【文章內(nèi)容簡介】 差頻率 控制、矢量控制、直接轉矩控制、非線性控制、自適應控制、滑模變結構控制、智能控制等。前四種已獲得成功應用，并有商品化產(chǎn)品，本章只討論前 2種控制方式。 1) V/f恒定控制 簡介 。 V/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓 ,使電動機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的效率、功率因數(shù)不下降。因為是控制電壓（ Voltage）與頻率 (Frequency)的比，稱為 V/f恒定控制。 此種控制方式比較簡單，多用于節(jié)能型變頻器，如風機、泵類機械的節(jié)能運轉及生產(chǎn)流水線的工作臺傳動等。另外，空調(diào)等家用電器也多采 用此控制方式的變頻器。 控制原理 如下 ： 異步電動機的同步轉速由電源頻率和電動機極數(shù)決定，在改變頻率時，電動機的同步轉速隨著改變。當電動機帶負載運行時，電動機轉子轉速略低于電動機的同步轉速，即存在轉差。轉差的大小和電動機的負載大小有關。 保持 V/f恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速最基本的控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使兩者之比為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。 13 電動機定子的感應電動勢 ： E1＝ f 1 N1 (31) 式中 Kwl—— 電動機繞組系數(shù)； f1 —— 電源頻率； N1 —— 電動機繞組匝數(shù)； Фm—— 每極磁通。 電動機端電壓和感應電動勢的關系式為 ： Ul＝ E1+(r1+jx1)I1， (32) 在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動機的端電壓和電動機的感應電動勢近似相等。由式 (21)可以看出，當電動機電源頻率變化時，若電動機電壓不隨著變化，那么電動機的磁通將會出現(xiàn) 飽和或欠勵磁。例如當電動機的頻率降低時，若繼續(xù)保持電動機的端電壓不變，即繼續(xù)保持電動機感應電動勢 E不變，那么，電動機的磁通 Ф m將增大。由于電動機設計時電動機的磁通常處于接近飽和值，磁通的進一步增大將導致電動機出現(xiàn)飽和。磁通出現(xiàn)飽和后將會造成電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗。而當電動機出現(xiàn)欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉矩。因此，在改變電動機頻率時應對電動機的電壓或電動勢進行控制，以維持電動機的磁通恒定。 [7]在變頻控制時，保持 E / f恒定，可以維持磁通恒定。 2） 矢量控制簡介 。 矢量 控制是一種高性能異步電動機控制方式，它基于電動機的動態(tài)數(shù)學模型，分別控制電動機的轉矩電流和勵磁電流，具有直流電動機相類似的控制性能。 直流電動機具有兩套繞組，勵磁繞組和電樞繞組。兩套繞組在機械上是獨立的，在空間上互差 90176。 ；兩套繞組在電氣上也是分開的，分別由不同電源供電。在勵磁電流恒定時，直流電動機所產(chǎn)生的電磁轉矩和電樞電流成正比，控制直流電動機的電樞電流可以控制電動機的轉矩，因而直流電動機具有良好的控制性能。當進行閉環(huán)控制時，可以很方便地構成速度、電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能。 根據(jù)異步電動 機的動態(tài)數(shù)學方程式，它具有和直流電動機的動態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應能得到和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控制 [7]。 矢量控制技術經(jīng)過 20多年的發(fā)展，在異步電動機變頻調(diào)速中已經(jīng)獲得廣泛應用。但是，矢量控制技術需要對電動機參數(shù)進行正確估算，如何提高參數(shù)的準確性是一直研究的課題。如果能對電動機參數(shù) (主要是轉子電阻 R2)進行實時辨識，則可隨時修改系統(tǒng)參 14 數(shù)。另外一種思路是設計新的控制方法，降低性能參數(shù)的敏感性。近年發(fā)展起來的直接轉矩控制采用滯環(huán)比較控制電壓矢量，使得磁通、 轉矩跟蹤給定值，系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能，在電氣機車、交流伺服系統(tǒng)中展現(xiàn)良好的應用前景 [8]。 變頻器的選擇 通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實現(xiàn)工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。 根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型 :普通功能型 u/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高性能型 u/f控制變頻器 (也稱無跳閘變頻器 )和矢量控制高性 能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求進行。對于風機、泵類等平方轉矩 (TL∝ n2)，低速下負載轉矩較小，通?？蛇x擇普通功 能型的變頻器。 [9] 大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述 :額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出 電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流 是選擇變頻器的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉子電動機額定電流要大于普通鼠 籠異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道電動機不僅 額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態(tài)，且輥道傳動大多數(shù)是多電動機傳動。應保持在無故障 狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 變頻器供給電動機的是脈動電流，電動機在額定運行狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機電流或功率大一個等級，一般為 : Pnv≥ (33) 式中 ： Pnv— 變頻器額定功率， kW； Pn— 電動機額定功率， kW 單片機 單片機 簡介 單片機又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了 I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機 .它是一種在線式實時控制計算機，在線式 15 就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用 PC）的主要區(qū)別 [10]。 早期的單片機都是 8位或 4位的。其中最成功的是 INTEL的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在 8031上發(fā)展出了 MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還 在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。 90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術得到了巨大提高。隨著 INTEL i960系列特別是后來的 ARM系列的廣泛應用， 32位單片機迅速取代 16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的 8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32位單片機主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至 1美元，最高端的型號也只有 10美元。當 代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的 Windows和 Linux操作系統(tǒng)。 單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國 50年代開發(fā)的 74系列，或者 60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大 PCB板 ， 但是如果要是用美 國 70年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別 。 只因 為單片機通過編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性 。 單片機的選擇 ，程序存儲器容量， I/O引腳數(shù)量 ，例如看門狗，雙指針，雙串口， RTC（實時時鐘）， EEPROM，擴展 RAM， CAN接口， I2C接口， SPI接口， USB接口。 3. Flash和 OTP（一次性可編程）相比較，最好是 Flash。 IP（雙列直插）， PLCC（ PLCC有對應插座）還是貼片。 DIP封裝在做實驗時可 能方便一點。 ，工業(yè)級還是商業(yè)機。如果設計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級。 ，比如設計并口加密狗，信號線取電只能提供幾個 mA,。 。例如設計電視機遙控器， 2節(jié)干電池供電，至少應該能在 電壓范圍內(nèi)工作。 [10] 16 控制算法 該系統(tǒng)采用 PID控制方法，將 PID算法編入單片機自動運行。其 算法 程序流程如圖 所示： 圖 PID 算法流程 PID 控制介紹 在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。 PID控制器問世至今已有近 70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用 PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象 ， 或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID控制技術。 PID控制，實際中也有 PI和 PD控制。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控 制的。 其控制規(guī)律為： (34) 1. 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 2. 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積 17 分項 ” 。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3. 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 （ delay） 組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項 ” ，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 數(shù)字 PID 控制算法實現(xiàn) 1. 數(shù)字 PID位置型控制算法： 把式 (34)變換為差分方程 ，為此可作如下近似 式中 ： T 為采樣周期， k 為采樣序號。 可得數(shù)字 PID位置型控制算式為： (35) 式 (35) 的控制算法提供了執(zhí)行機構的位置 u（ k），如閥的開度，所以被稱為數(shù)字PID位置型控制算式。 [11] 2. 數(shù)字 PID增量型算法 由式 (35)可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差 e（ i），不僅要占用較多的存儲單元， 而且不便于編寫程序，對此 可將式 (35)進行如下改進： (36) 18 其中 稱為比例增益； 稱為積分系數(shù)； 稱為微分系數(shù)。 為編程方便，可將式（ 36）改寫成如下形式 (37) 其中 19 4 系統(tǒng) 硬 件 設計 系統(tǒng)的 硬件 設計分 為兩部分 ： 1）以單片機為核心的 硬件 部分設計 。 主要包括： A/D轉換采樣及 PID控制，用戶按鍵輸入及顯示屏顯示，單片機與變頻器通信。 2）變頻器部分 的硬件 電路設計。主要包括：主電路和控制電路 。 系統(tǒng) 硬件 結構 如 圖 。 圖 系統(tǒng) 硬件 結構 示意圖 圖 實際供水系統(tǒng)示意圖 實際供水系統(tǒng)如圖 M1工作工頻直接接入電網(wǎng)， M2作變頻調(diào)速電機。其中氣壓供水罐根據(jù)情況選配，不一定必須配置，其作用是增加系統(tǒng)阻尼。除了氣壓供水罐外，其它 設備 是必 需 的。 系統(tǒng)工作 過程說明 20 1） 兩個泵 的 供水 方式 結合圖 ，這個恒壓供水系統(tǒng)由兩個泵，其中一臺泵 (M1)工作在工頻 ， 在系統(tǒng)處于 低 用水量時， 由它供水。這 時 變頻器不工作，電機 M2 不工作。當用水量上升，水壓下降超過設定 ，這時變