【文章內容簡介】 直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著計算機控制技術的發(fā)展，直流傳動系統(tǒng)己經廣泛使用微機，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微機以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。所以，全數(shù)字直流調速控制精度和可靠性比模 擬直流調速系統(tǒng)大大提高。而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能與管理計算機、過程計算機、遠程電控裝置進行交換，實現(xiàn)生產過程的自動化分級控制。所以，直流傳動控制采用微機實現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調速系統(tǒng)進入一個嶄新的階段。 微機，出現(xiàn)于 20 世紀 70 年代，隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造 工 藝的迅速發(fā)展，微機的性能越來越高，價格越來越便宜。此外，電力電子的發(fā)展，使得大功率電子器件的性能迅速提高。因此就有可能比較普遍地應用微機來控制電機，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛 在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合使 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文） 2 要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機，使電機出現(xiàn)新的面貌。 比較簡單的電機微機控制，只要用微機控制繼電器或電子開關元件使電路開通或關 斷就可以了。在各種機床設備及生產流水線中，現(xiàn)在己普遍采用帶微機的可編程控制器， 按一定的規(guī)律控制各類電機的動作。 對于復雜的電機控制，則要用微機控制電機的電壓、電流、轉矩、轉速、轉角等等，使電機按給定的指令準確工作。通過微機控制，可使電機的性能有很大的提高。傳統(tǒng)的直流電機和交流電機各有優(yōu)缺點，直流電機調速性能好，但帶有機械換向 器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結構都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網上運行時，它們的速度不能方便而經濟地調節(jié)。目前，廣泛應用于數(shù)控機床等自動化設備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng)。為了提高性能，在先進的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，己采用高速數(shù)字化處理芯片 (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR，簡稱 DSP)，其指令執(zhí)行速度達到每秒數(shù)百兆以上，且具有適合于矩陣運算的指令。 目前，很多電機微機控制系統(tǒng)都是由數(shù)字部件和模擬部 件組成的混合系統(tǒng)，而全數(shù)字控制系統(tǒng)是當前的發(fā)展方向。在微機控制系統(tǒng)中，通常是既有模擬信號，也有數(shù)字信號；既有連續(xù)信號，也有離散信號。由于計算機的 CPU 只能識別和處理數(shù)字信號，而且只能一次次離散地處理，所以計算機處理外界信息時總要有一個采樣過程，電機微機控制系統(tǒng)必然是一種采樣控制系統(tǒng)。 電機采用微機控制，還具有以下特點 : (1)硬件比較簡單，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化。 (2)可以分時操作；一臺微機可以起多個控制器的作用，為多個控制回路服務；也可控制多個電機，完成較多功能 。 (3)計算機具有記憶和判斷功能，系統(tǒng)的控制方式由軟件決定，若要改變控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制規(guī)律編出新的程序即可；且可在運行中隨時根據(jù)不同的電機上作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結構及控制策略等；使系統(tǒng)具有很強的靈活性和適應性。 (4)計算機的運算速度快，精度高。它有豐富的邏輯判斷功能和大容量 的存儲單元，因此有可能實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，如采樣參數(shù)辨識 優(yōu)化控制等現(xiàn)代控制理論所提供的控制算法，以達到較高的控制質量。 (5)數(shù)字量的運算不會出現(xiàn)模擬電路中所遇到的零 點漂移問題，被控量可以很大，也可以很小，都較易保證足夠的控制精度。 (6)信息處理能力強，可以完成各種數(shù)據(jù)的處理，及時給操作人員提供有用的信息和指示。 正因為有上述優(yōu)點，電機微機控制的理論及應用發(fā)展得非常迅速，新產品不斷涌現(xiàn)和普及 。 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文） 3 電機調速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一從 80 年代中后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調速傳動裝置，當前直流調速己發(fā)展到一個很高的技術水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術；控制方 式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微機及其他先進技術，使數(shù)字式直流調速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強大的抗干擾能力，在國內外得到廣泛的應用。全數(shù)字化直流調速裝置作為最新控制水平的傳動方式更顯示了強大優(yōu)勢。全數(shù)字化直流調速系統(tǒng)不斷推出，為工程應用提供了優(yōu)越的條件。 采用微機控制后，整個調速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，結構簡單，可靠性高，操作維護方便，電機穩(wěn)態(tài)運行時轉速精度可達到較高水平。直流電機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑，方便，調速范圍廣；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動， 制動和反轉；能滿足生產過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。由于微機具有較佳的性能價格比，所以微機在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。近年來，盡管交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機良好的啟動、制動性能，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要廣泛范圍內平滑調速的高性能可控電力拖動領域中得到了廣泛的應用 . 現(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化控制直流調速裝置商用，國外先進的控制器價格昂貴，研究及更好的使用國外先進的控制器，具有重要的實際意義和重大的經濟價值。 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文） 4 第 2 章 單閉環(huán)控制直流脈寬調速系統(tǒng) 在現(xiàn)代化 工 業(yè)生產中，生產機械都不停地運動著，幾乎無處不使用電力傳動裝置。由于各種不同的生產機械運動規(guī)律不一樣，對傳動裝置性能的要求也不一樣。為了提高產品質量，增加產量，提高生產效率，越來越多的生產機械要求能實現(xiàn)轉速調節(jié)與相應的自動化控制，并且對電力傳動裝置的拖動性能要求也越來越高。 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)簡介 直流電動機的調速方案 由電機學基本理論可知，直流電動機轉速特性方程式為 ?e aK RIUn ?? （ 21） 由上式可見，直流電動機調速方案可有以下三種： 1. 改變電樞回路總電阻 R 如圖 21，總電阻 R 越大，特性線斜率越大，機械特性越軟。若負載轉矩為 TL，對應所需的電樞電流為 IaL，則負載大小不變時總電阻越大，轉速越低。由于電阻耗能大，機械特性軟，調速范圍窄，不能實現(xiàn)無級平滑調速，只用于一些要求不高的場合。 R aR a + R 1R a + R 2nn 0n 1n 2n 3n 2n 1nR 1 R 2I a 圖 21 變電阻調速特性 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文） 5 ??1???1?n 0n 0 1n A 1AoTT L 圖 22 弱磁調速 Q 普通電動機在額定磁通下運行，鐵芯己接近飽和，不能再增加磁通而只能減小。如圖 22， Q 減小， n。增大，特性線斜率也增大。 弱磁調速雖然能實現(xiàn)平滑調速，但其調速范圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉速以上作小范圍升速時才采用。 如圖 23，額定勵磁保持不變，理想空載轉速 n。隨 U減小而減小，各特性線斜率不變，由此可實現(xiàn)額定轉速以下大范圍平滑調速，并且在整個調速范圍內機械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖 動系統(tǒng)中被廣泛采用。 U NU 1U 2U 3T LTA ( n )A 1 ( n 1 )A 2 ( n 2 )A 3 ( n 3 )nn 0 1n 0 2n 0 3U N U 1 U 2 U 3A0 圖 23 改變電樞電壓調速特性 變電壓調速要有可調的直流電源。根據(jù)供電電源的種類分兩種情況：一是采用可控硅變流裝置，將交流電轉變?yōu)榭烧{的直流電。二是采用直流斬波器，將交流電通過整流提供直流電源，實現(xiàn)脈沖調壓調速。隨著電力電子全控器件的成熟，采用全控電力晶體管 IGBT、 MOSFET 等全控式電力電子器件組成的直流脈寬調制 (PWM)型的調速系統(tǒng)近年來己發(fā)展成熟，用途越來越廣。 調速系統(tǒng)的靜態(tài)指標 第一個指標為 調速范圍 D，它是拖動系統(tǒng)在額定負載轉矩時能夠提供給生產機械的最高轉速與最低轉速之比。 minmaxnnD? （ 22） 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文） 6 另一個指標為靜差率 s，它是電動機由理想空載到額定負載時的轉速降與理想空載轉速 n。之比。 %10000000 ????? nnn nns mnmn (23) 它表示負載變化引起調速系統(tǒng)的轉速偏離原定轉速的程度。系統(tǒng)的調速特性 越硬，s 越小，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性能越好。另外，轉速越低，靜差率越大，故調速系統(tǒng)靜差率指標以最低轉速對應的數(shù)值為準。在考慮生產機械對轉速相對性 (即靜差率 )的要求后，電動機最低轉速受到了限制，也即調速范圍受到限制。 采用降壓調速時，調速范圍、靜差率及轉速降三者關系為： ? ?sn snD mn mn ??? 10 0 (24) 在這里為了分析簡單，不單獨討論開環(huán)系統(tǒng)，由簡單閉環(huán)系統(tǒng)引出開環(huán)系統(tǒng)的特性。 Un ? Un?U c t U d 0I d RE+++ +K PK S?1Cen 圖 24 閉環(huán)調速系統(tǒng) 如圖 24 的轉速閉環(huán)調速系統(tǒng)，如果把閉環(huán)系統(tǒng)的反饋回路斷開，就成了開環(huán)系統(tǒng)，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為 opopede sspe dd nnCRIC UKKC RIUn ???????0*0 (25) 而閉環(huán)時的靜特性可寫成 ? ? ? ? clcle dnsp nnKC RIKCe UKKn ??????? 0*11 (26) 其中 n0op 和 n0cl，分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速 ； Δnop 和 Δncl 分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降；eSP CKKK ?? 。比較式 (25)和 (26)可以得出以下結論。 （ 1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。 在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降分別為 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文） 7 edop CRIn ?? ? ?KC RInedcl ??? 1 它們的關系是 Knn opcl ????1 (27) 顯然，當 K 值較大時， Δncl 比 n0op 小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。 ( 2 ) 如果比較同一 n。的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 clclnns0?? 和opopop nns0?? 當開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降相等 (即 n0cl = n0op)時， Kss opcl ??1 (28) ( 3 ) 當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大 大提高調速范圍。 如果電動機的最高轉速都是 nomn ，而對最低速靜差率的要求相同，則 開環(huán)時， ? ?snsnDopnomop ??? 1 閉環(huán)時， ? ?sn snD clnomcl ??? 1 考慮式 (2— 7)可得 ? ? opcl DKD ?? 1 (29) 要取得上述優(yōu)越性，只要閉環(huán)系統(tǒng)設置放大器即可?？傊?，閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng) 硬得多的特性，從而保證在一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍。在閉環(huán)系統(tǒng)中降低速降的實質是：在開環(huán)系統(tǒng)中，當負載電流增大時，電樞壓降也增大，轉速就降下來了；閉環(huán)系統(tǒng)有反饋裝置，轉速稍有降落，反饋電壓就感覺出來了，通過比較和放大，提高脈寬調制的輸出電壓 Ud，使系統(tǒng)上作在新的機械特性上，因而轉速有所回升，速度降落降低。 采用比例調節(jié)器的單閉環(huán)控制脈寬調速系統(tǒng) 采用比例調節(jié)器的單閉環(huán)控制脈寬調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖 25a 所示。 當 Un* = 0 時，只有擾動輸入量 Idl，這是的輸出量即為負載擾 動引起的轉速偏差 (即動態(tài)速降 ) Δn，可將動態(tài)結構圖畫成如圖 25b 的形式。 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系畢業(yè)設計（論文） 8 U c t ( s )I d l ( s )+++ +K P?n? ?U n s? ? ?U n s? 1K pw mTs