第1章 绪 论
1.1 直流电机调速系统的发展状况
直流调速具有调速范围宽，调速平滑，启动转矩大，启动性能好等优点，因而在工业传动系统中得到广泛的应用。传动直流调速系统的触发器以及调节器都是由模拟电路来实现，其缺点是：
（1）触法精度易受电网电压波动的影响。 （2）触发脉冲不对称度较大。
（3）调节器中的运算放大器会因为电网电压和温度变化引起漂移儿产生运算误差。
（4）模拟器件的老化也会引起运算误差，甚至使已经整定到得系统性能变差。 六七十年来，直流电机传动经历了重大的变革。20世纪50年代晶闸管的出现拉开了变革的序幕。首先，长久使用的直流发电机电动机组及其水银整流装置被晶闸管整流装置所取代，形成了晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）完成了电气传动系统的一次大跃进。其次，脉宽调制的出现更加带动了电气传动的发展。随着科技的发展，由于高集成化、小型化、高可靠性及低成本的控制电路的出现，直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在各个领域中起着越来越重要的作用。
早期的直流传动的控制系统采用模拟分立器件构成，由于模拟器件其自身存在的诸如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，触发精度易受电网电压波
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动影响，运算误差大等缺点，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。20世纪80年代以来，出现的数字式直流电机调速系统开始全面取代了由模拟分立器件构成的直流传动系统，直流传动开始实现全数字化。数字式直流调速与模拟直流调速相比减弱了电网电压波动对触发精度的影响，在一定程度上减小了运算误差，同时抗干扰能力的提高不易受外界环境的影响也提高了控制精度和可靠性。通过与计算机的连通，直流调速系统的器件构成明显减少，故障率明显下降，在维修方面也变得更加的简单。通过计算机实现的数字化，使直流调速系统进入了一个全新的发展阶段。
1.2 数字式直流电机调速系统的研究概述 1.2.1 国外研究概况
20世纪80年代以后，随着全球数字化时代的到来，国外的各大企业已经开始将数字化制造技术当作了核心的技术来发展，数字化的竞争相当激烈。近些年，一些西方国家相当著名的公司都陆续推出了自己的的数字化直流调速产品，如西门子公司的SIMOREG K6RA24，ABB公司的PAD/PSD，GE公司的DC系列，CT公司的MENTOR系列等等，其中西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制
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调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。它们的产品已经成功的应用在了众多的机械设备之中，大量数字化产品的出现为高性能传动系统的出现提供了基本条件。
1.2.2 国内研究概况
目前国内的数字式直流调速系统的发展尚处于初级发展的阶段，国内没有完全自主的数字化直流调速装置生产企业，大量的设备需要通过进口，但这些设备价格昂贵无法满足国内的需要。目前，国内的不少大专院校，科研单位和厂家都在开发数字化装置，不少科研人员提出了很多优化数字化直流调速系统的方法和建议。数字式直流调速系统有着广阔的发展空间。其中有：
（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。
（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。
（3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。
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（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。
1.2.3现阶段直流电机常用驱动方式
(1)变频器控制方式
使用变频器对步进电机进行驱动控制时,可以很好的解决步进电机在启动和停止时容易失步的问题,提高了系统的控制精度。但是变频器的应用成本较高,结构和操作也比较复杂,无形中提高步进电机的控制难度。
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PLC控制方式
使用ABB、西门子、欧姆龙等国际知名PLC生产制造商研发的系列PLC产品可以实现对步进电机的理想化控制,但是基于PLC核心的步进电机控制系统成本高昂,且难以实现精确控制,在本系统中不太适合。
(3)单片机控制方式
随着嵌入式系统在工业控制领域中的广泛应用,以单片机特别是8051系列单片机作为控制核心的步进电机控制电路在生产生活领域得到了普及,单片机有着大规模数字集成电路和高成本控制芯片难以比拟的控制优势:体积小、价格便宜、
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通用性的接口以及编程简易。这些优势使得单片机在各行各业的应用都达到了一个新的高度。
1.3 数字式直流电机调速系统的设计意义
目前在不少机械制造企业中使用的B2151，B2152等大型龙门刨床，其所使用的KTS300/200A直流无级调速控制柜属于可控制逻辑控制无环流可逆直流调速控制系统。这种传统的控制直流调速系统控制回路的硬件设备及其复杂，故障率高，维修费用较高，该控制技术显得过时。对已经商品化集成化的产品进行微机化全数字式直流控制系统的更行改造，有极其高的经济价值和应用前景。
现在全球进入数字化时代，先进的制造技术是改造传统制造企业的有效手段，纵观国内外先进制造技术的现状和发展，可以看到数字化制造技术是先进制造技术的核心技术，是实施其先进技术的平台。数字化技术是制造业优质低耗，降低成本和快速响应市场的首选技术。
由于电力电子技术，计算机技术和通讯技术的快速发展，使得直流调速系统数字式方面的研究得到了很多国家的重视。现阶段较为先进的机床直流调速系统采用微机化数字控制的直流调速控制器。这类产品成功的用于冷，热连压机以及卷取机张力控制等生产机械，而且由过程控制模块组成，其结构和参数设置非常方便简单，工作稳定，不受环境影响，具有很强的自保护功能，因而使传动系统不仅具有很大的灵活性，还有很高的可靠性。对被控对象电动机的各种状态可实现快速，宽范围，高分辨率，高精度的检测，为高性能传动系统的实现提供了基
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