【文章內(nèi)容簡介】 idth Modulation(脈沖寬度調(diào)制 )縮寫，按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)值方式。 PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation (脈沖幅度調(diào)制 )縮寫，是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式。 變頻調(diào)速的基本原理 當(dāng)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(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其速度由定子電壓 的頻率所決定。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時，位于該磁場中的轉(zhuǎn)予繞組將切割磁力線，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用而產(chǎn)生電磁力，即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)．當(dāng)將三相異步電動機繞組的任意兩相進行交換時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的方向?qū)l(fā)生改變。因此，電動機的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。異步電動機定了磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動機的磁極個數(shù)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(shù) 第 11 頁 共 38 頁 異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機的實際轉(zhuǎn)速可由下式給出： ? ? ? ? psfsnnz ???? 1601 (式 ) 式中： n —— 電動機實際轉(zhuǎn)速 s —— 異步電動機的轉(zhuǎn)差率 由式 ()可知，改變參數(shù) f， s 中的任意一個就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，即對異步電動機進行調(diào)速控制。因此，可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)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(diào)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(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)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(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應(yīng)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(zhuǎn)子合成產(chǎn)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(yīng)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(lián)匝數(shù)； 1NK —— 基波繞組系數(shù)； 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(diào)節(jié)時，必須同時降低 gE 。 第 12 頁 共 38 頁 然而繞組中的感應(yīng)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(shù)。 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?shù)暮銐侯l比控制特性為 b 線，無補償?shù)臑?a 線。 在基頻以上調(diào)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(dāng)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(diào)速控制特性。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。 變頻調(diào)速的優(yōu)點 由于采用變頻調(diào)速后，風(fēng)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(fēng)機水泵的耗用 功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)用戶需要的平均流量較小時，風(fēng)機、水泵的轉(zhuǎn)速較低，其節(jié)能效果也是十分可觀的。而傳統(tǒng)的擋板和法門進行流量調(diào)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?cè)萘康?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(zhuǎn)矩負載，如傳送帶等，變頻調(diào)速也可節(jié)能。除此之外，原有調(diào)速方式耗能較大者 (如繞線轉(zhuǎn)子電動機等 )，原有調(diào)速方式比較龐雜，效率較低者 (如龍門刨床等 )，采用了變頻調(diào)速后，節(jié)能效果也很明顯。 變頻調(diào)速很容易實現(xiàn) 電動機的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機的問題。 變頻調(diào)速系統(tǒng)起動大都是從低速開始，頻率較低。加、減速時間可以任意設(shè)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(diào)速系統(tǒng)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(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)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(diào)速除了在風(fēng)機、泵類負載上的應(yīng)用以外，還可以廣泛應(yīng)用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域。它可以提高奇特的產(chǎn)成品率，延長設(shè)備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統(tǒng)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(shè)備控制水平。 變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上。容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實現(xiàn)速度的精確控制；容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進行高額度的起停運轉(zhuǎn)，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅(qū)動?？梢詫崿F(xiàn)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(shù)大，所需容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)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(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)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(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)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(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)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(jīng)過整形后變?yōu)槊}沖，碼盤上有之相標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖。此外，為判斷旋 轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90186。 的兩路脈沖信號。 [28] 根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)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(zhuǎn)方向，而 Z 相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)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(biāo)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(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，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(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠 ,接口數(shù)字化等優(yōu)點。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)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(zhuǎn)子的磁場位置和機械位置以及轉(zhuǎn)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(yīng)用方法做一下介紹。 使用光電編碼器來測量電機 的轉(zhuǎn)速： 可以利用定時器 /計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉(zhuǎn)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(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法。在實際的測量中，時間 Tc 內(nèi)的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù)，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(yīng)該大于 50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù) M1以減小誤差，可以增大檢測時間 Tc 單考慮到實際的應(yīng)用檢測時間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反 饋控制，一般應(yīng)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(shù)的光電編碼器。 M 法測速適用于測量高轉(zhuǎn)速，因為對于給定的光電編碼器線數(shù) N 機測量時間 Tc 條件下，轉(zhuǎn)速越高，計數(shù)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(nèi)對時鐘信號脈沖進行計數(shù)的方法。為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此 T 法測速適用于低速運行的場合。但轉(zhuǎn)速太低，一個編碼器輸出脈沖的時間太長，時鐘脈沖數(shù)會超過計數(shù)器最大計數(shù)值而產(chǎn)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(shù)較 多的光電編碼器可以提高對電機轉(zhuǎn)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(jié)合在一起使用，在一定的時間范圍內(nèi)，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數(shù) M1和 M2進行計數(shù)，實際工作時，在固定的 Tc 時間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計數(shù)，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(shù)，定時器定時 Tc 時間到，對光電編碼器的脈沖停止計數(shù)，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(zhuǎn)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(yīng)用。 增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(yīng)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(dāng)碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)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(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。增量式光電編碼器的優(yōu)點是：原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn)；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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)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(zhuǎn)向信號和計數(shù)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(zhuǎn)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(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應(yīng)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(chǎn)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(zhǔn)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(zhuǎn)方向。同時還有用作參考零位的 Z 相標(biāo)志（指示）脈沖信號，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個標(biāo)志信號。標(biāo)志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零。 第 17 頁 共 38 頁 3 系統(tǒng)的調(diào)試 MCGS的設(shè)計及與 PLC的調(diào)試 MCGS 軟件