【正文】 紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（ PLC） 。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 VME總線工控機(jī)是實(shí)時(shí)控制平臺(tái)，大多數(shù)運(yùn)行的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并由 OS制造商提供專用的軟件開發(fā)工具開發(fā)應(yīng)用程序。 1995 年 6月 PCI SIG 正式公布了 PCI 局部總線規(guī)范 版，同時(shí) PICMG 推出了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) PCI/ISA 無源背板總線標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是從 80 年代后期誕生的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，經(jīng)歷十幾年左右的發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn) 了幾個(gè)有代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)和幾個(gè)系列產(chǎn)品，較流行的有 : 1) Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線 它是作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。 此外還值得一提的是，可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路 (Highway Addressable Remote Transducer， HART)協(xié)議，它是由美國(guó) Rosemount 公司最早推出的一種兼容 4~20mA 模擬信號(hào)和調(diào)制數(shù)字信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。 4) LonWork(Local Operating Network 局部操作網(wǎng) )現(xiàn)場(chǎng)總線 它是由美國(guó) Echelon 公司于 1990 年正式推出的。智能功率模塊（ IPM）的廣泛應(yīng)用，使得新型電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。 2）應(yīng)用現(xiàn)代控制理論 在過去，人們感到自動(dòng)控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應(yīng)用方面卻不盡人意。 4）內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域 當(dāng)今是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，信息化的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。運(yùn)用所給定的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并校驗(yàn)，最后通過建立調(diào)速系統(tǒng)的模型應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。 3） 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法 保持直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值，電樞回路不串入外加電阻，僅改變電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。所以直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速要達(dá)到基速以上時(shí)才輔以弱磁調(diào)速。 [5] 直流調(diào)速系統(tǒng)可用的可控直流電源 1） 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生 第 11 頁 共 43 頁 11 可調(diào)的直流電壓。 在三相整流電路中，三相零式電路突出的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，用的晶閘管少、觸發(fā)器少，對(duì)需要 220V 電壓的 用電設(shè)備直接用 380V 電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器 [2]。輸出整流電壓脈動(dòng)小，所以平波電抗器容量就可小一些。電動(dòng)機(jī)額定電壓為 220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器 ,將電源電壓降低，為避三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器 采用 Δ/Y接法。 ，為保證觸發(fā)脈沖對(duì)稱度，要求高流電網(wǎng)波形畸變率小于 5%，廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。 如果要滿足 D=10， S=5%的要求，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落 Nn 可以根據(jù)公式求得 1 0 0 0 0 . 0 5 5 . 2 6 r / m in( 1 ) 1 0 ( 1 0 . 0 5 )NN nSn DS ?? ? ?? ? ? 顯然，簡(jiǎn)單的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)機(jī)械工藝要求，這就應(yīng)采用負(fù)反饋控制，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 （ 1）只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。 （ 3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)精度。 [5] 第 14 頁 共 43 頁 14 2） 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ： 圖 13 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置 TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接 。 對(duì)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器： （ 1）使被調(diào)量轉(zhuǎn)速 跟 隨給定轉(zhuǎn)速變化，保證穩(wěn)態(tài)無靜差。 （ 2）在啟動(dòng)過程，使電流跟隨電流給定值而變化。由以上的計(jì)算得知，不能滿足要 求。所以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過程。 1） 速度閉環(huán)中，速度反饋回路如開路，轉(zhuǎn)速將升至該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速，俗稱飛車。所以本文選擇方案 三 作為設(shè)計(jì)的最終方案。直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)兩部分。 (2)靜差率 S。 在啟、制動(dòng)過程中，電流閉環(huán)起作用，保持電流恒定，縮小系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間。圖中還表示出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅 (飽和 )電壓是 U*im，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電 流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓是 Uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 如圖所示為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，圖中帶限幅的輸出特性表示了 PI 調(diào)節(jié)器 ? 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ， ? 為電流反饋系數(shù)。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和， i imUU??? ，所 以 d dmII? 。此時(shí)只剩下電流環(huán)起作用，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速無靜差系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)電流無靜差的單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 之后， ASR 飽和， ACR起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差 ，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。 1)實(shí)驗(yàn)法。 第 21 頁 共 43 頁 21 圖 45 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流與電壓間、感應(yīng)電勢(shì)與電流之間 的數(shù)學(xué)模型 如圖表示了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路，假定主電路電流連續(xù)， 則 主電路電壓的微分 方程為： d0 dd dIU RI L Edt? ? ? 圖 46 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路 式中 R— 主電路的總電阻， L— 主電路的總電感，在額定勵(lì)磁下， E Cne? ，忽略摩擦力和彈性變形，電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程為 tnGDTT dd3752Le ?? 式中 Te— 電磁轉(zhuǎn)矩（ Nm? ） ,LT — 包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ Nm? ） , 2GD — 電力拖動(dòng)系統(tǒng)這算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量（ 2Nm? ）。 應(yīng)用以上各式，再運(yùn)用拉式變換 [9]，即可得到電流與電壓間 的傳遞函數(shù)為 第 22 頁 共 43 頁 22 0() 1/( ) ( ) 1ddlIs RU s E s T s??? 感應(yīng)電勢(shì)與電流之間的傳遞函數(shù)為 d()( ) ( ) ( )dL mE s RI s I s T s?? 測(cè)速、電流反饋環(huán)節(jié) 測(cè)速、電流反饋環(huán)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間是瞬時(shí)的，傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即 ()s ()nn UsW ns ??（ ） = i ()s ()iUsW Is ??（ ） = 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 用 (s)ASRW 和 (s)ACRW 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) [10]，應(yīng)用得到的各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示。因此有必要探討它的起動(dòng)過程。突加給定電壓后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。 第Ⅱ階段 t1～ t2 是恒流升速階段。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)， Ud0 和 Ud 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 Id恒定。在這階段開始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá) 到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。此后，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流 Id 也出現(xiàn)一段小于 IdL的過程，直到穩(wěn)定 (設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好 )。隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。分析過渡過程時(shí)，還必須注意初始狀態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。這個(gè)階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制，或稱“時(shí)間最優(yōu)控制”。 采用飽和非線性控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。這就是說，采用 PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。因此，不可逆的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然有很快的起動(dòng)過程，但在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車。這時(shí)，在起動(dòng)的第Ⅲ階段內(nèi)，電流很快下降到零而不可能變負(fù)，于是造成斷續(xù)的動(dòng)態(tài)電流，從而加劇了轉(zhuǎn)速的振蕩，使過渡過程拖長(zhǎng)，這是又一種非線性因素造成的。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。因此，在突加 (減 )負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降 (升 )。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對(duì)它的動(dòng)態(tài)抗擾效果也不一樣。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)則離被調(diào)量更遠(yuǎn)，它的波動(dòng)先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機(jī)電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。 第 5章 主電路計(jì)算 變壓器參數(shù)計(jì)算 一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓是不一致的，所以需要變流 變壓器， 通過變壓器進(jìn)行電壓變換，并使裝置于電網(wǎng)隔離，減少電網(wǎng)于晶閘管變流裝置的互相干擾。在要求不高的場(chǎng)合或近似估算時(shí)，可用以下公式近似計(jì)算。 裕量： 2330c osc os ??? OB ? 表 51 變流變壓器的計(jì)算參數(shù) 整流電路 單相雙 半波 單相半控橋 單相全控橋 三相半波 三相半控橋 三相全控橋 帶平衡電抗器的雙反星形 02/dA U U? 0/ddB U U? cos? cos +12? cos? cos? cos +12? cos? cos? C 2 2 d/IK I I? 1 1 2220( 1 ~ ) ( 1 ~ ) 120 ~ 145 2dU VU V VAB?? ? ??? 取 U2=130V變比： 12380 2 .9 2130UK U? ? ? 由表查的 22/IdK I I? =，即可得二次側(cè)電流的有效值 22 5 5 A 0 .8 1 6 4 4 .8 8dII I K A? ? ? ? ? 第 27 頁 共 43 頁 27 一次側(cè)電流有效值 1I 21 4 4 .8 8 1 5 .3 72 .9 2I AIAK? ? ? 變壓器一次側(cè)容量 S二次側(cè)容量 S變流變壓器的平均容量 S由公式 計(jì)算 1 1 2 2S mU I? 2 2 2 2S mU I? )(21 21 SSS ?? 式中： 1m 、 2m 為一 次側(cè)、二次側(cè)繞組的相數(shù)，對(duì)不同接線方式可由表查得： m1=3， m2=3 1 2 2 2 21 ( ) 3 1 3 0 4 4 . 8 8 1 7 . 52S S S m U I k V A? ? ? ? ? ? ? 設(shè)計(jì)時(shí)留取一定的裕量，可以取容量為 18KV A? 的整流變壓器。 第 29 頁 共 43 頁 29 第 6章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié) 器的設(shè)計(jì) 用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器，先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。 表 61 晶閘管整流器的失控時(shí)間（ f=50Hz） [5] 整 流 電 路 形 式 最大失控時(shí)間 smax()T ms 平均失控時(shí)間 ()sTms 單相半波 20 10 單相橋式（全波） 10 5 三相半波 三相橋式 2）電流濾波時(shí)間常數(shù) 0iT ：三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 ，為了基本慮平波頭，應(yīng)有（ 1~2） 0iT =，因此取 0iT =2ms=。電流環(huán)的另一個(gè)重要作用是對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)調(diào)節(jié)，從提高抗擾性能的觀 點(diǎn)出發(fā)又希望吧電流環(huán)校正成典型 II 型系統(tǒng) 。 2)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 113ci s oiw TT? 而 11 1 1 1 1 8 2 . 43 3 0 . 0 0 1 6 7 0 . 0 0 2 cis o iswTT ?? ? ?? 顯然也滿足近似條 件。 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù)： 1）電流 環(huán)等效時(shí)間常數(shù) 由于電流環(huán)按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且參數(shù)選擇為i ??，因此電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 2 2 0 .0 0 3 6 7 0 .0 0 7 3 4iTs? ? ?? 11 1 3 6 .2 42 2 0 . 0 0 3 6 7IiK T? ? ??? 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) onT ：根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況選取 ,onT =. 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)nT?： 2 0 .0 0 7 3 4 0 .0 1 0 .0 1 7 3 4onniT T T s? ? ? ? ??? 結(jié)構(gòu)選擇 由于設(shè)計(jì)有靜差要求，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，