综合调速系统范文（精选10篇）
综合调速系统 第1篇
义煤集团汝阳天泽金鼎煤业有限公司位于河南省洛阳市汝阳县城西约3.5km处, 汝河蜿蜒从矿区前面流过, 风景秀丽, 景色宜人, 是全国特大型企业, 国家经贸委确定的520家国有重点企业之一的义马煤业集团股份有限公司的下属企业。该建设项目投资概算7.8亿元, 井田面积17.41平方公里, 地质储量5531万吨, 可采煤量2930万吨, 该项目于2008年4月开工建设。矿井布置主、副、风井3个井筒, 分别为主井:井筒净直径5m, 井筒深666.5m , 装备一对8t多绳箕斗。提升设备选用的是洛阳中重生产的JKM—2.8×4 (Ⅰ) E型落地多绳摩擦式提升机, 交流变频电机功率1250kW, 提升速度8.3m/s; 副井:井筒净直径6m, 井筒深度691.5m, 提升容器选用一对1t单层两车多绳罐笼 (一宽一窄) , 提升设备选用的是洛阳中重生产的JKMD—2.8×4 (Ⅰ) E型落地多绳摩擦式提升机, 直流电动机功率630kW。提升速度V=7.0 m/s;副井提升机在2011年12月调试完毕开始运行, 副井提升是矿井的咽喉, 是确保矿井安全运行的关键, 所以对提升机的生产工艺, 电控系统都要求的很高。
我国在80年代以前, 提升机采用的多是绕线式异步电动机, 转子串电阻的交流调速系统, 到了90年代, 新建投产的大中型矿井提升机多采用全数字直流调速系统和交——交变频交流调速系统。随着科技的不断发展, 煤矿中提升机的电控系统日趋完善。采用可靠性高, 抗干扰能力强, 功能完善, 适用性强的PLC控制, 使得罐笼和箕斗在井筒中的提升位置和速度的控制更加精确, 自动化控制更加可靠。但是, 当提升机在检修、PLC故障等特殊情况下, 提升机的各种电气保护都无法工作, 为确保矿井提升安全, 需要安装提升机的后备保护装置。因此, 后备保护显示的位置和速度与提升机的数字式深度指示器显示的位置和速度的精确程度, 已经成为煤矿提升选用后备保护的依据。
1、可编程序控制器
PLC由PS电源模板、CPU、数字量输入模板、数字量输出模板、模拟量输入模板、模拟量输出模板组成。具有高速计数接口, 可对轴编码器的输出脉冲值计数, 实现对提升位置以及提升速度的监测和控制。通过其本身具备的接口, 可实现与其他PLC以及上位工控机的通讯功能。将外部开关量的动作信号转化为CPU能够处理的电平信号, 对各开关量信号状态进行检测, 为程序执行提供依据。如中信自动化生产的矿井提升机全数字直流调速电控系统, 采用数字式深度指示器DDI-96B-2型。DDI-96B-2型数字式深度指示器采用BCD编码的串行接口电路, 可方便地与PLC及其他具有相应接口的控制装置 (图1) 相配套, 他有左右两路粗针, 每路96个发光二极管, 显示行程的分辨率为整个行程的1/96, 精针分为左右两路, 每路由6位显示数码组成, 显示范围为-1999.99-﹢1999.99m (±0.01m) 。
1.1 位置检测传感元件:光电编码器。
光电编码器与提升机主轴相连。卷筒旋转一周, 光电编码器也旋转一周, 产生固定数量的脉冲信号:A、B。A、B脉冲信号作为提升机深度控制的输入信号。对光电编码器输出脉冲计数可产生下列功能:
1.1.1 通过计数脉冲的累加值可确定提升容器在井筒中的行程;
1.1.2 脉冲A、B之间相差90°电角度, 通过判断其相位差的正负, 可确定提升机的实际运行方向。
1.1.3 通过测量计数脉冲的频率, 可确定实际提升速度。
1.2 位置校正信号:井筒磁开关。
在两个提升容器上分别装上磁铁, 在井筒接近减速区域的位置上装上磁开关。当容器1或容器2向上通过各自井筒磁开关时, 发出深度指示同步信号, 对脉冲计数值各进行一次校正及其保护, 即用预置数取代计数模块中原有的计数脉冲累加值, 使减速段的计数值更加准确可靠。
1.3 位置信号发送
通过软件编程, PLC将计数值同预置值进行比较, 从而设置各种位置点、如减速点、二级制动解除点、2m/s限速点、停车点、过卷点等。
2、生产中发现的问题
金鼎煤业副井提升机在一段时间的试运行中, 发现提升机电气保护存在有以下不足之处:
2.1 如果PLC有问题, 故障开车时, 提升机保护被屏蔽, 无法实现过卷、错向保护。
2.2 罐笼在下长材时封了过卷, 提升机正常运行后如果忘记恢复 , 一旦提升机速度减不下来时, 冲过过卷开关, 就不能断电, 导致造成过卷事故, 将会造成车毁人亡的严重后果。
2.3 编码器联轴节松动, 数字式深度指示器位置出现误差, 指示不出罐笼的实际位置。
2.4 井筒磁开关出现误动作, 造成位置误差。
3、增设后备保护的必要性
中重自动化有限公司生产的SIEMENS公司的S7系列PLC系统对提升机的位置及各种速度保护环节还是比较完善的。但是, 为了确保提升过程中更加安全可靠, 最大限度避免发生提升事故, 增设后备保护是十分必要的, 更是对原设计保护环节的完善和补充及其保护, 进而实现本质安全。
《煤炭安全规程》规定煤矿提升设备增设后备保护这一措施, 其目的也是要使我国提升机装置的保护走向双线制, 以保证矿井提升安全运行状况。
4、KHT149型提升机综合后备装置
KHT149型煤矿地面立井提升机综合后备装置, 是专门为完善矿井提升机保护功能而增设的一套综合后备电子保护装置, 并具有使电控系统中的深度指示器部分纳入双线并行工作的特性, 能够解决提升机电气保护存在的不足。
该装置主机电路采用了现代工业自动化系统成熟的技术和新型结构, 由西门子可编程控制器 (PLC) 和西门子触摸屏 (TP) 等电路模块构成, 因其有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便、稳定性和可靠性高等优点。特别是人机界面采用了触摸屏后, 比廉价的文本显示器性能更为优越, 操作更加直观方便, 使操作变得轻松简单。
配套的传感器采用了技术纯熟、性价比较高的霍尔效应和干簧管传感器技术产品。该装置的稳定性和可靠性在技术和品质上有着扎实的基础和保证。其工作原理简述如下:
4.1 主机对安装在电机轴端的位置/速度传感器产生的脉冲信号进行计数, 再经过井筒校正传感器的同步置数校正和脉冲量化处理, 间接检测计算出提升容器的提升行程S和提升运行速度V。将检测出的提升行程S、提升速度V进行数码转换、显示处理, 显示在主机触摸屏上。
4.2 装置根据检测、计算出的提升行程S、提升速度V, 按照有关保护设定对提升行程和速度实现监视保护和后备保护.
4.3 位置显示:0-1999.9m (±0.1m)
4.4 提升容器速度显示:0-9.9m/s (±0.1m)
通过实际应用综合后备保护KHT149与中信自动化生产的矿井提升机全数字直流调速电控系统中的数字式深度指示器DDI-96B-2位置误差0.04m, 速度误差为零。
5、结 语
应用综合后备保护KHT149后, 我们针对故障开车, 提升机保护被屏蔽, 无法实现过卷, 罐笼在下长材时封过卷, 编码器联轴节松动, 数字式深度指示器位置出现误差, 井筒磁开关出现误动作等故障现象, 设置提升机电气保护故障进行测试, 当提升机到达减速、停车位置时, 提升机均能按要求实现安全减速、停车, 从而保证了矿井提升的安全运行, 符合《煤矿安全规程》的相关规定。
摘要：在检修、PLC故障等特殊情况下, 提升机相关保护被屏蔽, 通过加装提升机综合后备保护装置, 增设软件保护, 并将电控系统中的深度指示器部分纳入双线并行工作, 能够解决提升机电气保护存在的不足, 从而实现特殊情况下提升机的安全运行。
综合调速系统 第2篇
一、变频调速系统主要特点
1. 明显改善结构受力状态。由于变频器具有软启动、软停止的功能，所以起重机启动、制动相对平稳，对起重机的传动机构、钢结构的冲击明显减小。经检测证实，变频调速控制系统的应用可大大改善起重机结构的受力状态。
2.调速范围宽，性能好。起重机专用的变频器一般具有很强的环境适应性，由于变频器内部进行了模块化设计，集成度高，可靠性强。系统实现闭环控制，具有很强的限速、防失速和力矩控制能力，并具有优良的伺服响应特性，对急速的负载波动有很强的适应性。操作者可根据作业要求，随时修改各挡速度值，也可选择操作电位器实现无级调速。
3.结构简单、可靠性高、易维护。变频调速控制系统采用独立的控制柜，系统设计合理，外观结构简单，检修方便。尤其是起升系统用一套装置即可实现原两套起升控制装置的功能，既减轻了小车的自重，改善了钢结构的受力状况，又增加了小车的维修空间，便于日常保养和维护。系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护等功能，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。变频调速控制系统还具有自诊断功能，通过同PLC的通信来实现故障实时显示及处理对策，便于查找故障和维修。
4.提高工作效率和减小机械磨损。起重机起升系统可根据负荷大小自动切换实现空钩、副钩、主钩等多挡不同的工作速度，减少了速度切换交替的辅助时间，降低了司机劳动强度，可大大提高起重机的作业效率。同时由于变频器采用软启动和软制动，不仅减小了对钢结构的冲击，还减轻了制动轮与刹车片间的磨损。
5.提高了安全性。起升机构实现了闭环矢量控制，具备了零速转矩的功能，即在起升机构制动器出现机械故障而失灵的情况下，变频器可自动输出足够大的转矩(大于150%) 不使负载下滑，从而提高系统的安全性。
6. 超载报警。(1)90%额定载重量时，发出断续的报警声，显示重物质量值但正常工作。(2)105%额定载重量时，发出连续的报警声，2s后自动切断变频器输出，显示重物质量值并停止工作。(3)120%额定载重量时，发出连续的报警声，立即自动切断变频器输出，显示重物质量值同时停止工作。
7. 节能效果显著。一般变频器具有自动节能操作模式，同时能较大地提高系统功率因数和工作效率，因此节电率可达20%左右。
二、控制方式及起升电机的选取
1. 起升系统采用矢量控制，一台变频器控制一台起升变频电机，其速度的自动切换由变频专用质量测控仪和可编程控制器来完成，大、小车系统控制采用V/F控制，各由一台变频器控制多台电机。所有限位保护触点均作为PLC的 输入点，经程序处理再进行保护，
2. 起升电机的选取应考虑具备较宽的调速范围，采用变频电机代替普通的线绕式电机。变频电机在闭环控制条件下，50Hz以下为恒转矩调速，50～100Hz为恒功率调速， 其绝缘结构具有对于变频器输出高载波频率电压的适应能力，能够承受200%额定转矩的过载，满足125%额定起重量的静载试验。
3. 选用可靠性高、编程简单、使用方便、功能完善的 PLC代替原继电器、接触器控制方式，与变频器相结合，实现“机电一体化”。由于变频器的干扰因素较多，对PLC的参数采集要考虑干扰，因此在配线和接线等操作时要注意抗干扰的措施，输出线要采用钢管作屏蔽处理，所有的控制线都采用屏蔽线，而且要注意接地问题。同时在编制程序时，要采取软件抗干扰措施。
三、变频调速对起重机整体的影响
1. 变频调速对起重机特性的影响。起重机实际载荷具有多变性，不仅在不同的循环中可能有不同的载荷，即使吊同样的物件载荷也是随机变化的。载荷的变化与离地时的情况、加减速度、制动时间、风阻力等因素有关。(1)变频调速改变了载荷的离地速度，做到零速起升，降低起升机构的动应力系数;加减速为无级调速;增添电制动形式，降低机械制动冲击力;降低制动器制动力矩及起重机自重。(2)变频器的应用可节省控制柜空间，发挥PLC总
线控制或遥控器操作的优势，同时一套变频器可供不同时工作的多机使用，可节省大量输电线及一次性投资。(3)高功率因数，低启动电流。变频调速在满载运行时电机具有高达0.9以上的功率因数、下降过程不从电网提取能量或向电网反馈能量的特点，降低了对前级变压器的配置要求，节约能源及一次性投资。(4) 变频调速的应用优化了起重机的工作性能提高了起重机整机寿命和机构的定位精度，改善了劳动强度及人机关系。
2.变频调速对结构件的影响。变频调速降低了载荷离地时的速度及载荷离地瞬间产生的附加加速度;减少了载荷离地瞬间对起重机的动态冲击值及附加加速度引起的附加动应力载荷。变频调速能降低起升动载荷系数值，从而可降低起重机动载载荷及起重机的自重。
3.降低电机启动力矩。欧洲机械搬运协会标准(FEM)对不同类型电机的启动转矩M有相应的规定：直接启动的鼠笼电机Mmin/M Nmax≥1.6(Mmin为电机最小启动转矩，MNmax为电机最大额定启动转矩);滑环电机Mmin/MNmax≥1.9;调压和变频类电机 Mmin/M Nmax≥1.4。变频调速对启动转矩的降低，可进一步降低动载荷对机械结构及传动部件的强度要求。
4.回转和行走机构。变频调速的S特性可消除速度切换过程中的力矩冲击，力矩可变及电制动特性的应用，可消除反向切换过程中的齿间间隙造成的冲击力矩，降低机械制动时的运行速度，从而降低对制动力矩的要求，减少制动冲击，提高运行或回转机构部件的使用寿命。变频起重机行走机构的减速器、传动轴等传动部件的力矩选择可按传统机构的1/1.5选用。
四 结论
基于DSP电机调速系统 第3篇
关键词 DSP 调速系统 电路 仿真
中图分类号：TM3 文献标识码：A
1电机调速系统简介
1.1电机生产中的分类
机械生产中广泛使用了两种技术：第一种是不改变同步转速的方法，其中又分为了转子串电阻调速、斩波调速、串级调速、应用电磁砖差离合器（又如液力偶合器、油膜离合器）等调速方式。第二种是改变同步转速的方法，改变定子极对数的多速电动机，其中又分为改变定子电压、频率的变频调速。
1.2电机方式的分类
从调速的方式来看电机调速分为调压调速、变极调速、变频调速、电磁调速。
（1）调压调速顾名思义，就是变动电动机的定子电压实现调速的目的。调压调速时对于单相电动机来说电压是在0-220V之间的电压值；對于三相电动机来说电压是在0-380V之间变化的。调压调速方式的优点在于调速过程中产生的转差能量再次循环利用使得这种方式效率高，缺点在于功率因素较低，并且有谐波干扰、运行时没有制动转矩一般用于单象限运行的负载。
（2）变极调速的定义是改变电动机定子绕组的接线方式来变动电动机磁极的对数，进而逐步有级的变化同步转速来实现电动机转速有级地调速。变极调速的电动机产品比较定型，例如单绕组多速电动机。变速调速电动机的优点在于没有附加的差基损耗、效率高，并且控制电路很简单、便于维修、制作成本低，还可以与定子调压或者电磁转差离合器组合使得效率提高。
（3）变频调速，就是用改变异步电动机定子端输入电源的频率使之连续可调来改变它的同步转速，实现电动机调速的方法。变频电机是最节能高效的电机，其优点在于无附加转差损耗，效率高，调速范围广。在低负载运行的时间较长，或者起停运行较频繁的场合可以有节电保护电机的作用。缺点是技术相对复杂，成本较高。
（4）电磁调速就是通过电磁转差离合器来实现调速的目的。电磁调速异步电动机俗称滑差电动机，是一种比较简单可靠的交流无极调速设备。这种电动机采用组合式结构，由拖动电动机、电磁转差离合器和测速发电机等组成，测速发电机是作为转速反馈信号源供控作用。这种电动机的无极调速是通过电磁转差离合器来实现的。其优点在于结构较简单，控制装置容量小，成本便宜，并且运行可靠维修简单，没有谐波干扰。缺点在于速度损失较大，效率比较低。
2三相交流电机
2.1 三相同步电机
直流电机中，用换向器绕组代替转子绕组，可以使定子磁场与转子磁场相对静止，产生恒定的电磁转矩，从中我们想到，将电机定子绕组改造成三相对称绕组A-X、B-Y、C-Z，在这个系统中三相对称绕组中通入三相对称正弦电流，就会产生幅值恒定的旋转磁场，其转速等于相电流的角频率。将转子绕组嵌入转子槽中，做成分布绕组，将此分布绕组作为励磁绕组，通入励磁电流，这时在气隙中就会产生正弦分布且幅值恒定的励磁磁场，之后它随着转子一起旋转。
定子磁场和转子磁场相互作用，之后形成电磁转矩。定子旋转磁场速度ws和转子速度wr的大小决定了这两个磁场轴线间的电角度，当ws=wr，时，这个电角度为常数，两个磁场的相对位置不变，产生恒定的电磁转矩。三相同步电机稳态工作时，定子旋转磁场幅值恒定，在励磁绕组中不会产生电动势。但转子磁场在定子绕组中却会产生电动势。
同步电机中转子线圈与定子线圈的等效励磁电感相等，用Lm来表示，再用Is表示定子电流，用If表示分布绕组中的励磁电流，用 表示定子旋转磁场在d-q坐标系中的空间相位，则电磁转矩te可由下面公式计算得到：
te= - IsIfLmsin （1）
式（1）中的负号表示电磁转矩的方向应使 减小。用 f表示励磁绕组磁链，其大小为：
f=LmIf （2）于是，式子（1）又可以改为：
te= fIssin （3）
2.2 三相异步电机
2.2.1 三相异步电机的历史
在说三相异步电动机之前，我们先说电动机的历史。直流电机和交流电机相继诞生于19世纪，拿直流电动机和交流电动机想对比的话，直流电机的转矩更加容易控制，并且直流调速系统具有起、制动性能较好，调速范围广，静差小及稳定性能好等优点，因此作为调速系统的首选机型。随着工业的发展，由于直流电动机内部采用的是机械式换向器，所以大功率高速度的直流电动机设计起来极其复杂，而复杂的设计又造成了价格方面的昂贵以及维护方面的麻烦，在特大功率，超高速度的场合中直流电动机甚至根本无法设计使用使得人们技术突破造成了瓶颈。
随着现代控制理论的发展，电力电子技术的突破以及微机控制的出现，交流电机的速度控制在理论上得到验证，在实际应用中得到了技术上的支持，控制技术越来越成熟，调速性能已经能和直流电机相媲美，应用范围甚至超过了直流电机，并且伴随着交流电动机的先天优势：结构比较简单、制造成本比较低、维护起来也较为经济，交流调速系统的客观发展趋势已经说明总有一天直流电机会完全被交流电机取代。
三相异步电机是当今应用最广泛的交流电机之一，因此对它的控制策略与如何节约能源相结合的研究对基础工业自动化而言具有举足轻重的意义。
2.2.2 三相异步电机的试验内容
这次主要的研究课题就是基于TMS320LF2407A电机数字控制DSP芯片的空间矢量模糊调速系统的研究。本次研究我们运用了磁场定向技术、矢量控制理论、SVPWM算法以及模糊控制理论，并由Simulink的仿真来证实该系统动、静态性能好，稳定性高、鲁棒性强、抗干扰能力强等等特点。
（1）矢量控制技术简介
为了使非线性，强耦合的三相异步电机获得较高的动态调速性能，研究人员于上世纪70年代提出了基于转子磁场定向技术的矢量变换方法，即利用坐标变换的方法把三相静止坐标系下的定子电流、电压和主磁链，变换到以转子磁场定向的两相旋转坐标系下，这样，定子电流就被分解成了励磁电流和转矩电流两个分量，矢量控制的基本思想就是通过对这两个电流分量的相位和幅值分别进行控制来实现对电机转矩的控制。实质上而言，矢量控制技术所包含的主要内容是电机等效电路，磁链方程，转矩方程以及坐标变换。
（2）SVPWM算法
空间矢量脉宽调 （Space Vector Pulse Width Modulation）简称为SVPWM，它是基于如何使三相异步电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场为思路而产生的电机控制算法。SVPWM的总体构想是在一个控制系统中把逆变器和电机当做一个整体来考虑，因此对按照这种设想来建立的数学模型进行分析比较简单，实时控制起来也比较方便，实际系统中输出电压和电流中产生的谐波少，并且从节能方面来考虑，相比起传统的SPWM算法而言，SVPWM算法的电压利用率也要高出15%。
（3）模糊控制理论
模糊控制理论最早是在1965年就由美国学者L.A.zadeh首先提出，经过多年研究之后在1973年他又给出了模糊逻辑的定义和相关定理。到了1974年，英国学者E.H.Mamdani首先尝试利用模糊控制语句构造模糊控制器，并将它用在锅炉和蒸汽机的控制上，这一次尝试不仅取得了成功，而且这一历史性的创举标志着模糊控制理论的诞生以及运用。模糊自动控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机或者微机数字控制，在实质上它是一种非线性控制，从属于智能控制理论的范畴，并且具有系统化的理论基础，同时还具有大量的实际应用。模糊控制理论发展至今已经40多年了，不管是在理论上还是在技术上都有了飞速发展，因此它成为了自动控制领域最有成果的分支之一。
2.2.3 三相异步电机的DSP结构
用霍尔器件测量逆变器输出的定子电流iA、iB经过DSP的A/D转换器变化为数字量的，并且利用式子ic=-（iA+iB）来算ic，再通过Clarke和Park变换把电流由iA、iB、ic变换成旋转坐标系中的各个直流分量作为电流环的负反馈量。由于异步电动机的转子机械转速与转子磁链转速不同步，所以用电流一磁链位置转换模块求出转子磁链位置，用于参与Park变换和逆变换的计算。给定转速n`与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流T轴参考分量iT`。iT*和iM* （等于零）与电流反馈量iT、iM的偏差经过电流PI调节器，分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量V M*和V T*。V M*和V T*再通过Park逆变换转换成 、 直角坐标系的定子相电压矢量的分量V *和V *。当定子相电压矢量的分量V *、V *和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空问矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。以上操作完全可以全部采用软件来完成，从而实现三相异步电动机全数字实时控制。
2.2.4 三相异步电动机的软件设计
我们用TM320LF240DSP实现转子磁场定向的矢量控制算法来设计，这个系统是包括系统主程序和中断服务子程序构成的。主程序主要完成DSP芯片的控制系统初始化部分，可以用C语言进行编程来提高程序的可读性；中断服务程序时完成矢量控制算法的主要部分，其采用了DSP的汇编语言编程来满足系统对实时性的要求。
2.2.5 系统的仿真
转速阶跃给定为1500r/min，直接启动电机，在2s、4s、6s、8s负载为：20N·m、15N·m、25N·m、20N·m。仿真表明，系统的动态响应快、超调量小及抗干扰能力强。
综上所述，以上结果可以看到该电机速度控制系统中电机的转速响应快，转矩的波动小，超调量小，动态性能和静态性稳定。该仿真是对该调速系统设计思路的验证，结果证明设计思路是可行的，在实際系统设计中可以以该仿真为依据，进行硬件电路的搭建和控制程序的流程设计。
参考文献
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[4] 王晓明，王玲. 电动机的DSP控制-TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
综合调速系统 第4篇
异步电机的调速方法主要有:调定子电压调速、滑差电机的转差离合器调速、绕线式电动机的转子串电阻调速、串级调速、双馈调速、变频调速等等。
转差功率是否被损耗,是衡量异步机系统效率高低的标准,高效调速指转差率不变,因此无转差损耗,有转差损耗的调速方法属低效调速,如调定子电压调速,转差功率以发热形式消耗在转子电阻中;转差离合器的调速方法,能量损耗在离合器线圈中;转子串电阻调速方法,能量就损耗在转子回路中。因此这些方法均属于转差功率损耗型,效率较低。串级调速和双馈调速可以把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用,属于转差功率利用型,但是调速范围较窄,且谐波影响较大。变频调速是通过改变电动机定子电源的频率,从而改变其同步转速的调速方法。没有转差功率损耗,效率高;调速范围大,机械特性硬,精度高,因此得到了广泛的应用。
2 异步电机变压变频调速VVVF系统
异步电机的变压变频调速系统模仿了直流电动机双闭环系统的调速策略。要实现转差功率不变,须维持气隙磁通不变。磁通太弱不能充分利用电机铁芯;磁通过大,铁芯饱和,励磁电流过大。对于他励直流电动机来说,主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的,励磁系统是独立的,保持Φm恒定只需对电枢反应进行适当的补偿。而交流异步电动机的磁通则由定子和转子电流合成产生,空间位置相对运动,是一个多变量、强耦合的系统,因此保持磁通恒定就变得复杂了。
2.1 异步电动机电压频率协调控制的机械特性
转矩Te和转速n代表了电动机的输出能力,异步电动机控制的关键也就在于转矩的控制。直流电动机的转矩Te=CmΦId,转矩与电枢电流成正比,控制电流也就等于控制转矩。交流异步电机影响转矩的因素很多,其稳态等效电路及参数如图1所示。根据异步电动机的机械特性方程式:
通过分析得到基频下电压频率协调控制时的异步电动机机械特性,如图2所示,图2(a)为固有特性,图2(b)表示了伴随频率变化的机械特性。可以看出,恒压频比时,异步电机的机械特性的线性段伴随着频率的降低平行下移,即转速Δn降保持不变,与直流电机相同,具有良好的调速性能。其中需要说明的是,直流电动机的转矩与电枢电流成正比,最大转矩仅仅由Id所决定,最大转矩Temax可以维持不变,而图中三相异步电机最大转矩Temax不变只是在Eg/f1=C理想状态下才能实现,实际上因为电机的非线性,以及通过Us/f1=C近似处理的原因,最大转矩Tema x是随着频率f1的减小而减小的,因此调速范围也要较小一些。至于基频上的变压变频调速系统属于弱磁恒功率调速,机械特性曲线高于固有特性曲线,调速范围扩大了,但是带载能力降低了,而且线性段不再保持平行下移,转速越大,最大转矩Temax变小,转速损耗也增大了。
2.2 (电压源型)转速闭环转差频率控制的异步电机变频调速系统
如上文所述,影响交流异步电机转矩的因素很多,但是通过对于异步电动机稳态数学模型的分析可以得知:
将其带入Eg表达式以及转矩方程可以推得Te∝Δω,因此在主磁通不变的情况下,可以通过转差(角)频率控制转矩,以实现异步电机的变压变频调速系统。
系统通过转速闭环控制得到转差,如图3所示,转速调节器ASR采用PID控制策略可以实现转速的无静差系统,并且通过ASR的饱和来对Δω*进行限幅,进而控制Te,保证了系统工作在机械特性的线性段,也保证了系统在允许条件下的快速性。
转差频率给定信号ω*经过以上两个环节与电流反馈相加,经过电流调节器ACR进而控制整流器的输出电压,另一路ω*控制PWM逆变器的触发,调整其输出频率,达到了异步电动机电压频率协调控制的目的。
2.3 转速闭环转差频率控制的异步电机变频调速存在的问题
异步电机的转差频率调速系统是建立在异步电动机稳态模型且磁通Φm恒定的基础上的,因此系统的动态性能并不好。另外,电流调节器无法控制定子电流的相位,动态过程中转矩不与定子电流同步;再者测速信号的误差将会通过正反馈送入转速调节器。综上所述,异步电机变压变频调速无法达到直流电动机双闭环系统的水平。
3 交流异步电动机的矢量控制和直接转矩控制
异步电机的变压变频调速系统模仿了直流电动机双闭环调速的方法,但是系统的动态性能不是太好。为了变不精确的静态模型为矩阵化的动态数学模型,变性能差的模拟控制方式为高性能的数字控制方式,矢量控制系统是按照转子全磁通Φrm恒定,Er/ω1=C恒定的控制方式。如图4所示,矢量控制通过将三相坐标系上的定子交流电流通过3/2变换,可以等效成两相静止坐标系上的交流电流,再通过同步旋转变换VR环节,可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流,将三相异步电机等效成为一部直流电动机。即将异步电动机的定子电流分解为励磁电流和转矩电流分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位。因此矢量控制静、动态性能比转差频率控制更接近于直流调速系统,同时有利于分别设计转速和磁链调节器。
直接转矩控制与矢量控制类似,也是分别控制异步电动机的转速和磁链,但是是通过双位式砰-砰控制器直接用这两个信号产生电压的SVPWM波形,不采用解耦的方式,在算法上也就不需要旋转坐标变换,只经过一步静止坐标变换,直接控制定子磁链,易于测量,且不易受转子参数变化的影响,鲁棒性好。直接转矩控制把转矩直接作为被控量,强调的是转矩的直接控制与效果。但是由于采用了双位砰-砰控制器必然会使转矩在其上下限间脉动,低速性能也较差,调速范围要比矢量控制窄。
4 结语
通过对交流异步电机变频调速方法进行分析,可以看出变频调速的稳态性能较好,且易于实现,因此应用广泛,但动态性能较差,难以应用于高精度控制。矢量控制通过控制转子磁链,将励磁系统、转矩系统通过解耦定子电流分别独立控制,静、动态性能优秀,调速范围宽,但是需要解耦电流,增大了控制器的复杂性,同时容易受转子变量的影响,鲁棒性差;直接转矩控制也采用转矩、磁链分别控制的方法,通过双位式砰-砰控制器生成SVPWM波形,对比矢量控制,不需要进行旋转坐标变换,不需要解耦定子电流,简化了控制结构,而且不受转子变量的影响,鲁棒性好。但是转矩有脉动,不如矢量控制平滑,低速带载能力差。因此,对于交流异步电机来说,需要根据现场需要,选择合适的控制方式。
摘要：对交流调速系统的常用方法进行了总结,着重说明了异步电动机转速闭环转差频率控制策略的原理,并对比矢量控制与直接转矩控制两种方法,分析了三者之间的优缺点。
关键词：变频调速,矢量控制,直接转矩控制
参考文献
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综合调速系统 第5篇
Xxx大学本科毕业设计(论文摘要 摘要
本文主要介绍基于意法公司STM32处理器的三相交流异步电动机调速系统的软件设计。详细阐述异步电动机矢量控制系统和电压空间矢量PWM(SVPWM调制技术原理及软件实现。使用IAR公司的EWARM开发环境进行C语言程序开发,同时嵌入μcos-ii实时操作系统,以提高系统的实时性。然后通过MATLAB/Simulink 软件进行仿真验证。实验及仿真结果表明,所设计的三相交流异步电动机调速系统具有转矩脉动小,输出电流波形好,系统响应速度快等优点。
关键词三相异步电动机,矢量控制,SVPWM,STM32,μcos-ii实时操作系统,MATLAB仿真
本科毕业设计(论文 ABSTRACT 目录 绪论 矢量控制的基本原理 电压空间矢量PWM(SVPWM的基本原理 4 STM32简介 μcos-ii实时操作系统简介 基于STM32的μcos-ii实时操作系统移植 7 MATLAB/Simulink仿真软件简介 8 调速系统软件实现 9 调速系统仿真模型及仿真 1 绪论
当前,三相交流异步电动机已广泛应用于现代工业及相关领域,其调速系统显然成为应用的关键,而调速系统的实现有很多种方式。20世纪70年代德国学者Blaschke等人提出了矢量控制方法。这种控制方法就是采用矢量变换使交流异步电机定子电流励磁分量和转矩分量之间实现解耦,交流异步电动机的磁通和转矩分别进行独立控制,从而使交流异步电动机变频调速系统具有了直流调速系统的优点。因此,近几年来得到相当广泛的应用。
矢量控制采用脉宽调制(PWM技术控制输出电压,PWM技术主要有正弦PWM(SPWM、消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM、电流滞环跟踪PWM(CHBPWM、电压空间矢量PWM(SVPWM等控制技术。其中经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波,并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流,使之在正弦波附近变化,这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目标是在电
动机空间形成圆形旋转磁场,从而产生恒定的电磁转矩,这正是电压空间矢量PWM(SVPWM控制技术的控制目标。如此,SVPWM控制技术具有系统逆变器直流端母线电压利用率高、开关损耗小、电动机转矩波动小等优越性能,应用更为广泛。
本文详细阐述异步电动机矢量控制系统和电压空间矢量PWM(SVPWM调制技术原理及基于意法公司STM32处理器的软件实现,同时嵌入μcos-ii实时操作系统,以提高系统的实时性,然后通过MATLAB/Simulink软件进行仿真验证。实验及仿真结果表明,该设计的三相交流异步电动机调速系统具有转矩脉动小,输出电流波形好,系统响应速度快等优点。矢量控制的基本原理 2.1矢量控制的基本思路
通过坐标变换,使异步电动机等效成直流电动机,模仿直流电动机的控制策略,得到直流电动机的控制量,然后经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电动机。即通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统(VC 系统。基结构框图如图2-1。
2.2坐标变换 2.2.1坐标变换引出
由于异步电动机的动态数学模型复杂,即是一个多变量(多输入输出,并且电压(电流、磁通、转速、频率之间相互影响的高阶、强耦合、非线性系统,因此,要分析和求解这样的数学模型所列的方程显然是十分困难的。在实际应用中必须设法予以简化,而简化的基本方法就是坐标变换。
2.2.2坐标变换的基本思路
坐标变换的基本思路是能把异步电动机的物理模型等效的变换为类似直流电动机的模式,所依据的原则是:在不同的坐标下所产生的磁动势完全一样。
首先看看直流电动机的物理模型,如图2-1中所示。图中F 为励磁绕组,A 为电枢绕组,其中F 在定子上,A 在转子上。这里把F 的轴线称作d 轴,主磁通Ф的方向就是沿着d 轴的方向;A 的轴线则称为q 轴,由于换向器电刷的作用,电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相同的,因此,电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在q 轴位置上,其效果好象一个在q 轴上静止的绕组一样,即电枢绕组。由此可描述直流电动机的物理模型是建立在两个相互垂直的坐标系上的,其中d 轴励磁绕组A 的励磁电流a i 决定主磁通Ф,而q 轴电枢绕组F 的电枢电流f i 在主磁通Ф下产生电磁转矩,与主磁通Ф无关。
在交流电动机三相对称的静止绕组A、B、C 中,通以三相平衡的正弦电流A i ,B i ,C i 时,所产生的合成磁动势是旋转磁动势F ,它在空间呈正弦分布,以同步转速 1 顺着 A-B-C 的相序旋转。其物理模型如图2-2(a 所示。
依据坐标变换的原则,要建立与直流电动机的物理模型等效的物理模型,可由下面的方法进行坐标变换:一是将三相静止坐标系转换为两相静止坐标系(3/2变换,二是将两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系(3s/2r 变换,如图2-2。如
此得到与直流电动机的物理模型的等效的坐标系。2.2.3坐标变换之三相二相变换(2s/2r 变换
2s/2r 变换即二相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换,α、β轴为静止的, d,q 轴是以转速 1ω旋转的,α轴与d 轴的夹角为ϕ,根据文献[8]知,(式2-4 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡C B A β232302121132αi i i i i
⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2323021211322/3C ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦ ⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=2321232110322/3C ⎥⎦ ⎤⎢⎣⎡=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡q d s 2/r 2q d βαcos sin sin cos i i C i i i i ϕϕϕϕ 则两相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换的变换阵为,(式2-5 由(式2-4两边左乘以变换阵的逆矩阵,可得(式2-6 则二相静止坐标系到两相旋转坐标系变换的变换阵为,(式2-7 2.3异步电动机在两相同步旋转坐标上的数学模型 2.3.1磁链方程
在dq 坐标系的磁链方程为,(式2-8 其中, —— dq 坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感;
—— dq 坐标系定子等效两相绕组的自感;——dq 坐标系转子等效两相绕组的自感;sd ψ、sq ψ、rd ψ、rq ψ分别表示d、q 轴上定子磁链,d、q 轴上转子磁 链;⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ϕϕϕϕcos sin sin cos s 2/r 2C ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡βαq d cos sin sin cos i i i i ϕϕϕϕ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=ϕϕϕϕcos sin sin cos r 2/s 2C ⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡rq rd sq sd r m r m m s m s rq rd sq sd 00000000i i i i L L L L L L L L ψψψψr m r l L L L +=ms m 23L L =s m s l L L L += sd i、sq i、rd i、rq i 分别表示d、q 轴方向定子绕组电流,d、q 轴方向转子绕组电流;2.3.2电压方程
在dq 坐标系的电压方程为,(式2-9 其中, s R 为转子内电阻,r R 为定子内电阻;1ω为同步角转速,其等于定子频率;s ω为转差,ωωω-=1s ,ω为转子转速;sd u、sq u、rd u、rq u 分别表示d、q 轴方向定子绕组电压,d、q 轴方向转子绕组电压。
2.3.3转矩与运动方程 在dq 坐标系的电转矩方程为，(式2-10 运动方程为,(式2-11 2.3.4异步电动机在两相同步旋转坐标上的状态方程 由于鼠笼型转子内部是短路的,故有 rd u = rq u = 0 ,由代数变换可知,其状 态方程,即s r i--ψω状态方程, ⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-+-+--+=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡rq rd sq sd r r r s m m s r s r r m 1m m m 1s s s 1m 1m s 1s s rq rd sq sd i i i i p L R L p L L L p L R L p L p L L p L R L L p L L p L R u u u u ωωωωωωωω(rq sd rd sq m p e i i i i L n T-=t n J T T d d p L e ω+=(式2-12(式2-13(式2-14(式2-15(式2-16 其中, ——电机漏磁系数;——转子电磁时间常数。2.4按转子磁链定向的矢量控制 2.4.1按转子定向的旋转坐标系
现令d 轴沿着转子总磁链矢量方向,并称之为M 轴,而q 轴再逆时针转90°,即垂直于转子总磁链矢量,称之为T 轴。即有
r rm rd ψψψ==, 0==rt rq ψψ(式2-17 2.4.2按转子定向的旋转坐标系的状态方程 转矩方程为(式2-18 L p rq sd rd sq r m 2p(d d T J n i i JL L n t--=ψψωsd
r m rq 1rd r rd(1d d i T L T t +-+-=ψωωψψsq r m rd 1rq r rq(1d d i T L T t +---=ψωωψψs sd sq 1sd 2r s 2m r 2r s rq r s m rd r r s m sd d d L u i i L L L R L R L L L T L L L t i σωσωψσψσ+++-+=s sq sd 1sq 2r s 2m r 2r s rd r s m rd r r s m sq d d L u i i L L L R L R L L L T L L L t i σωσωψσψσ+-+--=r r r R L T =r s 2m 1L L L-=σr st r m p e ψi L L n T = 转差方程为(式2-19 d、q 解耦方程(式2-19 2.4.3按转子磁链模型(计算 ϕ 按转子磁链模型如下图图2-3, 2.4.4按转子磁链定向的矢量控制 矢量控制的结构框图如下图2-4，r r st m s 1ψωωωT i L ==-sm r m r 1i p T L +=ψ 电压空间矢量PWM(SVPWM的基本原理 4 STM32简介
4.1基于CORTEX-M3内核的STM32 CORTEX-M3是ARM公司最新推出的基于ARM v7体系架构的处理器核,具有高性能、低成本、低功耗的特点,专门为嵌入式应用领域设计。ARM v7架构采用了Thumb.2技术。保持了对现存ARM解决方案完整的代码兼容性,比单纯 ARM代码少使用3l%的内存,减少了系统开销,同时能够比Thumb技术高出38%的性能。在中断处理方面,CORTEX-M3集成了嵌套向量中断控制器 NVIC。NVIC可以配置 1~ 240 个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断。同时,抢占(Pre-eruption、尾
链(Tail-chaining、迟到技术(Late-arriving的使用,大大缩短了异常事件的响应事件。CORTEX-M3异常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态,进一步缩短了中断响应时间,降低了软件设计的复杂性。
STM32是意法公司基于CORTEX-M3内核的一款高性能单片机,在具有与其它单片机相同功能的同时,在电机控制方面尤为突出,可产生高精度的可控6路PWM 波,其可设置死区时间与故障输出保护,并且设有正交编码器速度反馈接口,实现高精度速度检测。并且意法公司针对交流感应电动机还专门设计了应用程序库,方便使用者二次开发。ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的 R I S C微处理器结构,它以低成本、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。
C o r t e x-M3内核是 A R M新型 V 7架构系列的微控制器版本,广泛应用于企业、汽车系统、家庭网络和无线技术领域,特别在电机数字控制领域的性能尤为突出。
4.2STM32的高级定时器 4.2.1高级定时器的结构图 参考文献[11],其结构如下图4-1, 4.2.2高精度PWM产生
时钟可为APB总线频率的2倍,最大72MHz,可提供13.8ns 定时精度。有边沿或中心对称模式,方便PWM波的结构调整。在更新率倍频模式,中心对称模式下无精度损失,每个PWM周期可产生两次中断或DMA连续传输。
4.2.2高精度PWM管理
可编程的死区产生是其最大的特点,由8位寄存器控制死区时间,在时钟为
72MHz时13.8ns 最大精度(从0 到14µs, 非线性。有专门的故障停机输入控制,由关闭6路PWM输出且发出中断请求来实现,且异步操作(无须时钟同步,更适合实时控制。
4.3STM32的速度检测
STM32可直接与增量式正交编码器相连而无需外部逻辑电路,其中正交编码器的第三个输出口,可连至外部中断口来触发定时器的计数器复位。当自动重载寄存器的值配置为正交编码器每转产生的计数脉冲时,则计数器的值直接为转子的角度/位置,非常方便速度检测。
4.4STM32的ADC ADC转换速度可达1MHZ,精度为达12位,采样时间可编程(1.5-239.5个时钟周期,最小采样时间达107ns,满足高性能异步电动机调速的采样频率要求。有多通道基于定时器的扫描采样功能,且每个ADC通道可被来自定时器的6个事件触发,或由外部事件和软件触发,由此可将ADC与定时器并联控制,得到更好的调速性能。μcos-ii实时操作系统简介
µC/OS-II是著名的源代码公开的实时内核,是一个完整的,易移植、易固化、易裁剪的占先式实时多任务内核。µC/OS-II是用ANSI C编写的,包含一小部分与微处理器类型相关的汇编语言代码,使之可供不同架构的微处理器使用。虽然µC/OS-II是在PC机上开发和测试的,但µC/OS-II的实际对象是嵌入式系统,并且很容易移植到不同架构的微处理器上。至今,从8位到64位,µC/OS-II已在超过40中不同架构的微处理器上运行。基于STM32的μcos-ii实时操作系统移植 7 MATLAB/Simulink仿真软件简介 8 调速系统软件实现
8.1调速系统软件的结构图 调速系统软件的结构图如图8-1，磁场定向控制(FOC 软件的流程图如图8-2, 8.2 9 调速系统仿真模型及仿真 电流采样
(A i ,B i ,C i =得到相电流(αi ,βi = Clarke(A i ,B i ,C i(d i ,q i = Park(αi ,βi *d V = PID 调节(d i ,*d i *q V = PID 调节(q i ,*d i(q V ,d V = 饱和处理(*q V ,*d V(αV ,βV = 反Park(q V ,d V SVPWM(αV ,βV
结 束 结论
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风扇变频调速系统开发 第6篇
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势,电机交流变频调速技术是当今推动节电技术进步的一种主要手段。加之单片微型计算机功能集成化的发展,其应用也逐渐由传统的控制,发展到模拟信号处理,数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)以及液晶的显示等,且它成本低、集成度高、功耗低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置。现今世面上的风扇频率固定、稳定性较差、不能实现步进变频和转速测量,基于此而选择将单片机控制变频的研究运用到家用风扇,实现交流风扇的变频调速。本文以AT89C51单片机为控制核心,以交流电动机为控制对象,由电机芯片L298构成脉宽调制型逆变电路,实现对交流电动机转速控制的系统的硬件组成、软件设计。
1 系统设计原理
以单片机为控制中心,分为控制电路组件、逆变电路组件、风扇测速组件和液晶显示组件。通过控制电路组件中的键盘输入设定频率值,单片机产生信号与逆变电路组件构成脉宽调制(PWM)型逆变电路,采用交-直-交方式,把工频交流电源通过桥式整流、滤波等过程转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。再利用集成化的霍尔元件作为风扇测速组件,将磁钢安装在风扇根部,霍尔探头置于风扇根部附近,风扇旋转时磁钢通过霍尔探头附近时,信号线上将产生一个脉冲,将这个脉冲反馈给单片机控制的液晶,从而来测定及显示风扇的在设定频率的转速。系统框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 控制电路
控制电路主要以AT89C51为控制中心,建立最小系统,外接键盘和液晶,利用编写的程序产生SPWM(正弦脉宽调制)输出,通过键盘控制设定频率值,再将采集的反馈信号在液晶上显示。控制电路主要是产生SPWM输出,且提供键盘输入和液晶显示。其中键盘和液晶直接编写程序即可实现,SPWM的产生要通过计算才能实现,具体PWM由正弦调制波和三角载波比较产生,正弦波发生器和三角波发生器分别由单片机的模拟电路组成,在异步调制方式下,三角波的频率是需固定的,而正弦波的频率和幅值随调制深度的增大而线性增大。简单直观,但存在一些缺点,系统可靠性低,输出电压的频率和幅值不稳定,精度低,难以实现最优化SPWM控制。采用专用集成芯片可以产生稳定高效的SPWM,但是这些专用芯片在市场上不易买到且价格昂贵,而利用单片机完成控制组件的功能,简化了设计,虽然不能实现最优化的SPWM控制,但是完全可以达到设计要求[1,2]。
2.2 逆变电路
逆变电路组件主要是由电机芯片L298和分频电路组成,主要功能是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。SPWM信号由单片机产生,然后利用分频电路将一路SPWM信号分成两路,最后用两路SPWM波对L298控制即可实现逆变[3,4]。
L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高,最高工作电压可达46 V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3 A,持续工作电流为2 A;可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载。在这里利用其内部的控制及驱动电路,在IN1和IN2脚上加上SPWM波,使得L298内部的4个三极管两两交替导通,在OUT1和OUT2之间接升压变压器的初级,这样便可以实现从直流到交流的转变。升压变压器采用的是220 V-9 V的降压变压器逆用,考虑到升压后需要带动约22 W的电扇,加之是逆变使用,考虑变压器的功耗和保证余量,最终选用了功率为25 W的220 V-9 V的普通变压器[5]。
2.3 风扇测速电路
风扇测速组件的主要功能是检测风扇当前的转速。将磁钢安装于风扇根部,霍尔探头置于风扇根部附近,风扇旋转时,当磁钢通过霍尔探头附近时,信号线上将产生一个脉冲,将这个脉冲反馈给单片机,通过计算每秒钟脉冲的个数来测定风扇的转速。由于采用了集成霍尔元件,信号调理电路全部集成在了芯片内部,所以只需要电源线和一根信号线即可。
2.4 液晶显示电路
液晶显示组件的主要功能是显示设定的频率和风扇当前转速。采用LCD1602,具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点。它可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0～D7,和RS,R/W,EN三个控制端口,工作电压为5 V,并且带有字符对比度调节和背光。
按照要达到的效果设定的显示为:初始化第一行显示为“SPWM:89S52.SYS-”,第二行显示“Initia-lizing.”,随着第一行显示设定的频率“set:00001Hz”第二行显示风扇的具体转速“spd:00000rpm”。与单片机连接如图2所示。
VDD:电源正极,4.5～5.5 V,通常使用5 V电压。
VL:LCD对比度调节端,电压调节范围为0～5 V,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,但对比度过高时会产生“鬼影”,因此通常使用一个10 kΩ的电位器来调整对比度,或者直接串接一个电阻到地。
RS:MCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时,使RS为低电平;MCU要写入数据时,使RS为高电平。
R/W:读写控制端。R/W为高电平时,读取数据;R/W为低电平时,写入数据。
E:LCD模块使能信号控制端。写数据时,需要下降沿触发模块。
D0～D7:8位数据总线,三态双向。如果MCU的I/O口资源紧张的话,该模块也可以只使用4位数据线D4～D7接口传送数据,本充电器就是采用4位数据传送方式。
BLA: LED背光正极。需要背光时,BLA串接一个限流电阻接VDD,BLK接地,实测该模块的背光电流为50 mA左右。
BLK: LED背光地端。
3 系统软件设计
系统软件由主程序、显示子程序、键盘子程序、中断子程序等构成。主程序中主要完成系统的初始化,通过产生的正弦波和三角波产生SPWM信号,送到硬件电路,并根据显示模块计算要显示的数据并送出显示、键盘扫描及服务处理、输入数据的码制变换等[6,7]。软件流程如图3所示。
4 系统整机调试
系统采用各个模块分开调试。首先是控制电路组件,其中键盘是利用单片机最小系统,编写指令。总共设置两个按键,主要完成频率值的加减,达到频率设定的效果,按键一是单增,按键二是单减。再利用数字示波器来观察控制电路产生的SPWM的波形。通过对不断改变正弦波和三角波的频率而产生的不同波形进行比较,不断改进软件程序来消除谐波干扰,从而得到满足要求的频率范围和步进值。然后是逆变电路组件,利用波形发生器输入满足要求的SPWM波形,利用开关电源接入功率为40 W,电压为15 V和功率为5 W,电压为5 V的直流电,提供驱动。通过不断改变SPWM波形频率,观察风扇的转速,当频率设定为50 Hz的时候风扇开始转动,频率不断增大,风扇转速不断加快;当频率设定为最大255 Hz的时候,风扇转速达到最大。
最后是风扇测速组件和液晶显示,先将霍尔传感器的信号线接入单片机,通过磁钢在感应区晃动产生脉冲信号反馈给单片机,然后利用编写的指令控制单片机计算反馈的脉冲个数,即是风扇的转速。液晶模块的显示是通过给单片机编写程序来达到显示设定的频率和风扇的转速的效果。
5 结 论
由于世面上的风扇存在频率固定、稳定性较差、不能实现步进变频和转速测量的问题,这里选择将单片机控制变频的研究运用到风扇,实现交流电机的变频调速,与同类产品比较,该系统结构简单,稳定性高,具有一定的信价比优势。其中系统的硬件电路充分发挥了AT89C51的数字信号处理和控制管理功能,提高了整个系统的效率和性能。集成芯片的使用有效地减少了干扰,提高测量的精度。软件算法的程序采用模块化、结构化设计思想,易于移植,功能模块可以很容易的扩展,运算速度也得到了很大程度的提高。经过测试,系统的性能和效率基本达到预期的效果。根据需要,以后还可以使用更先进的DSP芯片、宽屏图形液晶器、更大的存储器等方式升级系统。
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直流斩波调速系统设计 第7篇
直流斩波调速系统的核心技术是脉宽调制控制技术, 称为PWM控制技术。在国内目前仍有大量的各类机床和系统使用直流电动机作为伺服驱动。如果将其改造为微处理器控制PWM调速控制, 能与数字速度给定信号直接接口等优点, 则更有利于国家工业化的发展。
2 系统设计
2.1 直流电机P WM控制原理
PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断, 把直流电压变成电压脉冲列, 控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的, 或达到变压变频目的的一种控制技术。
设, α可定义为占空比。设定输入电压Ud不变, α越大, 电机电枢端的平均电压Uα越大, 反之也成立。改变α值就可以达到调压的目的。
2.2 方案的选择
在许多单片机的测控系统中, 需要PWM功能实现直流电机的调速控制。
(1) 选用具有PWM功能的单片机。
(2) 采用软件模拟的方法实现PWM输出。
对于前者来说, 虽然已经出现了不少具有PWM功能的新型单片机, 但是它们的价格一般都比较高。所以本设计选用51系列单片机采用软件模拟的方法实现PWM输出。
电机驱动部分, 为了简化电路, 决定使用集成有桥式电路的电机专用芯片L298。
2.3 总方案的确定
由单片机AT89S51接受键盘或红外遥控器的信号并产生相应的信号输出, 其中两路信号控制L298的使能端控制电机的启动和停止, 一路占空比信号送给AT89C2051;AT89C2051接受到占空比信号后产生出对应的PWM波形送L298控制直流电机的速度。在直流电机中安装霍尔开关传感器, 把速度信号传送AT89S51, 进行定时计数, 并LED显示。整个系统的电源由外接双路稳压电源提供。
2.4 电机驱动部分
L298及其外围电路比较简单。其中ENABLE、PWM和DIRECTION三路信号由控制电路部分给出。在使用过程中, L298内部的两个桥式驱动器并联使用, 使直流电动机的持续工作电流最高可达到4 A。当ENABLE输入为低电平时, L298内的8个开关管都不会导通, L298没输出。当ENABLE输入为高电平时, 可看出8个开关管根据输入端信号的变化而变化的情况。我们可以见到PWM波形的占空比的变化。在ENABLE输入为高电平的情况下, 当DIRECTION输入为低电平时, 可以见到VA1与VB3一直导通, 臂桥VA2与VB4一直截止。这过程中VA4与VB2一直与PWM波形变化一致。电机正转;当DIRECTION输入为高电平时, 可以见到VA3与VB1一直导通, 臂桥VA4与VB2一直截止。这过程中VA2与VB4一直与PWM波形变化一致。电机反转。
2.5 测速显示部分
本设计选用的是霍尔元件CS3020作为测速的传感器。在电机的转叶上贴上两片小磁钢, 那么电机每转一圈, 霍尔传感器输出两个脉冲。
本系统使用四位共阳数码管显示直流电动机的转速, 为了节省I/O口, 我们使用74LS47把四位的BCD码转换成LED显示。单片机P2.0、P2.1、P2.2和P2.3作为BCD码的输出口, 分别与74LS47的A、B、C和D引脚相接。单片机的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7分别作为四位LED由低位到高位的选通脚通过三极管选通LED。
2.6 单片机红外解码技术
在本设计中, 编码专用集成电路芯片使用了HT6221。AT89S51是接收引脚接三端红外一体化的接收头HS0038。当接收头接收到38 k Hz的载波时, 接收头输出低电平, 没有接收到载波时, 输出为高电平。所以单片机接收到的信号刚好与HT6221发出的信号相反。单片机的I/O口通过判断接收头输出的高电平时间就可以分析出HT6221发出的数据:单片机首先判断出9 ms低电平, 然后判断4.5 ms的引导码电平。如果引导码正确, 继续接受数据和分析数据, 接收的载波宽度都是0.56 ms, 因此只需要分析间断的高电平:如果数据是0, 高电平的时间是0.56 ms, 如果接收到的数据是1, 高电平的时间是1.68 ms。
3 结语
本设计线路比较简单。设计的主要技术在于PWM信号通过单片机对L298的信号传输实现对小型直流电动机启动、正转、反转等控制。设计难点在于用软件产生可变的稳定的高频的PWM波型往往是矛盾的, 要在两者中取求平衡点。
摘要：主要完成以89s51单片机为核心的PWM直流电机的调速系统。该系统具有速度给定、速度显示、速度测量和速度控制, 并在最后的扩展功能里加上了红外遥控功能, 采用软件进行红外解码。
关键词：脉宽调制,直流电机调速,单片机,转速检测
参考文献
[1]丁元杰.单片微机原理及应用.第2版.机械工业出版社, 1999.8
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[3]李刚, 林凌, 姜苇.51系列单片机系统设计与应用技巧.北京航空航天大学出版社, 2004.1
电梯系统变频变压调速技术研究 第8篇
随着我国经济的快速发展,日益增多的高层建筑导致对电梯的需求越来越大,随之而来的是对电梯舒适性、安全性和可靠性等要求的提高,因此电梯运行性能对电梯调速技术的要求越来越高。变频变压(Variable Voltage and Variable Frequency,VVVF)电梯调速技术利用PLC控制器实现对电梯运行的精确控制,具有调速性能好、节能效果显著、实用性强等特点,可有效提升电梯运行性能,达到较好的控制效果。
1 电梯调速技术原理
根据电机学知识得到交流电动机的转速公式为:
式中,f为供电频率;p为电机定子绕组磁极对数;s为电机转差率。
(1)电梯调速可以通过改变电机极对数p来实现,这种调速方法称之为变极调速技术。
(2)电梯调速还可以通过调整定子绕组电压方式实现。通过调整电压,可以实现对电机转差率s的调整,从而达到调速目的,这种调速方法称之为交流调压调速技术。
(3)电机转速n和电源频率f成正比,可以通过连续均匀地调节电源频率来实现电机转速的均匀变化,此时电机的最大转矩会发生改变,但是电梯为恒转矩负载,要求调速时要保持电机的最大转矩不能发生变化。根据转矩公式可知:
式中,Cm为电机常数;Φ为电机气隙磁通;I为转子电流;cosφ为转子功率因数。
同时有电压公式:
式中,U为定子电压;f为定子电压频率;w为定子绕组匝数;k为电机常数。
由公式(3)可知,通过保证电动机的U/f比值不变,或者使电机的定子电压随电源频率变化成正比变化,此时可以实现磁通Φ恒定。保持有功电流I不变,则电机的输出转矩保持恒定。这种调速方法称之为变频变压调速技术。
2 电梯调速技术对比
由以上分析可知,目前较为常用的电梯调速技术可以分为变极调速技术、交流调压调速技术、直流调速技术和变频调速技术。下面对几种调速技术进行对比分析:
中低速运行电梯的电机调速技术主要采用变极方式,从而使得系统结构较为简单,在价格和维护性方面具有优势,因此变极调速技术在早期的电梯控制中使用较多。但是变极调速技术只能实现对电机运行的有级调速,这就会对电机运行的加、减速过程造成影响,导致乘坐电梯的舒适性降低。
为了避免变极调速技术存在的缺点,交流调压调速技术得到了广泛应用,交流调压调速技术利用自动控制原理,采用闭环控制调控电梯运行速度,提高了乘坐电梯的舒适性。但是此种技术在电梯转矩精确控制方面存在缺陷,同时存在着电梯低速运行时能耗大和输入功率因数降低的问题。
在电梯调速技术中,直流调速技术应用也较为广泛,主要适用于高速、超高速电梯运行控制。直流调速技术可以实现对电梯速度的精确控制,弥补了以上2种控制方式的缺陷,电梯控制的响应速度和舒适度都较高。但是此种技术主要用于对直流电机的控制,应用范围较窄,同时也存在着电梯低速运行时输入功率因数降低的问题,影响了实际控制效果。
变频变压调速技术对电机供电进行控制,首先将交流电整流为直流电,然后通过逆变技术实现不同电压和不同频率交流电的输出,同时引入电压、电流和速度的反馈控制,实现对交流电动机转速的平滑调节,成功地改善了以上调速技术存在的问题,使得电梯的运行效率和运行性能大大提升。
3 VVVF调速电梯系统的构成
该系统主要由PLC控制器、变频器、光电旋转编码器(PG)、曳引机、光电传感器和显示系统等构成,如图1所示。
由图1可知,电梯控制系统的核心是PLC控制器,PLC负责对各种逻辑信号进行处理,可根据变频器的输出信号对电梯位置进行计算,同时根据呼叫信号和预定程序进行判定,进而向变频器发出启停信号及楼层显示信号、门机驱动信号等。
电梯调速部分选用高性能的VVVF变频器,一般采用电压型的,通过改变电源频率和电压实现对电机的调速;变频器利用旋转编码器测量曳引机的转速,变频器和旋转编码器构成速度闭环矢量控制系统,从而较好地对平层精度和运行速度进行准确控制。为保证变频器对电梯的最优控制,可进行如下操作:首先使电梯的电机处于空载状态,然后启动电梯电机,让变频器自动识别并存储电动机有关参数,变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数,最终实现对电机的最优控制。
4 VVVF调速电梯的控制实现
VVVF调速技术的核心是对电梯运行过程中的速度变化进行控制,调速控制的好坏决定了电梯性能的优劣,通过对电梯运行速度的有效调控,可以有效降低电梯运行中的启动、加速、稳态和减速停车过程对人造成的不良影响,从而保证电梯运行的可靠性和乘坐的舒适性。
电梯运行的关键环节在于启动加速和减速平层阶段,对其控制过程如下:在启动加速阶段,控制过程要满足电梯平稳启动且没有较大冲击力的要求,同时不能发生反向溜车问题。首先PLC控制器向变频器发出预励磁命令,使电动机内部能够建立磁场以满足启动条件,然后控制器经过一定延时后发出打开抱闸指令,PLC控制器根据程序设定确定加速阶段速度参数,对变频器发出速度指令,有效消除零速抱闸时反向溜车问题。在减速平层阶段,为了保证电梯运行效率和舒适度,要求电梯实现无速停车抱闸,减速到平层时无爬行过程。因此首先需确认电梯的运行速度是否已经到达零速,然后发出抱闸命令,经历一定延时之后变频器发出停止励磁信号,使电机停止运行。同时为保证平层的准确性,可采用速度校正曲线对电梯运行速度进行修正,从而保证变频器减速信号能够准确发出。
VVF调速技术通过矢量变换控制技术实现对交流异步电动机的驱动控制。通过采用VVVF调速技术,电梯可以在较低频率下实现软启动,然后再随着电梯速度的增加而提高供电频率,因此电机启动所需要的启动电流很小,功耗降低。当电梯工作在稳定态和制动态时可以再生发电,电梯系统不再需要从电网中获取额外能量,有效减少了电能消耗。同时VVVF电梯系统还可以使得电路的功率因数大大提高,从而节省电梯运行成本。因此,VVVF电梯系统具有较好的节能效果。
5 结语
随着电梯拖动技术和控制技术的进步,电梯调速技术已经发展到了交流变频变压调速控制阶段。变频变压调速技术通过控制电机供电电压和频率可实现速度闭环调整,能够较好改善电梯运行可靠性和乘坐舒适度,同时在节能方面具有较大的优势,代表了未来电梯调速技术的发展方向,具有较好的经济效益和社会效益。
摘要：从电梯调速技术原理入手,对比分析了现有几种电梯调速技术的优缺点,介绍了VVVF调速电梯的系统构成及其控制实现。
关键词：VVVF,PLC控制器,电梯调速技术,反馈控制,矢量变换控制技术
参考文献
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步进电机调速系统的设计 第9篇
步进电机是一种将电脉冲转为角位移的执行机构,广泛应用于各种自动化系统中。通俗讲:步进电机接收一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度(即步距角)。可控制脉冲个数来控制角位移量,达到准确定位的目的;同时可控制脉冲频率来控制电机转动的速度,从而达到调速的目的。随着微电子技术的发展,步进电动机的需求量与日俱增,制作步进电机控制系统具有十分重要的意义。本文通过AT89C51单片机实现对步进电机启停、正反转、加减速的控制。通过单片机、电机驱动芯片ULN2004及相应按键实现功能。
2硬件设计
本文使用的步进电机是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。四相八拍步进电机的通电方式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。它的工作原理是给一个脉冲信号,电机转动一个角度。步进电机的角位移量与脉冲数成正比,它的转速与脉冲频率(f)成正比。
根据步进电机工作原理可知,实现步进电机的启停即给电机通电则启动、不通电则停止,实现正反转控制即改变电机的通电顺序,实现加减速的控制即增加或减小电机的通电频率。步进电机不能直接接到电源上工作,必须使用步进电机驱动器,本文采用驱动芯片ULN2004。
步进电机调速系统如图1。其中由P1口连接发光二极管构成显示部分,实现当电机启动时,二极管依次点亮;当电机加速时,二极管加速点亮;当电机反转时,二极管反方向依次点亮。由P2.0-P2.3口连接的按键构成按键输入部分,实现按第一个按键启停电机,按第二个按键使电机加速,按第三个按键使电机减速,按第四个按键使电机反向转动。由P2.4-P2.7口连接的步进电机驱动器ULN2004构成驱动电路,实现对步进电机的通电控制。
3软件设计
本文用AT89C51单片机进行程序设计。系统分为电机启停、正反转、加减速部分组成。
按键程序用于判断P2.0-P2.3口的值,当P2.0口为0,即按下按键后,电机启动,再次按键,电机停止;当P2.1为0时,电机加速;P2.2口为0时,电机减速;P2.3口为0时,电机正转,再次按键,电机反转。
步进电机转动是由于电机驱动电路提供了一定相序的电源,首先定义电机驱动端口sbit R1=P2^4;sbit R2=P2^5;sbit R3=P2^6;sbit R4=P2^7;根据四相八拍步进电机的通电顺序为
当接收到正转按键的信息后,调用电机正转子程序,可实现电机转动。当接收到反转按键的信息后,可调用电机反转子程序,实现电机的反转。
4调试及总结
(1)电路板焊好后,检查电路设计及元器件焊接是否正确,结果正确。但发现步进电机不能正常转动,再次确认硬件及程序没问题,据步进电机工作原理,电机实现正反转,四个相序必须正确。经几次试验,确定电机的四个相序。把电路板重新布线,电机能够正常转动。实物图如图2所示。
(2)步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等,所以说步进电机调速系统有着广阔的市场和远大的发展前景。
(3)随着科技的进步,芯片也在高速发展,后续出现更高级的芯片,依据本文的设计思路也能实现高级芯片对步进电机的调速控制。
参考文献
[1]吉文.单片机在电机控制中的应用分析[J].科技视界,2013,7-9.
变频调速典型控制系统(四) 第10篇
多电动机传动指一个生产机械或一个工艺区段中有多台电动机,它们的运动不独立,彼此之间存在约束,例如存在机械轴或通过被加工物体连在一起(另一种机械联系)。多电动机传动中的每个电动机调速系统都基于第1讲第1.4节介绍之基础调速系统,为满足生产工艺要求它们也需要辅以第3讲介绍的工艺调速典型转速控制环节,本节介绍由于彼此约束而需要增加之各调速系统间的协调控制措施。
4.1有转速静差系统
这类系统常用于辊道类传动,解决电动机之间的负荷分配不均问题。辊道用于输送货物,许多辊子排成一列,每个辊子或几个辊子用一台电动机驱动,整列辊子多台电动机以同样转速一齐转动,带动货物运动,图1为其示意图。
在输送过程中,货物逐次通过辊子,当货物压在某个辊子上时,驱动该辊子的电动机就有负载,货物没来前或离开后电动机空载。如果货物较长,同时压在几台电动机驱动的辊子上,则由这几台电动机共同推动货物,于是出现负荷分配问题。受货物和辊子间摩擦力约束,同时受压的几个辊子表面的线速度必须相等,受加工误差和摩损程度不同影响,辊子直径不会完全相同,因此要求电动机转速有微小差异。基础调速系统是转速无静差系统,若转速给定一样,它们的稳态实际转速就一样,把这系统用于辊道传动,将造成线速度高的辊子拖线速度低的辊子走的情况,两台驱动电动机负载差别巨大。辊道传动用于运送货物,对转速精度和调速范围都要求不高,常采用无转速传感器调速系统,由于转速观测存在误差,即使转速给定一样,各电动机的实际转速也不完全相同,也是负荷分配不均的原因。
为解决辊道电动机之间的负荷分配不均问题,希望各台电动机的调速系统都是有转速静差系统,随负载转矩加大,转速逐渐略微下降,它们的外特性示于图2,图2中纵坐标v表示辊子表面线速度,横坐标是负载转矩T。原来线速度高的辊子的负载转矩大,转速下降多,原来线速度低的辊子的负载转矩小,转速下降少,从而使得二者线速度实现平衡。设货物同时压在辊1和辊2上,二者的外特性略有差别,辊1略高于辊2,压上货物后二者线速度相同,则辊1电动机的负载转矩为Tl,辊2为T2,Tl>T2 。外特性越硬(下垂小),负载差越大;外特性越软(下垂大),负载差越小。
有转速静差系统通过在基础系统中加入“下垂环节”(“droop环节”)实现,它是从ASR输出到输入的负反馈,反馈系数为KB,框图示于图3。
在稳态,ASR之PI调节器输入=0,ATL使电动机实际转矩T等于给定转矩T*,
n*-n=KBT (1)
由于电动机的空载转速n0等于给定转速n*,则转速下垂率
式中:nN和TN为额定转速和转矩;nTN为额定转矩对应的转速。
在采用相对值计算时nN=TN =1,
则 Δn(%)=KB (3)
KB越大,转速下垂率越大,负荷差越小。KB也不能太大,否则从空载到带载的转速差太大,对货物的进入和离开辊道不利,对运货速度影响也太大。通常设置Δn(%)=10%～15% 。
除辊道类传动外,这类有转速静差系统还用于其他需要简单负荷均衡的设备,例如轧机的立辊传动。立辊装于水平辊(主轧辊)旁,任务是轧制轧件的边缘,它的功率远小于水平辊,当轧件同时位于这两组辊中时,立辊转速只能随水平辊走,受轧辊和轧件材质、尺寸、温度等参数影响,两组辊的转速很难匹配,为防止立辊负载过大或过小,要求立辊采用有转速静差系统(主辊为无转速静差系统)。
4.2多单元(分部)协调控制系统[1,2]
生产机械由多个单元(分部)组成,通过被加工的工件连成一体,例如:造纸机、印染机、连续轧钢机等,各单元之间的运行速度必须保持一定的比例关系。要求各单元的电气传动装置本身运行稳定、鲁棒性好、不受电源、负载以及环境变化的影响,并设置各单元之间的协调控制环节。有的机械还要求在生产中同步加减速(在加减速期间也能保持各单元速度比例不变),为此要求各电动机转速对斜坡给定有良好的动态跟踪性能。
在造纸机中,纸浆连续地从网部流出,经压榨部脱水、干燥部烘干、压光机压光,最后,由卷纸机卷纸。上述每个部分都称之为分部,由一台或多台电动机驱动,示于图4。生产时,由于纸张的伸缩,各分部之间应有一定的速度差,通常称为速度差控制。由于生产是连续进行的,必须保持该速度差稳定不变,不受负载、电网、温度等扰动影响,否则会影响纸的定量,甚至造成纸张断头。这就要求每个分部传动都是在第3讲第3.2节中介绍的稳速系统(卷取机控制参见第5讲)。为协调各分部速度,让它们的转速给定都来自一个实现速度差控制所需的转速链给定环节。
在连续轧钢机中,钢材同时在几个机架中进行轧制,只有通过这些机架的钢材秒流量相等,才能不出现机架间堆钢或拉钢现象,使生产连续进行。连轧机组中Rb和Rc两个机架的连轧示意图绘于图5。
钢材经Rb轧制后,厚度、宽度和线速度从ha,wa和Va变为hb,wb和Vb,再经Rc轧制,进一步变为hc,wc和Vc。秒流量相等指每秒通过轧辊的钢材体积相等,即
hawaVa=hbwbVb=hcwcVc (4)
由于Vb比例于Rb的转速nb ,Vc比例于Rc的转速nc ,所以在两组辊直径相同时
也就是说,实现连轧生产的条件是各机架间的转速比要等于各段轧件横截面面积之反比,并在该轧件的全部轧制过程中维持这种关系不变,不受各种扰动影响。不同于造纸机的平稳负载工况,连续轧钢机在各机架咬钢时会受到突加负载冲击,为避免这种强负载扰动破坏秒流量平衡关系,要求驱动每个机架的调速系统都是在第3讲第3.6节中介绍的抗负载扰动系统。为协调各机架速度,让它们的转速给定都来自一个实现转速比控制所需的转速链给定环节。
许多连轧机都是恒速轧制,即在轧制一块钢材的全部过程中(从开始咬钢到轧完抛出)轧制速度不变,只有在改换规格品种时才改变速度。高速带钢轧机却不同,它要求低速咬入,咬入后升至高速轧制,快结束时再降至低速,因此要求所有机架带钢同步加减速,在加减速过程中也维持秒流量平衡关系。为此转速链给定环节应具有在加减速期间保持转速给定比不变的功能,同时每个调速系统应具有优良的对转速给定跟踪功能,也就是说需有转速预控环节(参见第3讲第3.4节)。
从上述2个应用实例知道,多单元协调控制系统中各单元应是具有良好抗干扰能力的无转速静差调速系统,为连续生产它们的转速彼此之间应保持一定比例关系,因此需要用一个转速链给定环节协调各单元的转速给定量。转速链给定环节应具有下列功能。
1)能根据工艺模型设定各单元转速给定之间的比例关系。
2)由于工艺模型不可能和实际情况完全符合,另外生产中工艺条件 (例如被加工材料的成分、温度、厚度、辊径等)也在不断变化,事先设定的转速链需要在生产中不断进行人工或/和自动修正(加入附加转速给定),这附加修正量还要参与下一个单元的调节。
由上述两项要求,综合出转速给定链关系式
3)所有转速给定同步升降,即在加减速过程中维持式(6)关系不变,为此用一个斜坡给定RFG产生信号n*0,其他所有转速给定都按式(6)算出。
转速给定链框图示于图6。
转速给定链的自动修正已广泛应用,常用的方法有张力控制和活套(或跳辊)控制2种。在设计自动修正系统前,先要依据工艺安排从所有单元中选择一个基准单元,例如第1个单元或最后一个单元或中间某一个单元,它的转速给定不修正。在基准单元后面的单元根据该单元前面的张力或活套(或跳辊)高度偏差修正其转速给定;在基准单元前面的单元根据该单元后面的张力或活套(或跳辊)高度偏差修正其转速给定。有自动修正后,人工修正通道仍需保留。
第x单元的张力控制示意图绘于图7a,其控制框图绘于图7b。张力计测出的张力信号FT.x与张力给定F*T.x比较后,经张力调节器AFTRx,产生自动修正的转速附加给定Δn*a.x,它与人工修正量Δn*m.x相加得总修正量Δn*x,送至转速链给定环节,去修正该单元的转速nx 。
第x单元的活套控制示意图绘于图8a。借助气动、液动或电动推力把活套臂抬起,绷紧被加工的带(线)材,根据活套臂抬起角度可以算出活套高度Hx,如果前后单元转速不合适,Hx就要变化,可以通过活套高度闭环来产生该单元转速给定的自动修正信号,维持Hx不变,从而实现连续生产。例如发现Hx加大,经调节器产生自动修正信号Δn*a.x,去增加后面单元的转速或减小前面单元的转速,使Hx恢复到给定值H*x。类似的设备还有跳辊,示于图8b,借助气动或液动拉力把跳辊拉下,绷紧被加工的带(线)材,若跳辊的自重和拉力之和为2FTx,则带(线)材中的张力等于FTx 。在前后单元转速不匹配时,跳辊高度Hx就要发生变化,也可以通过Hx闭环来产生该单元转速给定的自动修正信号。活套(或跳辊)控制框图与图7b一样,只是把图中的张力给定和反馈信号变成活套(或跳辊)高度给定H*x和反馈Hx,调节器的名字改为AHRx,示于图8c。为避免Hx在平衡位置附近来回跳动,在Hx反馈通道中需加入微分环节DT(微分负反馈)。跳辊有时也用于卷取(开卷)机控制,由于它们的卷径D是变化量,相应电动机转速也随之变化,所以框图中的转速给定n*x应根据线速度vx和卷径D算出,n*x=KDvx/D (KD为比例系数),见第5讲第5.3节中式(9)。
注意:张力控制和活套控制都需要有投入环节,只有在工件已绷紧及张力已建立后才能把转速自动修正环节投入,并要限制Δn*a.x的最大修正范围(10%左右),否则会带来振荡,例如发现工件松了,没有反馈量了,马上增加后面单元转速,工件突然绷紧,张力过大,又赶快减速,造成工件一紧、一松来回振荡。另外在工件即将过去时,还需设置张力控制或活套控制的退出环节,防止工件过去后,张力突然消失,活套高度突然变化,给调速系统带来冲击。
4.3有机械联系的多电动机主从控制系统[2,3,4]
生产中经常遇到有机械联系的多电动机传动系统,特点是电动机之间的转速彼此受约束,主要有如下几类:
A.2台或更多台电动机同轴传动或经齿轮箱连在一起,例如大型轧机的多电动机主传动或卷取机传动、压下传动等,电动机间的连轴短、粗,属于钢性联系;
B.大型多点提升机、升船机、双臂推料机等传动,其特点是电动机间的连轴细、长,属弹性联系;
C.宽轨距行走机构等,每个车轮由一台电机拖动,轮间无机械轴连接,它们的转速靠轮子与轨道的摩擦和机构钢架相互约束,也属弹性联系;
D.带钢加工、造纸、印刷、印染等生产线中的S辊传动,每组2或3个辊,彼此间无连轴,其转速靠套在它们上面带材的张力相互约束(见图9),特点是时有机械联系(套上带材正常工作时)、时无机械联系(上料、下料及打滑时),其联系也有一定弹性。
因电动机转速受机械联系约束,这类系统宜釆用主从控制,一台电动机的控制设计为主系统,由它决定转速,其他电动机的控制设计为从系统,任务是均衡电动机间负荷。最常用的主从控制系统示于图10,2套电动机的控制共用1套转速调节器ASR(主系统有转速调节器,从系统没有),其输出T*1作为2套转矩控制环ATL1和ATL2共同的转矩给定,2个转矩环促使2台电动机的实际转矩等于同一给定值,从而实现负荷均衡,称这系统为经转矩环负荷均衡的主从系统TLBS (load balancing system via torque loop)。
对于刚性联系(A类)的多电动机传动,TLBS系统好用,负荷均衡效果好,但对于弹性联系(B～D类)传动,它不大好用,负荷虽然也均衡,但机械弹性和间隙会带来扭振,对于C和D类传动,它还存在“打滑”后机械联系断开,从电动机转速失控问题(“打滑”后摩擦减小,由于从系统没有转速环,它仍产生和主系统一样的转矩,造成从电动机的电动转矩大于负载转矩,电动机加速,越加速摩擦越小,打滑越严重)。
4.3.1 TLBS系统的轴弹性扭振
图11示出最常见的两电动机传动情况,2台电动机经减速机和机械轴联在一起,本文以它为例分析弹性扭振产生机理,其结果也可用于更多电动机传动及C和D类无连轴的传动。
在分析中,转矩T和角速度ω都是相对值,无量纲和单位,角度的单位是弧度(rad)。在分析中把整个转矩环看成一个时间常数为σT的小惯性环节,由于σT远小于扭振周期,近似认为扭振时转矩实际值T无滞后的跟随其给定值T*变化,即T=T*。
由图11,写出两电动机的运动方程
式中:ω1,ω2为两电动机角速度;i为减速机减速比;Ts1和Ts2为机械连轴两端之负载转矩;TL1,TL2为两外加负载转矩;J为折合到电动机轴的惯性时间常数,J=(2πfN/p)J(m)/TB,J(m)为转动惯量测量值,(2πfN /p)为角速度基值,fN 为电动机额定频率,p为电动机极对数,TB为转矩基值。
式(7)和式(8)相减 并用微分算子s□代替d□/dt (□为变量名),
Js(ω1-ω2)=(T1-T2)-(Ts1-Ts2)/i-ΔTL (9)
式中:ΔTL为折算到电机轴上的外加负载转矩差,ΔTL=(TL1-TL2)/i。
考虑到
及在TLBS系统中T1=T2=T*(两转矩环ATL1和ATL2的转矩给定相同),则系统运动方程
式中:Δθ为机械轴扭转角,rad;ωB为机械轴角速度基值;K为轴弹性系数;s为微分算子。
由于式(11)中没有s一次项,该运动方程是一个无阻尼的振荡方程,虽然两电动机的转矩相同,负荷均衡,但存在转速ω和轴转矩KΔθ振荡。振荡角频率
仿真结果示于图12,从图12中可以看到扭振。
如果机械轴短而粗,弹性系数K非常大,角频率ωo很高,电动机转速响应不了,扭振便不会发生,因此这类主从系统适合用于两电动机“刚性”联系场合(A类)。
4.3.2 经转速环负荷均衡的主从系统(SLBS)
弹性联系(B～D类)传动宜采用经转速环负荷均衡的主从系统SLBS (load balancing system via speed loop),其框图示于图13,主、从两套系统都有转速调节器ASR1～ASR2及转矩环ATL1～ATL2,但在从系统的转速调节器输入端接有两转矩给定值之差信号KB(T*1-T*2)。SLBS具有一定抑制扭振能力,并能解决“打滑”时转速失控问题。
图13中,两转速调节器是同样的调节器,传递函数均为
式中:VRn,Tn分别为转速PI调节器的比例系数和积分时间常数。
由图13,2套系统的转矩给定
由上式,并考虑到T*1=T1及T*2=T2
多数情况下,在扭振发生时[1/(Tns)]≪1,则式(14)可以近似改写为
把式(10)和式(15)代入式(9),则系统运动方程近似为
和式(11)相比,由于增加了s一次方项,式(16)是有阻尼的二阶运动方程,阻尼系数
产生阻尼作用的原因是系统通过转速调节器在两电动机转矩差T1-T2中引入了转速差ω1-ω2信号,相当于引入了转角差Δθ的微分负反馈,起稳定作用。仿真结果示于图14,从图14中看到:在启动期间,由于转速调节器饱和,T1-T2=0,无阻尼作用,KΔθ等幅振荡;启动结束后,转速调节器退出饱和,T1-T2≠0,引入阻尼,转速和KΔθ振荡衰减,振荡频率与式(12)相同。
对于C和D类传动,“打滑”后机械联系断开,由于SLBS系统的主、从系统都有转速调节器,不会发生转速失控。
该系统的另一特点是容易实现“冗余”要求,即在一套电动机或调速装置故障时,靠另一套仍能拖动机械继续工作,并且在切除故障系统时不会给机械运行带来大的冲击,因为主、从两套系统都有转速调节器。从系统故障时,主系统是无静差调速系统;主系统故障时,T*1=0,从系统是有静差调速系统。这个特点对提升类设备的安全运行尤为重要。TLBS系统在从系统故障时能继续工作,而主系统故障时不能继续工作,因为从系统沒有转速调节器,即使从系统临时投入转速调节器也会给系统带来冲击。
4.3.3 有转速差补偿环节(SDCB) 的主从系统
SLBS系统具有一定抑制扭振能力,多数情况下能有效抑制轴扭振。但它的抑制能力取决于转速调节器参数,而这些参数是根据调速要求选取的,若不满足抑制扭振的要求,就需要辅以其他抑制扭振措施,加入转速差补偿环节SDCB (speed difference compensation block) 就是常用的一种,它可用于TLBS和SLBS两种系统。
有SDCB的SLBS系统框图示于图15。该系统的2个转矩给定信号中,分别加入负和正转速差信号KC(ω1-ω2),则
T1-T2≈-(K1+KC)(ω1-ω2)
系统运动方程
式中,系数K1的定义同式(15)。 和运动方程式(16)相比,s2Δθ项和Δθ项系数没变,仅sΔθ项系数加大,阻尼作用加强,阻尼系数的大小可以通过改变增益KC来调整,衰减振荡频率与式(12)相同。
有SDCB的SLBS系统仿真结果示于图16,图16和图14相比较,加入SDCB后系统对扭振的抑制作用大大加强,且在转速调节器饱和期间也有抑制作用。
如果有N台有机械联系的电动机(N> 2),则送至第x套调速系统转矩环ATLx输入端的转速差补偿信号为ΔT*x,
4.3.4 机械间隙对扭振的影响
造成扭振的因素,除连接轴的“弹性”外,还有机械齿轮和接手的“间隙”。机械间隙的特性表现为死区特性,示于图17a,图17a中纵坐标ΔTS为折合到电动机轴上的机械轴扭曲转矩ΔTS=(Ts1-Ts2)/i。
式中:θ0为机械轴间隙,rad。
式(7) 和式(8)相减,得系统运动方程
由于ΔTS的特性为非线性特性,不便直接解析,宜分段线性化,用相平面分析。
对于TLBS系统,T1-T2=0,是无阻尼的不衰减振荡系统(见图17b);对于SLBS系统和有SDCB系统,是有阻尼的衰减振荡系统(见图17c),阻尼越强衰减越快,直至全阻尼(无振荡)。3种系统的仿真结果示于图18,其中,图18a是TLBS系统;图18b是SLBS系统;图18c是有SDCB系统。
4.3.5 工程应用实例
4.3.5.1 双电动机传动
某些大型轧钢机为了增大功率、减小惯量采用双电动机驱动模式,2台电动机的轴直接串联起来,共同驱动轧机。大型龙门刨床为降低惯性、减少反转时间,也用双电动机驱动模式,2台电动机的轴通过齿轮联在一起,共同驱动机床。这样的机械联系属“刚性”联系(A类),都采用图10所示之TLBS系统,简单,负荷均衡效果很好,转矩平稳,无扭振现象。
4.3.5.2 升船机传动
某升船机由4台电动机共同驱动,提升及下放水槽,电动机间相距较远,通过细长的机械轴彼此相连,属弹性联系(B类)。由于机械间的弹性和间隙会给系统带来什么影响没把握,设计了TLBS系统(见图10)和SLBS系统(见图13)2套控制方案。试验结果表明:2种系统都能实现负荷均衡;SLBS系统运行比TLBS系统更平稳,水槽中的水晃动小(这对船在水槽中的安全很重要);在运行中途切除主系统,靠余下的3套从系统仍能把水箱平稳拖至终点,切除时系统无冲击(“冗余”功能),水槽中的水不晃动。在图19中示出提升时2#电动机的转矩波形,从图19中看到,TLBS系统有扭振,SLBS系统无扭振,转矩波形较平滑。
4.3.5.3 钢水包主提升传动
某炼钢厂钢水包主提升机有2个主吊钩,分别钩住钢水包两边,每个主钩由1台电动机驱动,两低速轴通过1根细长的机械轴联在一起。它的原设计是传统TLBS系统(见图10),投产后高速时机械声响很大,振动明显,电动机与减速机之间的联轴器处有响声,提升时两电机的转速和转矩电流波形示于图20。主系统转速波动小,因为它有转速反馈;从系统转速波动大,因为它无转速反馈;二者转矩波动基本一样,因为通过机械轴传递的扭曲转矩一样,只是符号相反。
改用SLBS系统(见图13)后,速度和转矩振荡消除,机械振动明显减小,联轴器处的声响消失,两电机的转速和转矩电流波形示于图21 (从系统波形图中的中间波形为放大了的两电动机转速差)。
4.3.5.4 S辊传动
S辊是带材生产线中常用设备,用来控制带材在某生产段的速度。它由2个或3个辊组成,每辊由1台电动机驱动(见图9),带材包在这几个辊外,以扩大带材和辊面接触的面积,增加摩擦,从而增加对带材的拉力。这几台电动机间的机械联系靠带材的摩擦力和张力实现,特点是在生产不正常时可能出现“打滑”情况,机械联系断开,另外在穿带和卸带时也无机械联系,属D类时有机械联系、时无机械联系的传动,其联系也有一定弹性。这类传动的控制都釆用图13所示SLBS系统,由于主、从系统都有转速环,故在机械联系断开时它们仍能正常工作,不失控,并有一定抑制弹性振荡能力。从运行情况知:电机负荷均衡,带材运行平稳,无扭振,“打滑”时电动机转速不失控。
S辊传动的另一个特点是,几台驱动电动机的额定功率往往不同,负荷均衡的含意不是几台电动机转矩(电流)大小相同,而是与电动机额定值成比例。只要在调试时按相对值设定转矩参数,且取额定转矩为相对值的基值,这个要求就自然满足。
4.4大型轧机的单辊传动系统[1,2]
大型轧机的上下轧辊传动分为成组传动和单辊传动2类。在成组传动中,1台电动机通过齿轮基座同时传动上、下2个轧辊。在单辊传动中,无齿轮基座,2台电动机各自驱动1个轧辊,示意图绘于图22。与成组传动相比,单辊传动可以获得更大轧制功率、更小转动惯量。
单辊传动的特点是,上、下辊传动之间时有机械联系,时无机械联系。在咬钢之前和抛钢以后,上、下辊传动独立,无机械联系;在轧钢时,通过轧件与轧辊的摩擦把上、下辊传动联系起来,彼此转速受约束。前面介绍的S辊传动也是时有、时无机械联系的多电动机传动,但它的无联系工况很少出现,正常工作时多是有联系工况,所以它采用主从工作模式。有机械联系时,从系统只起负荷均衡作用,在机械联系断开时,由于采用SLBS系统,从系统也能正常运行,但因主从系统结构不同,二者转速可能略有差别。单辊传动则不同,每轧一块钢就要出现一次无联系工况和一次有联系工况,因此希望咬入前(无机械联系时)上下辊传动是一样的转速控制系统,咬入轧件(有机械联系)后两个系统都承担负荷均衡任务,不分主从。
单辊传动控制系统框图示于图23,其中ST是负荷均衡环节的投入信号。咬入前电动机空载,负载转矩小于门槛值,ST =0,负荷差反馈回路断开,上下系统都是独立的转速控制系统;咬入钢材后电动机带轧制负载,转矩大于门槛值,ST =1,负荷差反馈回路接通,上下系统的转速调节器输入都接受负荷差信号,从而实现负荷均衡。
参考文献
[1]陈伯时,仲明振,中国电气工程大典编委会.中国电气工程大典:第15卷.电气传动自动化[M].北京:中国电力出版社,2009.
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