen mit dem direkten Erfassungsverfahren wird der Positionssensor weggelassen, was die Komplexität der ursprünglichen Motorkörperstruktur vereinfachen kann. Es ist besonders geeignet für kleine und kleine bürstenlose DC-Motoren. Seit den 1980er Jahren ist mit der rasanten Entwicklung der Mikrocomputertechnik der bürstenlose Gleichstrommotor ohne Rotorlagesensor in die Praxis übergegangen; Darüber hinaus wurde mit dem Aufkommen multifunktionaler Sensoren ein Sensor in dem bürstenlosen Gleichstrommotor-Servoantriebssystem verwendet, um gleichzeitig die Rotorpolposition, Geschwindigkeit und Servoposition zu erfassen.
Entwicklungsstand und Aussichten für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren
Seit der Geburt der Halbleitertechnologie in den späten 1950er Jahren ist die Entwicklungsgeschwindigkeit sehr hoch, und die Leistung von Leistungshalbleitergeräten wurde schrittweise verbessert. Gleichzeitig hat sich auch die entsprechende Treiberschaltung schnell entwickelt. Jetzt kann eine Treiberschaltung drei Phasen und sechs Schalter ansteuern, was die periphere Schaltung stark vereinfacht.
Schaltung, insbesondere das Design der Antriebsschaltung. Gleichzeitig hat das Aufkommen von Hochleistungs-Permanentmagnetmaterialien wie Samarium-Kobalt und Neodym-Eisen-Bor eine solide Grundlage für die breite Anwendung von bürstenlosen Gleichstrommotoren gelegt.
In einigen speziellen Anwendungsbereichen, die einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte erfordern, weist dies auf die glänzenden Aussichten des bürstenlosen Gleichstrommotorantriebs hin. Die internationale Entwicklungshitze des bürstenlosen Gleichstrommotors und seines Antriebssystems in allen Aspekten wird fortgesetzt. Infolgedessen wird der bürstenlose Gleichstrommotor auch in Zukunft das Objekt von leistungsstarken positionsfreien Servogeräten werden.
Im elektrischen Gleichstromantriebssystem ist eine spezielle steuerbare Gleichstromversorgung erforderlich. Folgendes: Erstens verwendete das ursprüngliche Gleichstrom-Drehzahlregelungssystem eine konstante Gleichspannung, um den Anker des Gleichstrommotors mit Strom zu versorgen, und realisierte die Drehzahlregelung durch Ändern des Widerstands im Ankerkreis. Dieses Verfahren ist einfach, leicht herzustellen und billig. Die Nachteile sind jedoch ein geringer Wirkungsgrad, weiche mechanische Eigenschaften und die Geschwindigkeit kann nicht stufenlos in einem weiten Bereich eingestellt werden, sodass sie derzeit nur selten verwendet wird. Zweitens tauchten Ende der 1930er Jahre Generatormotoren (auch als Rotationswandlergruppe bekannt) auf. Durch die Verwendung von Magnetverstärker, Motorexpander, Thyristor und anderen Steuergeräten kann eine hervorragende Drehzahlregelungsleistung erzielt werden, z. B. ein großer Drehzahlregelungsbereich (10: 1 bis Dutzende von: 1), eine kleine Drehzahländerungsrate und eine gleichmäßige Drehzahlregelung. insbesondere wenn der Motor verzögert wird, kann die Schwungradträgheit auf der Motorwelle leicht über den Generator in das Stromnetz zurückgespeist werden. Auf diese Weise lassen sich einerseits sanfte Bremseigenschaften erzielen, andererseits Energieverluste reduzieren und der Wirkungsgrad verbessern. Der Hauptnachteil des Generator- und Motordrehzahlregelsystems besteht jedoch darin, dass zwei rotierende Motoren, die dem Drehzahlregelmotor entsprechen, und einige zusätzliche Erregungsgeräte hinzugefügt werden müssen, sodass es schwierig ist, die Lautstärke aufrechtzuerhalten.
Entwicklungsstand und Aussichten für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren
Gleichstrommotoren werden in zwei Kategorien unterteilt: Kommutator und Nichtkommutator. Das Drehzahlregelsystem für Gleichstrommotoren verwendete zunächst eine konstante Gleichspannung, um den Gleichstrommotor mit Strom zu versorgen, und realisierte eine Drehzahlregelung durch Ändern des Widerstands im Ankerkreis. Dieses Verfahren ist einfach, leicht herzustellen und billig; Die Nachteile sind jedoch ein geringer Wirkungsgrad und weiche mechanische Eigenschaften, die keine breite und gleichmäßige Drehzahlregelungsleistung erzielen können. Diese Methode ist nur auf einige Felder mit geringer Leistung und ohne Geschwindigkeitsregulierungsbereich anwendbar. In den späten 1930er Jahren machte das Aufkommen von Generator- und Motorsystemen Gleichstrommotoren mit hervorragender Drehzahlregelungsleistung weit verbreitet. Dieses Steuerverfahren kann einen großen Geschwindigkeitsregulierungsbereich, eine kleine Geschwindigkeitsänderungsrate und eine gleichmäßige Geschwindigkeitsregulierungsleistung erzielen. Die Hauptnachteile dieses Verfahrens sind jedoch ein großes Systemgewicht, ein großer Flächenverbrauch, eine geringe Effizienz und eine schwierige Wartung. In den letzten Jahren hat mit der rasanten Entwicklung der Leistungselektroniktechnologie das von einem Thyristorwandler gespeiste Gleichstrommotor-Drehzahlregelungssystem das Generator- und Motordrehzahlregelungssystem ersetzt, und seine Drehzahlregelungsleistung hat die des Generators, die dynamische Leistung und die Zuverlässigkeit bei weitem übertroffen . Die Entwicklung von IGBT und anderen Hochleistungsgeräten in der Leistungselektroniktechnologie ersetzt Thyristoren, und ein DC-Drehzahlregelungssystem mit besserer Leistung ist entstanden. Lange Zeit konzentrierte sich die Forschung auf dem Gebiet der Simulation auf die Erstellung eines Simulationsmodells, d. h. nach der Erstellung eines Systemmodells sollte ein Algorithmus entworfen werden, um das Systemmodell vom Computer akzeptieren und dann kompilieren zu lassen Computerprogramm und auf dem Computer ausgeführt werden. Daher wurden nacheinander verschiedene Simulationsalgorithmen und Simulationssoftware entwickelt.
Da es wenig Forschung zu Modellbildung und Simulationsexperimenten gibt, dauert die Modellierung normalerweise lange. Gleichzeitig muss sich die Analyse von Simulationsergebnissen auch auf relevante Experten stützen, und es fehlt an direkter Anleitung für Entscheidungsträger, was die Entscheidungsfindung stark behindert. Es behindert die Popularisierung und Anwendung der Simulationstechnologie.
Simulink, ein von MATLAB bereitgestelltes Simulationstool für dynamische Systeme, ist unter vielen Simulationssoftware die leistungsstärkste, hervorragendste und benutzerfreundlichste. Es löst effektiv die Probleme in der obigen Simulationstechnologie. In Simulink wird die Modellierung des Systems sehr einfach, und der Simulationsprozess ist interaktiv, sodass die Simulationsparameter nach Belieben geändert und die geänderten Ergebnisse sofort erhalten werden können. Darüber hinaus können die Simulationsergebnisse mit verschiedenen Analysewerkzeugen in MATLAB analysiert und visualisiert werden.
Simulink kann über das ideale lineare Modell hinausgehen, um realistischere Modelle nichtlinearer Probleme wie Reibung, Luftwiderstand, Zahneingriff und andere natürliche Phänomene in der realen Welt zu untersuchen; Es kann große Sterne und kleine Molekülatome simulieren. Es kann eine Vielzahl von Objekten modellieren und simulieren, die entweder mechanische, elektronische und andere reale Einheiten oder ideale Systeme sein können. Es kann die Komplexität dynamischer Systeme simulieren, die kontinuierlich, diskret oder hybrid sein können. Simulink wird Ihren Computer zu einem Labor machen, das verwendet werden kann, um verschiedene Systeme zu modellieren und zu simulieren, die existieren, nicht existieren oder sogar das Gegenteil in der Realität sind.
Die traditionellen Forschungsmethoden umfassen hauptsächlich analytische Methoden, experimentelle Methoden und Simulationsexperimente. Die ersten beiden Methoden haben nicht nur ihre eigenen Vorteile, sondern auch unterschiedliche Einschränkungen. Mit der Entwicklung der Produktionstechnologie werden höhere Anforderungen an den elektrischen Antrieb beim Starten und Bremsen, Vorwärts- und Rückwärtsdrehen, Geschwindigkeitsregelungsgenauigkeit, Geschwindigkeitsregelungsbereich, statische Eigenschaften, dynamische Reaktion usw. gestellt, was eine umfassende Nutzung der Geschwindigkeit erfordert Regulierungssystem. Aufgrund der guten Geschwindigkeitsregelungsleistung und Drehmomentregelungsleistung des Gleichstrommotors wird seit den 1930er Jahren ein Gleichstrom-Geschwindigkeitsregelungssystem verwendet. Sein Entwicklungsprozess ist wie folgt: von der frühesten Drehstromrichtersteuerung bis zur Verstärker- und Magnetverstärkersteuerung. Darüber hinaus wird die DC-Drehzahlregelung mit einem statischen Thyristor-Umrichter und einem analogen Controller realisiert. Über den PWM-Regelkreis aus regelbarem Gleichrichter und Hochleistungstransistor wird später eine digitale DC-Drehzahlregelung realisiert, die die Schnelligkeit, Regelbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Systems kontinuierlich verbessert. Die kontinuierliche Verbesserung der Leistung der Geschwindigkeitsregelung macht die Anwendung des DC-Geschwindigkeitsregelungssystems immer weiter verbreitet.
Entwicklungsstand und Aussichten für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren
Mit der Entwicklung der Produktionstechnologie werden höhere Anforderungen an den DC-Elektroantrieb in Bezug auf das Starten und Bremsen, die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung, die Regelgenauigkeit, den Drehzahlregelbereich, die statischen Eigenschaften und das dynamische Verhalten gestellt, was eine große Anzahl von DC-Drehzahlregelungssystemen erfordert. Daher wird die Forschung zum DC-Geschwindigkeitsregelsystem eingehender sein.
Der Gleichstrommotor ist der früheste Motor und der früheste Motor, der eine Drehzahlregelung realisiert. Der Gleichstrommotor hat lange Zeit die dominierende Position der Drehzahlregelung eingenommen. Aufgrund seiner guten linearen Geschwindigkeitsregelungseigenschaften, der einfachen Steuerleistung, des hohen Wirkungsgrads und der hervorragenden dynamischen Leistung ist es immer noch die beste Wahl für die meisten Steuermotoren zur Geschwindigkeitsregelung. Daher ist es von großer Bedeutung, die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren zu untersuchen. Die Ankerspannung des Gleichstrommotors wird von der Dreiphasen-Thyristor-Gleichrichterschaltung über die Glättungsdrossel L zugeführt, und der Steuerwinkel des Thyristors wird durch Ändern des Trigger-Phasenverschiebungs-Steuersignals UC eingestellt, um die Ausgangsspannung zu ändern des Gleichrichters und realisieren die Drehzahlregelung des Gleichstrommotors. Abbildung 1-1 ist das schematische Diagramm des Thyristor-Gleichstrommotor-Drehzahlregelungssystems. In der Figur ist VT ein thyristorsteuerbarer Gleichrichter. Durch Einstellen der Steuerspannung Uc der Triggervorrichtung zum Verschieben der Phase des Triggerimpulses kann die durchschnittliche gleichgerichtete Spannung UD geändert werden, um eine gleichmäßige Geschwindigkeitsregelung zu realisieren.
