【文章內容簡介】 idth Modulation(脈沖寬度調制 )縮寫，按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度，以調節(jié)輸出量和波形的一種調值方式。 PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation (脈沖幅度調制 )縮寫，是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調節(jié)輸出量值和波形的一種調制方式。 變頻調速的基本原理 當在一臺三相異步電動機的定予繞組上加上三相交流電壓時，該電壓將產生一個旋轉磁場，其速度由定子電壓 的頻率所決定。當磁場旋轉時，位于該磁場中的轉予繞組將切割磁力線，并在轉子繞組中產生相應的感應電動勢和感應電流，而此感應電流又將受到旋轉磁場的作用而產生電磁力，即轉矩，使轉子跟隨旋轉磁場旋轉．當將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時，所產生的旋轉磁場的方向將發(fā)生改變。因此，電動機的轉向也將發(fā)生改變。異步電動機定了磁場的轉速被稱為異步電動機的同步轉速，其同步轉速由電動機的磁極個數和電源頻率所決定： nz pfn 60? (式 ) zn —— 同步頻率 f —— 電源頻率 np —— 磁極對數 第 11 頁 共 38 頁 異步電動機的轉速總是小于其同步轉速，異步電機的實際轉速可由下式給出： ? ? ? ? psfsnnz ???? 1601 (式 ) 式中： n —— 電動機實際轉速 s —— 異步電動機的轉差率 由式 ()可知，改變參數 f， s 中的任意一個就可以改變電動機的轉速，即對異步電動機進行調速控制。因此，可以通過改變該電源的頻率來實現對異步電動機的調速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。 在電動機調速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量 Фm為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合 適，保持 Фm不變是很容易做到的。在交流異步電機種，磁通是定子和轉子合成產生的。 三相異步電機定子每相電動勢的有效值是： mNg KNf ?? (式 ) 式中： gE —— 氣隙磁通在定了每相中感應電動勢有效值，單位為 V； 1f —— 定子頻率，單位為 H：； 1N —— 定子每相繞組串聯匝數； 1NK —— 基波繞組系數； m? —— 每極氣隙磁通量，單位為嘸； 由公式可知，只要控制好 gE 和 1f ，便可以控制磁通 m? 不變。需要考慮基頻 (額定頻率 )以下和基頻以上兩種情況： ： 即采用恒定的電動勢。由上式可知，要保持 m? 不變，但頻率 1f 從額定值 1f n向下調節(jié)時，必須同時降低 gE 。 第 12 頁 共 38 頁 然而繞組中的感應電動勢是難以控制的，但電動勢較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定了相電壓 U≈E，則得 u1/f=常數。 低頻時， U1和 Eg 都較小，定予阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能在忽略。這時，可以人為的把電壓 U1抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性為 b 線，無補償的為 a 線。 在基頻以上調速時，頻率可以從 f 1n 往上增高，但電壓 U1磁通與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調速控制特性。如果電動機在不同的轉速下都具有額定電流，則電動機都能在溫升容許的條件下長期運行，這時轉矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉矩調速”的調速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調速”。 變頻調速的優(yōu)點 由于采用變頻調速后，風機、泵類負載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達到20％～ 60％，這是因為風機水泵的耗用 功率與轉速的三次方成比例，當用戶需要的平均流量較小時，風機、水泵的轉速較低，其節(jié)能效果也是十分可觀的。而傳統的擋板和法門進行流量調節(jié)時，耗用功率變化不大。由于這類負載很多，約占交流電動機總容量的 20％～ 30％，它們的節(jié)能就具有非常重要的意義。 [27] 對于一些在低速運行的恒轉矩負載，如傳送帶等，變頻調速也可節(jié)能。除此之外，原有調速方式耗能較大者 (如繞線轉子電動機等 )，原有調速方式比較龐雜，效率較低者 (如龍門刨床等 )，采用了變頻調速后，節(jié)能效果也很明顯。 變頻調速很容易實現 電動機的正、反轉。只需要改變變頻器內部逆變管的開關順序，即可實現輸出換相，也不存在因換相不當而燒毀電動機的問題。 變頻調速系統起動大都是從低速開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設定，故加、減速時間比較平緩，起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。 變頻調速系統制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網，但回饋給電網需增加專用附件，投資 第 13 頁 共 38 頁 較大。 [27]除此之外，變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路。 變頻調速除了在風機、泵類負載上的應用以外，還可以廣泛應用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設備控制領域。它可以提高奇特的產成品率，延長設備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統得以簡化，有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高了整個設備控制水平。 變頻器技術是一門綜合性的技術，它建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。容易實現對現有電動機的調速控制、可以實現大范圍內的高效連續(xù)調速控制、實現速度的精確控制；容易實現電動機的正反轉切換，可以進行高額度的起停運轉，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動?？梢詫崿F軟肩動，減小沖擊電流，解決大負載的啟動問題。電源功率因數大，所需容量小，可以組成高性能的控制系統等。變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別 (如電網瞬時電壓降低，電網缺相，直流過電壓，功率模塊過熱 ，電機短路等 )，并立即封鎖輸出電壓．這種“自我保護”的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。 光電編碼器 光電編碼器的簡單認識 光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器的工作原理是在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側，安放發(fā)光元件和光敏元件。當圓盤旋轉時，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經過整形后變?yōu)槊}沖，碼盤上有之相標志，每轉一圈輸出一個脈沖。此外，為判斷旋 轉方向，碼盤還可提供相位相差 90186。 的兩路脈沖信號。 [28] 根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。 A、 B 和 Z 相；A、 B 兩組脈沖相位差 90186。，從而可方便地判斷出旋轉方向，而 Z 相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時 第 14 頁 共 38 頁 以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。 用自然二進制或循環(huán)二進制（葛萊碼）方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點是： （ 1）可以直接讀出角度坐標的絕對值； （ 2）沒有累積誤差； （ 3）電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的，也就是說精度取決于位數，目前有 10 位、 14 位等多種。 ，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功 能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。 光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉換原理 轉換成相應的電脈沖或數字量，具有體積小，精度高，工作可靠 ,接口數字化等優(yōu)點。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。 光電編碼器的測量方法 光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉子的磁場位置和機械位置以及轉子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。下面就光電編碼器在這幾方面的應用方法做一下介紹。 使用光電編碼器來測量電機 的轉速： 可以利用定時器 /計數器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉速。具體的測速方法有 M 法、 T 法和 M/T 法 3 種。 M 法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時間 Tc 內，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數的測速方法。在實際的測量中，時間 Tc 內的脈沖個數不一定正好是整數，而且存在最大半個脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么 M1就應該大于 50。在一定的轉速下要增大檢測脈沖數 M1以減小誤差，可以增大檢測時間 Tc 單考慮到實際的應用檢測時間很短，例如伺服系統中的測量速度用于反 饋控制，一般應在 秒以下。由此 第 15 頁 共 38 頁 可見，減小測量誤差的方法是采用高線數的光電編碼器。 M 法測速適用于測量高轉速，因為對于給定的光電編碼器線數 N 機測量時間 Tc 條件下，轉速越高，計數脈沖 M1越大，誤差也就越小。 T 法也稱之為測周法，該測速方法是在一個脈沖周期內對時鐘信號脈沖進行計數的方法。為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數，因此 T 法測速適用于低速運行的場合。但轉速太低，一個編碼器輸出脈沖的時間太長，時鐘脈沖數會超過計數器最大計數值而產生溢出 。另外，時間太長也會影響控制的快速性。與M 法測速一樣，選用線數較 多的光電編碼器可以提高對電機轉速測量的快速性與精度。 M/T 法測速是將 M 法和 T 法兩種方法結合在一起使用，在一定的時間范圍內，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數 M1和 M2進行計數，實際工作時，在固定的 Tc 時間內對光電編碼器的脈沖計數，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數，定時器定時 Tc 時間到，對光電編碼器的脈沖停止計數，而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻，時鐘脈沖才停止記錄。采用 M/T 法既具有 M 法測速的高速優(yōu)點，又具有 T 法測速的低速的優(yōu)點，能夠覆蓋較廣的轉速范圍，測量的精度 也較高，在電機的控制中有著十分廣泛的應用。 增量式光電編碼器結構及其原理 增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉換電路組成，碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有 A、 B 兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯開 1/4 節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差 90176。電度角。當碼盤隨著被測轉軸轉動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過 縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差 90176。電度角的近似于正弦波的電信號，電信號經過轉換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉角或速度信息。增量式光電編碼器的優(yōu)點是：原理構造簡單、易于實現；機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點是它無法直接讀出轉動軸的絕對位置信息。 第 16 頁 共 38 頁 增量式光電編碼器的工作原理，是由旋轉軸轉動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯開 90176。相位的窄縫，并分別有光 敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時，鑒向盤不動，主光柵碼盤隨轉子旋轉，光源經透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差 90176。的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉向信號和計數脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉一周，輸出一個零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。 增量式光電編碼器的特點是每產生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移，但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個位置上的增量。它能夠產生與位移增量等值的脈沖信 號，其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對于某個基準點的相對位置增量，不能夠直接檢測出軸的絕對位置信息。一般來說，增量式光電編碼器輸出 A、 B 兩相互差 90176。電度角的脈沖信號（即所謂的兩組正交輸出信號），從而可方便地判斷出旋轉方向。同時還有用作參考零位的 Z 相標志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉一周，只發(fā)出一個標志信號。標志脈沖通常用來指示機械位置或對積累量清零。 第 17 頁 共 38 頁 3 系統的調試 MCGS的設計及與 PLC的調試 MCGS 軟件