【導(dǎo)讀】上先進(jìn)的造紙機(jī)都朝高效率、低消耗方向發(fā)展，這是市場競爭的需要。的廠家也必須迎頭趕上，從設(shè)計(jì)的源頭進(jìn)行性能提升。傳動作為造紙機(jī)的核心部分，其發(fā)展要求是提高車速和自動化程度。所以研究高性能的紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)，對。我國造紙行業(yè)的發(fā)展有著極為重要的意義。流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。通過本課題的設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)自己分析與解決問題的能力，同。觸摸屏等有更深一步的理解。對于電動機(jī)的控制方法運(yùn)用更為深入。

　　

【正文】 控制的主要特點(diǎn) 直接轉(zhuǎn)矩控制 [3]變頻調(diào)速技術(shù)，是繼矢量控制方法提出后于 80 年代由德國Depenbrock 教授等人提出的一種新的變頻調(diào)速控制技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制理 論從控制思想上放棄了矢量控制理論中模仿直流電機(jī)控制，而采用的是解耦和雙閉環(huán)控制概念。而是從轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生到控制的角度，通過對電壓矢量的實(shí)時控制而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。因此這種方法和矢量控制相比又簡潔明了得多，而且控制性能甚至超過矢量控制。 其主要特點(diǎn)為 a) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動機(jī)與直流電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)與直流電動機(jī)做比較、等效、轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)交換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。 因此，它所需要的信號處理工作特別簡單，所用的控制信號使觀察者對于交流電動機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。 b) 直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子需要知道電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制性能能易受參數(shù)變化影響的問題。 c) 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡單。 d) 直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)得是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果，它包括兩層意思，即直接控制轉(zhuǎn) 矩和對轉(zhuǎn)矩的控制效果。 直接轉(zhuǎn)矩控制工作原理 直接轉(zhuǎn)矩控制與著名的矢量控制方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。因此它非極力獲得理想的正弦波波形，也不是專門強(qiáng)調(diào)磁鏈的原型軌跡，相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強(qiáng)陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 16 調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。 對轉(zhuǎn)矩的控制效果，其控制方式是通過轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小，由頻率調(diào) 節(jié)器來控制。因此它的控制效果不僅取決于電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況。它的控制既直接又簡化。 對轉(zhuǎn)矩的這種直接控制方式也稱為直接控制，其基本的原理是在維持定子磁鏈恒定的條件下控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的乘積及夾角有關(guān)，而轉(zhuǎn)矩控制又是如何避開轉(zhuǎn)子磁鏈而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制 ,這就需要從電動機(jī)的基本方程來推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈之間的關(guān)系來說明，下面我們從異步電動機(jī)動態(tài)等值電路推導(dǎo)保持定子磁鏈不變或定子磁場定向時，轉(zhuǎn)矩和角速度的關(guān)系， 推導(dǎo)過程及結(jié)論簡述如下： TI 型等值電路 圖 34 異步電機(jī)動態(tài)等值電路 將三相異步電機(jī)經(jīng) 3/2 變換為α、β軸上的兩相電機(jī)，再將α、β軸坐標(biāo)用極坐標(biāo)表示，則三相電機(jī)的方程就變成了由定子電壓方程和轉(zhuǎn)子電壓方程組成的等效電路方程，圖 34 是對應(yīng)的等效電路圖。和電機(jī)學(xué)中等效電路不同的是該電路代表的是空間電壓綜合矢量方程，而不是一相電壓的電路方程。其中ω r 是某一工作點(diǎn)時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速， e 為相應(yīng)的感應(yīng)電動勢。 直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上控制的是定子磁鏈的幅值和瞬時速 度，而電壓矢量控制方式的結(jié)果也是控制定子磁鏈。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制其實(shí)上就是電壓矢量控制再加上轉(zhuǎn)矩反饋或者說定子磁鏈反饋而組成的一種閉環(huán)電壓矢量控制。 根據(jù)前面講的電壓矢量控制方法，控制定子矢量磁鏈軌跡實(shí)際上就是控制主回路開關(guān)的 6 個非零電壓矢量狀態(tài)和 2 個零矢量狀態(tài)的作用時間長短和作用時刻。因此，MR 1L 1 ( L 1 L 2 / M2m 1 ) FR 2 ( L 1 / M )2E = j ω y ( l 1 i 2 + l21 l 2 i 2 / M2m )i mi 39。 2 = M m i 3 / L 1U 1L 1 Pi 1基于 S7200PLC 文化紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 轉(zhuǎn)矩直接控制和電壓矢量控制的控制過程和思路完全一樣，只不過在電壓矢量控制的系統(tǒng)中加入了轉(zhuǎn)矩反饋和速度調(diào)節(jié)的控制。 ROM 就可以根據(jù)作為地址碼的 6 位輸入信號，輸出事先存儲在其中的表格數(shù)據(jù)— 定子電壓矢量的數(shù)據(jù) Sa、 Sb、 Sc。用它去控制逆變器的開關(guān)，使所需要的電壓矢量加到異步電動機(jī)的端子的直接控制。 圖 35 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)框圖 脈寬調(diào)試變頻器工作原理 在變頻調(diào)速時，由于頻率和電壓同時對電機(jī)產(chǎn)生作用。所以在變頻的同時必須變壓才能保證電機(jī)的正常運(yùn)行。 在采樣控制理論中有一個重要結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量即指脈沖的面積，這里所說的效果基本相同是指該環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)波形相同。脈沖越窄，輸出的差異越小。本著這一理論可以解決變頻調(diào)速中的調(diào)壓問題。 實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的方法有 很多，主要分直流幅值可變和不可變兩種。在前述可控硅方波輸出的變頻器中只能采用直流電壓調(diào)整的方法。而脈寬調(diào)制型變頻器則可以采用直流電壓可變控制也可以采用直流電壓不變控制。 PWM 控制利用了采樣控制理論中的結(jié)論，可以用一系列等幅而不等寬的脈沖來近似正弦波，且脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，這種方法稱為 SPWM(Sinusoidal PWM)。 SPWM 各脈沖的寬度和間隔可以準(zhǔn)確計(jì)算出來，按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 SPWM 波形。但這種計(jì)算很繁瑣。較為常用的方法是采用調(diào)制的方法，即把正弦波 作為調(diào)制信號，把接收調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制即可得到 SPWM 波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度線性關(guān)系，且左右對稱，當(dāng)它與正弦波調(diào)制信號相交時，如在交點(diǎn)時刻陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 18 控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖，這正好符合SPWM 控制的要求。三角載波的頻率 fc 和正弦調(diào)制波的頻率 fr 之比即 fc/fr=Nc 稱為載波比。用生成 SPWM 波控制逆變器開關(guān)器件的通斷，可得到等幅且脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列輸出電壓。正弦調(diào)制波的頻率也即是逆變器的輸出頻率 f，改變 fr 便可改變 f。三角載波的幅值為恒定，因而改變正弦調(diào)制波的幅值就改變了矩形脈沖的面積，由此實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的改變。 脈寬調(diào)制變頻器，就是在方波輸出的基礎(chǔ)上，使電壓波形變?yōu)橐幌盗忻}沖波。從諧波分析可知，用一系列脈沖波代替方波后，其基波和高次諧波的幅值比例發(fā)生變化。PWM 變頻器一般都是電壓型供電的，無論是 PWM 型變頻還是方波（ 6 階方波）變頻，根據(jù)直流電壓是可變和不可變的控制都可以分為以下兩種調(diào)壓方式。 1） 幅值可調(diào) PWM 這是一種變頻器輸出電壓和頻率分別進(jìn)行調(diào)節(jié)的一種控制方式，其基本電路如圖36 所示，該電路由可 控整流器、中間環(huán)節(jié)與可控硅（或其他電力開關(guān)元件）逆變組成，中間環(huán)節(jié)是濾波電容器，可控硅整流器用來調(diào)壓。和一般可控硅調(diào)壓系統(tǒng)一樣，采用相位控制，通過改變觸發(fā)脈沖的相位角來獲得與逆變器輸出頻率相對應(yīng)的不同大小的直流電壓。逆變器只作輸出頻率控制，它一般也是由 6 個開關(guān)元件組成，按脈沖調(diào)制方法工作。 圖 36 PWM 基本電路圖 2）恒值 PWM 變頻器 恒值脈寬調(diào)制（ PWM）式變頻器電路，它由二極管整流橋、濾波電容和逆變器組成，逆變器的輸入為恒定不便的直流電壓，通過調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出交流電壓的頻率，既實(shí)現(xiàn)調(diào) 壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，變頻變壓都由逆變器承。這是目前采用較普遍的一種變頻系統(tǒng)。其主回路簡單，只要配上相應(yīng)的控制電路就可以了。由于這種 PWM型變頻器輸出交流電壓的大小和頻率直接由逆變器決定，所以調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的動態(tài)性能好，若逆變器中的開關(guān)采用高速電子元件進(jìn)行高頻脈沖調(diào)制，并在由中大規(guī)模集成件組成的高性能控制電路的配合下，可以極大地提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，縮小裝置的體積，提高效率，降低成本。另外，他的輸入功率因數(shù)高，而且多個逆變器可以接在一個公共直流母線上，便于實(shí)現(xiàn)多臺電動機(jī)變頻調(diào)速拖動。 基于 S7200PLC 文化紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 19 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)要求 硬件設(shè)計(jì)的依據(jù) (1)紙機(jī)介紹 生產(chǎn)紙種：文化紙 紙張定量： 90120 g 設(shè)計(jì)車速： 350 米 /分 工作車速： 280 米 /分 左右手機(jī)：右手機(jī) 主要根據(jù)：文化紙機(jī)工藝要求，設(shè)備狀況，控制功能， I/O 點(diǎn)數(shù)，據(jù)此構(gòu)成的比較先進(jìn)的控制系統(tǒng)。 (2)技術(shù)數(shù)據(jù) 電源電壓： AC380415V177。 10% 三相 電源頻率： 4863Hz 輸出頻率： 050Hz 輸出電壓： AC0380V 三相 爬行車速： 30 米 /分 起動轉(zhuǎn)矩： 200%額 定轉(zhuǎn)矩 穩(wěn)速精度： 1? 頻率分辨： (3) 工藝要求是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的最終目的。 (4) 設(shè)備狀況了解工藝要求之后還要掌握控制對象的設(shè)備狀況，先應(yīng)滿足整個工藝要求了解時，既掌握設(shè)備的種類、數(shù)量，還要掌握設(shè)備的新舊程序。 (5) 控制功能根據(jù)工藝要求和設(shè)備狀況就可提出控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的控制功能，只有掌握了要實(shí)現(xiàn)的控制功能，才能據(jù)此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的類型、規(guī)模、機(jī)型、模塊、軟件等內(nèi)容。 (6) I/O 點(diǎn)數(shù)和種類根據(jù)工藝要求，設(shè)備狀況和控制功能，可以對系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)形成一個初 步的方案，但要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，則要對系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)和種類有一個精確的設(shè)計(jì)，以便確定系統(tǒng)的規(guī)模擬量，各種電壓電流等級，智能模板要求。 (7) 系統(tǒng)的先進(jìn)性在設(shè)計(jì) PLC 組成的控制系統(tǒng)時，要考慮到控制方案的先進(jìn)性。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 20 系統(tǒng)原件的布置及負(fù)荷分配 各主動點(diǎn)電機(jī)功率及負(fù)荷分配初定如下表 41： 表 41 各傳動點(diǎn)電機(jī)功率及負(fù)荷分配 序號 名 稱 電機(jī)功率KW 有無負(fù)荷分配 01 伏輥 90 有 02 驅(qū)網(wǎng)輥 55 有 03 第一導(dǎo)網(wǎng)輥 有 04 一壓上輥 75 有 05 一壓下輥 75 有 06 二壓上輥 75 有 07 二壓下輥 75 有 08 一組缸 55 無 09 二組缸 55 無 10 施膠上輥 22 有 11 施膠下輥 22 有 12 三組缸 45 無 13 卷紙機(jī) 30 無 該控制系統(tǒng)一共 38 個傳動點(diǎn)，元件的布置如下： 主傳動系統(tǒng)電源及變壓器位于 G1 柜中，伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、第一導(dǎo)網(wǎng)輥位于 G2 柜，一壓位于 G3 柜，二壓位于 G4 柜，一組缸、二組缸，施膠身上位于 G5 柜，施膠下、三組缸、卷取位于 G6 柜中，勻漿輥等輔助傳動位于 G7 柜。 操作說明 操作系統(tǒng)配有操作 屏，分別設(shè)立在控制現(xiàn)場。操作屏采用西門子大型智能操作控制單元 OP570 操作屏?？刂破辽显O(shè)有功能鍵，可以自由地組態(tài)畫面，設(shè)置多個畫面，可以通過畫面的切換動態(tài)地運(yùn)用文字、數(shù)字、示波器、棒圖等來顯示各分部傳動點(diǎn)的工作狀態(tài)（如啟動 /停止、運(yùn)行 /爬行、故障、報(bào)警、開環(huán) /閉環(huán)等）和運(yùn)行參數(shù)（如電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩、分部線速度等），可以對各傳動點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，具體控制功能如下： a）起動 /停止：用于控制本分部電機(jī)的起?？刂疲? b）爬行 /運(yùn)行：用于低速調(diào)試檢修、正常抄紙切換； c）單動 /聯(lián)動：對于要求負(fù)荷分配各傳動點(diǎn)的單動 /聯(lián)動控制； 基于 S7200PLC 文化紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 d）速度微增：用于本傳動點(diǎn)的速度微調(diào)； e）速度微減：用于本傳動點(diǎn)的速度微調(diào)； f）緊紙：用于本傳動點(diǎn)的緊紙調(diào)節(jié)； g）松紙：用于本傳動點(diǎn)的松紙調(diào)節(jié)； h）負(fù)荷分配功能：負(fù)荷分配點(diǎn)自動實(shí)現(xiàn)分配； i）張力設(shè)定：用于張力控制點(diǎn)的張力設(shè)定。 監(jiān)測顯示功能有： a）變頻器運(yùn)行、故障等狀態(tài)顯示； b）電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩、分部線速度、速差顯示； c）張力顯示； d）卷紙機(jī)狀態(tài)顯示。 單獨(dú)設(shè)置緊急停車，按照需要安裝在紙機(jī)上，當(dāng)紙機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)意外事故，威脅到設(shè)備安全及人身安全時才可使用。緊急停車采用按鈕控 制 ,信號直接送入 PLC和變頻器 ,采用雙重急?？刂?,確保系統(tǒng)得可靠性。 速度鏈控制 我們依據(jù)紙機(jī)傳動系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，速度鏈的設(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實(shí)現(xiàn)速度鏈功能。這樣可以構(gòu)成任意分支控制速度鏈控制系統(tǒng)。 1）速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 速度鏈 [5]結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法用于完成傳遞功能。首先對各傳動點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字抽象，確定速度鏈中各傳動點(diǎn)編號，此編號應(yīng)與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點(diǎn)的上下、左或右編號。即任一傳動點(diǎn)由 3 個數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填位置 寄存器數(shù)值。如圖 41 所示。 變頻器0變頻器1變頻器2變頻器3變頻器4負(fù)荷分配控制器速度鏈速度鏈速度鏈 圖 41 速度鏈結(jié)構(gòu) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（