【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 直流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直流傳動(dòng)系統(tǒng)己經(jīng)廣泛使用微機(jī)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微機(jī)以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度和可靠性比模 擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。而且通過(guò)系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能與管理計(jì)算機(jī)、過(guò)程計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程電控裝置進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化分級(jí)控制。所以，直流傳動(dòng)控制采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。 微機(jī)，出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 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(jī)的性能越來(lái)越高，價(jià)格越來(lái)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(yīng)用微機(jī)來(lái)控制電機(jī)，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛 在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合使 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機(jī)，使電機(jī)出現(xiàn)新的面貌。 比較簡(jiǎn)單的電機(jī)微機(jī)控制，只要用微機(jī)控制繼電器或電子開(kāi)關(guān)元件使電路開(kāi)通或關(guān) 斷就可以了。在各種機(jī)床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在己普遍采用帶微機(jī)的可編程控制器， 按一定的規(guī)律控制各類(lèi)電機(jī)的動(dòng)作。 對(duì)于復(fù)雜的電機(jī)控制，則要用微機(jī)控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過(guò)微機(jī)控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。傳統(tǒng)的直流電機(jī)和交流電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向 器，有機(jī)械磨損及換向火花等問(wèn)題；交流電機(jī)，不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。目前，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng)。為了提高性能，在先進(jìn)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(jiǎn)稱(chēng) DSP)，其指令執(zhí)行速度達(dá)到每秒數(shù)百兆以上，且具有適合于矩陣運(yùn)算的指令。 目前，很多電機(jī)微機(jī)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(dāng)前的發(fā)展方向。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，通常是既有模擬信號(hào)，也有數(shù)字信號(hào)；既有連續(xù)信號(hào)，也有離散信號(hào)。由于計(jì)算機(jī)的 CPU 只能識(shí)別和處理數(shù)字信號(hào)，而且只能一次次離散地處理，所以計(jì)算機(jī)處理外界信息時(shí)總要有一個(gè)采樣過(guò)程，電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)必然是一種采樣控制系統(tǒng)。 電機(jī)采用微機(jī)控制，還具有以下特點(diǎn) : (1)硬件比較簡(jiǎn)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(shí)操作；一臺(tái)微機(jī)可以起多個(gè)控制器的作用，為多個(gè)控制回路服務(wù)；也可控制多個(gè)電機(jī)，完成較多功能 。 (3)計(jì)算機(jī)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(yùn)行中隨時(shí)根據(jù)不同的電機(jī)上作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略等；使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。 (4)計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(chǔ)單元，因此有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如采樣參數(shù)辨識(shí) 優(yōu)化控制等現(xiàn)代控制理論所提供的控制算法，以達(dá)到較高的控制質(zhì)量。 (5)數(shù)字量的運(yùn)算不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中所遇到的零 點(diǎn)漂移問(wèn)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(qiáng)，可以完成各種數(shù)據(jù)的處理，及時(shí)給操作人員提供有用的信息和指示。 正因?yàn)橛猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，電機(jī)微機(jī)控制的理論及應(yīng)用發(fā)展得非常迅速，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)和普及 。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動(dòng)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(jìng)相開(kāi)發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置，當(dāng)前直流調(diào)速己發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方 式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。全數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動(dòng)方式更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷推出，為工程應(yīng)用提供了優(yōu)越的條件。 采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，操作維護(hù)方便，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣；過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)， 制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。由于微機(jī)具有較佳的性能價(jià)格比，所以微機(jī)在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機(jī)良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 . 現(xiàn)階段，我國(guó)還沒(méi)有自主的全數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置商用，國(guó)外先進(jìn)的控制器價(jià)格昂貴，研究及更好的使用國(guó)外先進(jìn)的控制器，具有重要的實(shí)際意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 單閉環(huán)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 在現(xiàn)代化 工 業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械都不停地運(yùn)動(dòng)著，幾乎無(wú)處不使用電力傳動(dòng)裝置。由于各種不同的生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律不一樣，對(duì)傳動(dòng)裝置性能的要求也不一樣。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率，越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與相應(yīng)的自動(dòng)化控制，并且對(duì)電力傳動(dòng)裝置的拖動(dòng)性能要求也越來(lái)越高。 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案 由電機(jī)學(xué)基本理論可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性方程式為 ?e aK RIUn ?? （ 21） 由上式可見(jiàn)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)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(jī)械特性越軟。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 TL，對(duì)應(yīng)所需的電樞電流為 IaL，則負(fù)載大小不變時(shí)總電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。由于電阻耗能大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍窄，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場(chǎng)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(diào)速特性 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 ??1???1?n 0n 0 1n A 1AoTT L 圖 22 弱磁調(diào)速 Q 普通電動(dòng)機(jī)在額定磁通下運(yùn)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(diào)速雖然能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但其調(diào)速范圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速時(shí)才采用。 如圖 23，額定勵(lì)磁保持不變，理想空載轉(zhuǎn)速 n。隨 U減小而減小，各特性線斜率不變，由此可實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，并且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)機(jī)械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖 動(dòng)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(diào)速特性 變電壓調(diào)速要有可調(diào)的直流電源。根據(jù)供電電源的種類(lèi)分兩種情況：一是采用可控硅變流裝置，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)的直流電。二是采用直流斬波器，將交流電通過(guò)整流提供直流電源，實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)壓調(diào)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(diào)制 (PWM)型的調(diào)速系統(tǒng)近年來(lái)己發(fā)展成熟，用途越來(lái)越廣。 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo) 第一個(gè)指標(biāo)為 調(diào)速范圍 D，它是拖動(dòng)系統(tǒng)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)能夠提供給生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。 minmaxnnD? （ 22） 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 另一個(gè)指標(biāo)為靜差率 s，它是電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速 n。之比。 %10000000 ????? nnn nns mnmn (23) 它表示負(fù)載變化引起調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速偏離原定轉(zhuǎn)速的程度。系統(tǒng)的調(diào)速特性 越硬，s 越小，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)定性能越好。另外，轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，故調(diào)速系統(tǒng)靜差率指標(biāo)以最低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的數(shù)值為準(zhǔn)。在考慮生產(chǎn)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速相對(duì)性 (即靜差率 )的要求后，電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速受到了限制，也即調(diào)速范圍受到限制。 采用降壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速范圍、靜差率及轉(zhuǎn)速降三者關(guān)系為： ? ?sn snD mn mn ??? 10 0 (24) 在這里為了分析簡(jiǎn)單，不單獨(dú)討論開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，由簡(jiǎn)單閉環(huán)系統(tǒng)引出開(kāi)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(diào)速系統(tǒng) 如圖 24 的轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如果把閉環(huán)系統(tǒng)的反饋回路斷開(kāi)，就成了開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，則上述系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為 opopede sspe dd nnCRIC UKKC RIUn ???????0*0 (25) 而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫(xiě)成 ? ? ? ? clcle dnsp nnKC RIKCe UKKn ??????? 0*11 (26) 其中 n0op 和 n0cl，分別表示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速 ； Δnop 和 Δncl 分別表示開(kāi)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(jié)論。 （ 1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。 在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降分別為 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 edop CRIn ?? ? ?KC RInedcl ??? 1 它們的關(guān)系是 Knn opcl ????1 (27) 顯然，當(dāng) K 值較大時(shí)， 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(kāi)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(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 clclnns0?? 和opopop nns0?? 當(dāng)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降相等 (即 n0cl = n0op)時(shí)， Kss opcl ??1 (28) ( 3 ) 當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大 大提高調(diào)速范圍。 如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是 nomn ，而對(duì)最低速靜差率的要求相同，則 開(kāi)環(huán)時(shí)， ? ?snsnDopnomop ??? 1 閉環(huán)時(shí)， ? ?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(shè)置放大器即可?？傊]環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)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(diào)速范圍。在閉環(huán)系統(tǒng)中降低速降的實(shí)質(zhì)是：在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速就降下來(lái)了；閉環(huán)系統(tǒng)有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就感覺(jué)出來(lái)了，通過(guò)比較和放大，提高脈寬調(diào)制的輸出電壓 Ud，使系統(tǒng)上作在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)速有所回升，速度降落降低。 采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)控制脈寬調(diào)速系統(tǒng) 采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)控制脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 25a 所示。 當(dāng) Un* = 0 時(shí)，只有擾動(dòng)輸入量 Idl，這是的輸出量即為負(fù)載擾 動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差 (即動(dòng)態(tài)速降 ) Δn，可將動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖畫(huà)成如圖 25b 的形式。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 U c t ( s )I d l ( s )+++ +K P?n? ?U n s? ? ?U n s? 1K pw mTs