（计算机应用技术专业论文）基于网络的运动控制研究及在精绕机中的应用.pdf

北京化工大学硕士学位论文 题目：基于网络的运动控制研究及 在精绕机中的应用 摘要 随着国内基本建设的快速发展，各种焊丝、绕组的需求量越来越 大，这些制品的加工技术急需改进和提高。如焊丝的缠绕，需要精度 高、自动化程度高的生产设备。加快基于全数字交流伺服的高精度缠 绕技术的研究迫在眉睫。 焊丝经校直应达到标准规定的挺度和翘距。缠卷焊丝具有连续性 的翘距和挺度能确保连续的电接触、平滑的电弧特征和更连贯的焊透， 以确保在自动焊接设备上的无间断送丝。而基于角度排线及缠绕张力 恒定是基础。 目前，国外生产的层绕机自动化程度高，自动排线精确，主动导开 放线，缠绕质量高，但价格昂贵。国内研制出的缠绕机自动排线不够 稳定，且需人工干预，大多数为被动导开放线，缠绕质量不稳定，生 产效率低。 研究的主要内容有：基于网络的运动控制，运用现场总线技术将 各检测机构和执行机构与控制中心建立通信联系；针对缠绕设备的结 构特点，提出了排线机构角度控制避免缠绕不紧密和叠绕现象的出现； 放线机构主动恒张力导开，避免焊丝的形变；主轴电机和放线电机均 采用矢量式变频传动控制，较好地解决了焊丝恒张力缠绕和焊丝主动 导开的技术难题，提高了焊丝的层绕精度和设备的运行效率。实际运 行结果表明：系统综合性能指标符合工艺要求，计重误差小于5 。 关键词：控制网络，运动控制，可编程控制器，变频器，角度控制 北京化工大学顿士学位论文 t i t l e ：t h er e s e a r c h o nm o v e m e n tc o n t r o l s y s t e mb a s e do nn e t w o r ka n da p p l i c a t i o nt o t h ep r e c i s e dt w i s t e r a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h el o c a lc a p i t a lc o n s t r u c t i o n ，t h e d e m a n do f v a r i o u ss o l d e rw i r ea n dw i n d i n gi sd a i l yo nt h ei n c r e a s e b u tt h e i m p r o v e m e n ta n de x a l t a t i o no ft h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h e s ep r o d u c t s a r en e e d e du r g e n t l y f o re x a m p l e ，h i g ha c c u r a c ye q u i p m e n t sf o rw i n d i n g s o l d e rw i r ea r en e e d e d s p e e d i n gt h er e s e a r c ho nw i n d i n gt e c h n o l o g yb a s e d o nt h eh i g ha c c u r a c ya cs e r v oi ss t a r i n gu si nt h ef a c e t h es o l d e rw i r es h o u l da t t a i nt h es t a n d a r dp r o v i s i o nd e f l e c t i o na n d p i t c hb ys t r a i g h t e n i n g t h ec o n t i n u o u sd e f l e c t i o na n dp i t c ho f t h es o l d e r w i r ec a na s s u r ec o n t i n u o u se l e c t r i c a lc o n t a c t ，s m o o t ha r cc h a r a c t e r i s t i ca n d c o h e r e n t l yp e n e t r a t i v ew e l d i n g ，a n ds e r v ew i r eo nt h ea u t o m a t i o nw e l d i n g e q u i p m e n tc o n t i n u o u s l y t h ea r r a n g i n g w i r eb a s e do na n g l ea n dt h e c o n s t a n ti n t e r t w i s tt e n s i o na r ef o u n d a t i o n a sf a ra st h ef o r e i g ne q u i p m e n t sa r ec o n c e r n e d ，t h ea u t o m a t i o nd e g r e e i s c u r r e n t l yh i g h ，t h ea u t o m a t i c a l l yr o w i n gl i n e i s p r e c i s e ，i n i t i a t i v e u n w i n d s ，a n dw i n d i n gq u a l i t yi sh i g h ，b u tt h ep r i c ei se x p e n s i v e t h e d o m e s t i ce q u i p m e n t sa r en o te n o u g hs t a b i l i t ya b o u tr o w i n ga u t o m a t i c a l l y , a n dt h ea r t i f i c i a li n t e r v e n t i o ni sn e e d e d m a j o r i t yi sp a s s i v e l yu n w i n d i n g ， u n s t e a d yq u a l i t y , a n dl o we f f i c i e n c y t h em a i nc o n t e n t so ft h i sr e s e a r c ha r ea b o u tt h em o v e m e n tc o n t r o l b a s e do nt h en e t w o r k , t oc o m m u n i c a t ee v e r ye x a m i n a t i o na n dp e r f o r m a n c e o r g a n i z a t i o nw i t hc o n t r o lc e n t e rb yt h ef i e l d b u s a i m i n ga tt h em a c h i n e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea r r a n g i n gw i r em e c h a n i s mb a s e do na n g l e c o n t r o li sp u tf o r w a r dt oa v o i de m e r g e n c eo fu n w i n d i n ga n do v e r l a p p i n gi n t h i sp a p e r t h ep a y - o f fm e c h a n i s mr e a l i z e si n i t i a t i v eu n w i n d i n gb yc o n s t a n t t e n s i o nw i t h o u td i s t o r t i n gt h es o l d e rw i r e a l lo ft h ep r i n c i p a la x i s 北京化王大学硕士学位论文 e l e c t r o m o t o ra n dp a y - o f fe l e c t r o m o t o r a d o p t v e c t o r t y p ef r e q u e n c y i n v e r t e r t h e t e c h n i q u ep r o b l e mo fc o n s t a n t t e n s i o na n di n i t i a t i v e u n w i n d i n gi sw o r k e do u t t h ew i n d i n gp r e c i s i o na n dt h ew o r ke f f i c i e n c yo f t h ee q u i p m e n ta r ep r o m o t e d t h ea c t u a lr e s u l t ss h o wt h a tp e r f o r m a n c e t a r g e t sm e e tt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s w e i g h te r r o ri sl e s st h a n5 0 k e yw o r d s ：c o n t r o l n e t w o r k , m o v e m e n tc o n t r o l ，p l c ， f r e q u e n c yi n v e r t e r , a n g l ec o n t r o l 1 1 1 北京化工大学硕上学位论文 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：乏甄业日期：j 芝乙l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 作者签名：髯坐i ! 日期：竺z ：芝一 导师签名：名丕二谢日期：羔! 雩l 互l 北京化工大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 我国目前已成为世界焊接材料生产大国，焊接材料总产量已经超过1 2 0 万吨。 但由于我国现代化建设进程起步较晚，与发达国家相比，焊接材料的生产技术和 工艺相对落后。近年来，随着我国国民经济的迅速发展以及大规模基础设施的建 设，企业对焊丝的需求正在以每年2 0 的速度递增，据我国焊接协会专家预测，我 国焊丝的增长趋势将会持续2 0 年。 1 1 1 研究的目的 相关金属制品业均与现代焊接应用有关，在石化设备制造业( 如热交换器、 压力容器、储罐等) 、运输工具制造业( 如船舶、轨道车辆、汽车、飞机等) 、机 械制造业( 如产业机械、机具等) 、锅炉、桥梁与建筑行业等产业都与焊接材料产 业具有极大的关联性。焊接材料的应用趋势是高效率、高质量、适合于自动焊的 焊材使用量将逐渐增加，而其他焊材，尤其是低品质焊材使用量将逐渐减少。 进入新世纪以来，随着我国国民经济的快速发展，西部开发战略的实施，电 子信息技术的突飞猛进以及加入w t o ，给我国焊接产业提供了前所未有的发展机 遇。 本项技术的研究主要是为各种缠绕设备提供合理正确的工艺控制方案，并形 成此类设备的研发能力，为国产光机电一体化设备的研制找到较为有效的方式， 为替代大量的高精度光机电设备的进口以及出口该类设备寻找出路。 1 1 2 研究的意义 在人类进入2 1 世纪的今天，电机运动控制技术有了飞跃的发展，它以电力半 导体变流器件的应用为基础、以电动机为控制对象、以自动控制理论为指导、以 电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计为手段，并且与检测技术和数据通信 技术相结合，构成- - f - j 具有相对独立性的科学技术，在生产设备和过程自动化中 发挥着日益重要的作用。 北京化工大学硕士学位论文 网络信息技术的迅猛发展和广泛应用，使许多科学技术和生产领域发生了巨 大的变革。网络信息技术与智能测控技术的结合，产生了基于网络环境的智能测 控新领域，两者的融合正使信息和控制两大领域的相关理论和技术得到迅速发展。 工业现场测控网络、远程智能测控、网络化分布式智能测控等正成为国内外研究 的热点。这些网络化智能测控技术的发展和广泛深入应用必将极大地改变人们的 生产方式、工作方式和生活方式，引起技术的、经济的、社会形态的变革。 本项目的研制成功将为国内相关行业提供出功能齐全、精度高、适应性强、 价格合理的全自动缠绕设备，可替代昂贵的进口设备。仅以焊丝精绕机为例，德 国的进口设备价格在6 万欧元左右，而本项目的成果一台套价值为7 5 万元，一百 台的年产值为7 0 0 8 0 0 万元，具有良好的经济效益和市场前景。 1 2 相关领域的现状和前沿发展 现场总线技术是为了适应现代工业自动化的发展而出现的，它既是新型的自 动化系统，又是低宽带的底层控制网络【l 】。现场总线将网络通信与管理的概念引入 工业控制领域，将自动化底层的控制器与服务器互连，实现生产过程监控的网络 控制。它可以与i n t e r n e t 、企业内部网相连，沟通生产过程现场及控制设备与更高 控制管理层次之间的联系。现场总线通信协议简单，易于实现，在工业现场有着 广阔的发展前景。 随着国内基本建设的快速发展，各种钎丝制品( 如各种焊丝、电机和变压器 绕组等) 需求量猛增，而围绕着这些制品的加工技术急需改进和提高。如焊丝的 缠绕，需求高精度和自动化程度高的连续生产设备；各种绕组的缠绕设备急需提 高生产率和产品质量。 北京宏大研究院有限公司与天津工业大学合作设计和实现了高速卷绕头的网 络控制系统，由主控机、工控机、p l c 和变频器构成网络控制系统，采用r s 4 8 5 串行通讯 2 1 。 辽东学院设计的绕线机排线机构的运动控制系统以a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机为核 心，主轴电动机采用无刷直流电动机，电子换向技术，通过控制电动机驱动模块 实现主轴电动机的启动、转向、刹车和转速控制，单片机通过d a 转换电路输出 肛5 v 信号，控制电动机转速在0 - - 6 0 0 0 r m i n 之间连续变化，已在生产照相机闪光 灯变压器的生产厂进行批量使用【3 j 。 风神轮胎股份公司子午胎分厂引进美国b a r t e l l 公司的s w s 2 0 0 0 型钢圈缠 2 北京化工大学硕士学位论文 绕生产线，采用交流伺服控制系统对卷成装置进行位置控制和动力驱动，钢圈缠 绕装置驱动元件采用带制动器的1 3 2 6 - a b 系列无刷交流伺服电机，由p l c 及伺服 控制器进行位置和速度控制【4 】。 国内某些焊丝缠绕设备的排线机构与缠绕机构分离，缠绕精度较低。排线器 采用位移控制方式，缠绕密度不够；供丝电机与主轴电机分离控制，同步性受影 响，被动放线容易断丝；基本上采用人工辅助缠绕，经常出现故障倒车重缠现象。 1 3 研究的内容 研究内容主要包括全数字伺服驱动控制系统、矢量式变频传动控制系统、光 电检测与控制系统等，具体为以下几个方面： ( 1 ) 焊丝的导开和储丝机构。采用矢量式变频调速控制系统，实现焊丝缠绕张 力恒定、线速度自适应，主动放线避免断丝。 ( 2 ) 排线机构。排线器左右运动采用伺服驱动，走动平稳，跟踪定位准确，采 用变角度移动定位，自动换向，角度自适应控制，与主轴联动，要求随动精确， 实现角度的高精度检测与控制。 ( 3 ) 定长计重和张力控制。采用光电检测技术，实现定长计重平稳停车，通过 检测浮动辊的位置进而控制焊丝缠绕的张力。 ( 4 ) 基于网络的运动控制。运用现场总线技术将各检测机构和执行机构与控制 中心建立通信联系，利用网络对设备实现实时准确的网络化控制和管理。 ( 5 ) 人机界面。触摸屏的使用使得设备操作简便，更具人性化。 1 4 本课题的创新点 本课题是基于角度控制与基于主轴旋转同步相结合的控制方案的实现，角度 控制属国内首创，角度的高精度检测及控制与主轴联动，随动精确；恒定张力主 动导开，防止焊丝拉断；高精度自动定长计重系统设计，实现真正的完全自动化 生产；导开和储丝机构电机采用矢量式变频器控制、排线机构采用伺服驱动，使 得机构走动平稳，跟踪定位精确，节能高效；现场总线技术的采用便于扩展和网 络管理。 北京化工大学硕士学位论文 第二章运动控制系统 运动控制系统的发展经历了从直流到交流、从开环到闭环、从模拟到数字， 直到基于p c 的伺服控制网络系统和基于网络的运动控制的发展过程，每个过程的 发展都在很大程度上促进了运动控制系统的发尉5 1 。 2 1 运动控制系统概述 运动控制系统的主要研究内容是机械运动过程中涉及到的力学、机械学、动 力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。具体来讲，运动控制系 统是一种以自动控制理论为指导的电气传动自动控制系统，它以高性能的控制器 为核心，通过由电力电子功率变换装置组成的执行机构对电动机进行控制。 根据系统不同的控制要求，运动控制系统通过控制电机的转矩、转速( 调速系 统) 、加速度或转角( 位置随动系统) ，或对这些被控机械量的综合控制，将电能转 换为机械能，实现运动机械的运动要求。常见的运动控制系统有数控机床、科研 仪器仪表、机器人等。这些系统是力学、机械，电子、电工、计算机以及自动化 等科学和技术领域的综合。 在日常生活中，运动控制系统的种类很多，用途也各不相同，对它们的分类 方式也有很多种：首先，从大的方面分，即从动力源的不同分，运动控制系统可 分为气动、液压和电动三大类。其中，由于电气运动控制具有与微型计算机连接 方便、控制灵活、性能高等优点，所以在中小型功率的运动控制系统中得到广泛 的应用。对于电气运动控制系统，我们还可以从不同角度将其详细分类： ( 1 ) 按所驱动电机的供电类型分类：直流传动系统，交流传动系统； ( 2 ) 按所设计控制器的类型分类：模拟控制系统，数字控制系统； ( 3 ) 按控制系统的结构分类：单环控制系统、双环控制系统及多环控制系统。 虽然运动控制系统类型较多，但是，从基本结构上看，大多数运动控制系统 主要是由以下三个部分组成：控制器、功率驱动装置以及被控对象( 绝大多数情况 下为电机) ，闭环控制系统还应包括检测及变送装置。对于一般的自动控制系统而 言，其控制思想也是很相近的：将被控量与给定值相比较，得到误差信号，然后 直接利用误差对系统进行控制，使误差趋近于零，以达到使被控量趋于给定值的 控制目的。这是通过对系统输出量的反馈来完成的。图2 - 1 所示为闭环运动控制 4 北京化工大学硕士学位论文 系统的基本结构。 图2 - 1 闭环运动控制系统基本结构框图 f i g 2 1t h eb a s i c 仔a m o w o r kf i g u r eo f t h ec l o s e dl o o pm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m 通过以上介绍我们可以发现，由于运动控制系统的被控对象在大多数情况下 为电机，所以从某种意义上而言，运动控制系统与电机运动控制系统的范畴是等 同的，但是在某些场合还是有所区别的。 2 2 电机运动控制系统概述 运动控制系统主要是电动机的控制。电机是与电能的生产、传输和使用有着 密切关系的电磁机构。在日常生活中，电机的使用隧处可见，比如在很多场合大 量使用各种电动机作为原动机，用以拖动各种机械设备；在军事、信息和各种自 动控制系统中，使用大量的控制电机，作为检测、执行和计算等元件；在当今社 会中，办公自动化( o a ) 的概念已日渐深入人心，其中也随处可见电机的身影。据 资料统计，在所有的动力源中，9 0 以上来自电动机；同样，我国生产的电能中 有6 0 以上是用于电动机。 电机运动控制技术以电力半导体变流器件的应用为基础、以电动机为控制对 象、以自动控制理论为指导、以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计( c a d ) 为手段，并且与检测技术和数据通信技术相结合，构成- r o 具有相对独立性的科 学技术。在生产设备和过程自动化中发挥着日益重要的作用。 真正意义上的电机运动控制系统是在2 0 世纪3 0 年代出现的。随着新型电力 电子器件、自动控制理论以及微处理器技术的发展，电机运动控制系统发生了巨 大的变革。到了2 1 世纪的今天，电机运动控制系统的技术水平更是提高到了一个 新的高度，无论是应用的广泛程度，还是研究的深入程度都是过去人们想象不到 的。 北京化工大学硕士学位论文 1 9 世纪8 0 年代前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。1 9 世纪末交流电气 传动出现在工业应用领域，但在2 0 世纪大部分时间直流调速以其优良的调速性能 一直占主导地位。2 0 世纪9 0 年代，在先进的电力电子技术以及现代控制理论的支 持下，交流调速具备了宽调速范围、高稳定精度、快速动态响应和四象限运行等 良好性能，并显现出取代直流调速的趋势。 运动控制系统在要求成本低、控制精度不高的场合大多运行于开环状态。当 前的开环控制模式主要有调压( w ) 、调频( v f ，无闭环) 以及变压变频( v v v f ) ， 其中变压变频可以分为交一交变频和交一直一交变频。传统的交流电动机的运转 状态只有正转、反转和静止这三种状态，不能进行转速调节。应用变频器调速后， 使电动机的转速调节自如，赋予了运动控制系统新的活力，过去交流传动控制中 的难题由此迎刃而解。随着电力电子技术的进步，新一代全数字通用变频器可以 组成恒压频比的开环调速运动控制系统，此系统具有较硬的机械特性和较好的调 速性能，可满足很大部分中小型生产机械的一般调速要求，达到节能、提高产品 质量和生产效益的目的，由于这部分交流运动系统量大面广，因此，速度开环控 制的运动控制系统是运动控制的主要部分。 由于开环控制系统缺少必要的反馈环节，因此存在很多的弊端：电流无法控 制，无法做到对运动系统的有效的保护：系统的控制精度较低等。为了实现系统 的稳定、可靠和高精度运行，运动控制必须实现系统的闭环控制。不同的运动控 制系统，闭环的模式也不相同。为了实现速度的控制，可以采用电流环和速度环 两环结构；为了实现位置的跟踪，应采用位置环、速度环和电流环的三环结构。 闭环控制模式主要分为矢量控制( 或磁场定向控制) 和直接转矩控制。在控制 结构上，矢量控制和直接转矩控制都采用转矩、磁链分别控制。系统控制可以分 为转矩环和磁通环，从原理上说转矩环和转速环是统一的。转矩控制环( 或电流的 转矩分量环) 都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速 和磁链子系统近似解耦。从表面上看，两种系统的控制方法虽然不同，在控制性 能上各有特色，但是，两种系统在本质上是一样的，都能获得较高的静、动态性 能。矢量控制在按转子磁链定向的同步旋转坐标系上，把定子电流分解为励磁分 量和转矩分量，得到类似于直流电动机的动态模型。变换成独立的转速子系统和 转子磁链子系统，分别用p i 调节器进行连续控制。矢量控制的优点是系统具有良好 的动静态性能，控制结构简单；缺点是系统对于转子的参数依赖比较大，因此系 统的鲁棒性能较差。直接转矩控制舍去比较复杂的旋转坐标变换，在两相静止坐 标系上构成转矩和定子磁链的反馈信号。但是，数学模型不够简化，不能用线性 6 北京化工大学硕士学位论文 调节器来控制转矩和定子磁链，因而采用双位式的砰一砰控制器，根据二者的变 化选择电压空间矢量的p w m 开关状态，以控制电动机的转速。直接转矩控制的优 点是可以获得比p i 控制更快的动态转矩响应。按定子磁链控制，避免了转子参数变 化的影响，缺点是砰一砰控制引起转矩脉动，带积分环节的电压型磁链模型在低 速时误差大，影响系统的低速性能。低速时改用电流型模型，可减小磁链误差， 但又受转子参数变化影响，牺牲了鲁棒性好的优点。 为了满足高性能运动控制系统的要求，目前所采用的大部分的闭环控制策略 都可以归结为矢量控制或直接转矩控制。主要控制策略包括变结构控制、智能控 制、反馈线性化、自适应控制等1 6 】。 2 3 小结 本章介绍了运动控制系统的基本理论，准确掌握运动控制系统的含义是开展 本课题研究的前提和基础。随着网络技术的迅猛发展，使运动控制技术与网络技 术有机结合，为我国对网络环境下的运动控制技术的深层次应用奠定基础。 7 北京化工大学硕士学位论文 第三章矢量控制变频调速 变频器技术是一门综合性的技术。它建立在控制技术、电力电子技术、微电 子技术和计算机技术的基础上。变频调速系统与传统的交流拖动系统相比，有许 多优点：可以实现大范围内的高效连续转速调节、实现电机速度的精确控制、容 易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，容易实现电气制动， 实现对电动机的高速驱动，实现电动机的软启动，减小启动时的冲击电流，降低 系统的能量损耗。变频电源功率因数高，所需容量小。系统具有完善的保护功能： 变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别( 如 电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等) ，并立 即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，同时保护了电 机。 3 1 变频器的工作原理 7 - 2 l 在交流电动机的调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定 性好，运行效率高。交流电动机的调速方法如下所述： 交流电动机的转速为： ， n - 坐( 卜s ) = l l s ( 卜s ) ( 3 - 1 ) p 式( 3 1 ) 中：f ：- 交流电动机的供电电源的频率： s - - 电机的转差率： p 电机的极对数； n s - - 电机的同步转速。 由式( 3 - 1 ) 可知，交流电动机的调速可分为两大类，一类是在电机旋转磁场同 步转速n 。恒定的情况下调节电机的电机转差率s ；另一类调节电机的同步转速啦。 电动机的调压调速、转子串电阻调速、滑差离合器调速、斩波调速等，都是 在电机旋转磁场同步转速1 1 5 恒定的情况下调节电机的转差率s 来实现电机的调速， 这类调速方法简单，易于实现，但调速性能较差。 变极调速和变频调速则是在保持s 基本不变的情况下，调节电机的同步转速i l i 来实现电机的调速，这类调速方法属于高效率的调速方法，特别是变频调速是异 北京化工大学硕士学位论文 步电动机高效率调速方法的典型，它既能实现电动机的无级调速，又能根据负载 的特性的不同，通过适当的调节电压与频率之间的关系，可使电机始终运行在高 效率区，并保证良好的运行特性。另外异步电动机采用变频调速技术还能显著改 善起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，同时还能加宽调速范 围、提高力矩性能指标等。 变频器主要由五大部分组成：整流器、逆变器、中间直流环节、控制电路和 保护电路。变频器的基本构成见图3 - 1 。 图3 - 1 变频器的基本构成 f i g 3 1t h eb a s i cs m m m r eo f t h ei n v e r t e r ( 1 ) 电力电子开关器件。电力半导体器件已经历了以晶闸管为代表的分立器 件，以可关断晶闸管( g t o ) ，大功率晶体管( g m 0 ，功率m o s f e t 、绝缘栅双极 晶体管( i g b t ) 为代表的功率集成器件( p i d ) ，以智能化功率集成电路( s p i c ) ，高 压功率集成电路( h v i c ) 为代表的功率集成电路( p i c ) 等三个发展时期。在器件的 控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极( 栅 极) 的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作 频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电 路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组 合在一起的复杂模块。 ( 2 ) 整流器。整流器由二极管或晶闸管组成，将工频交流电整流成直流电。 在整流器整流后输出的直流电压中，含有电源6 倍频率的脉动电压，此外逆变器部 分产生的脉动电流也使直流电压波动i 为了抑制电压波动，可采用直流电抗器和 电容吸收脉动电压。 9 北京化工大学硕士学位论文 ( 3 ) 逆变器。逆变器由6 只可关断晶闸管或大功率晶体管及二极管组成，微处 理器输出p w m 信号，通过驱动电路控制开关元件的导通、关断，得到电压、频率 可变的三相交流输出电源。 ( 4 ) 中间直流环节。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论 电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数始终小于1 。因此，在中间直流环节 和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元 件( 电容器或电抗器) 来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。 ( 5 ) 控制电路。向异步电动机供电的主电路提供控制信号的电路，称为控制 电路。控制电路由运算电路、电流电源检测电路、驱动电路、测速电路等组成。 其中运算电路将外部的速度、转矩指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运 算，决定变频器的输出电源和频率。电压电流检测电路采用霍尔c t 、电阻等元件， 并与主电路隔离迸行电压、电流的监测。驱动电路驱动主电路元件的导通、关断， 它与控制电路隔离。速度检测电路通过异步电机轴上的速度检测器( t g ，p u g ) 或 其它途径，将速度信号送回运算电路，对系统构成速度闭环控制。 ( 6 ) 保护电路。变频器的控制电路中的保护可分为交频器保护和异步电动机 的保护。变频器的保护电路有：瞬时过电流保护、过载保护、再生过电压保护、 瞬时停电保护、接地过电流保护等。对异步电动机的保护有：过载保护和超速( 超 频) 保护。 ( 7 ) 控制算法。随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促 进了电力变频技术新的突破性发展，7 0 年代后期发展起来的脉宽调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。 p w m 控制利用了采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲 加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的 效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理，可以用一系列等幅 而不等宽的脉冲来近似正弦被，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为 s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 。s p w m 各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计 算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的s p w m 波形。但这种 计算很繁琐。较为常用的方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把 接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制即可得至u s p w m 波形。通常采用等 腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当 它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以 得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合s p w m 控制的要求。三角载波的 1 0 北京化工大学硕士学位论文 频率f c 和正弦调制波的频率e 之比即信= n 。称为载波比。用生成的s p w m 波控制逆 变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出 电压。正弦调制波的频率e 即是逆交器的输出频率f i 改变便可改变f l 。三角载波的 幅值为恒定，因而改变正弦调制彼的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输 出电压幅值的改变。根据以上介绍的s p w m 逆变电路的基本原理和控制方法，可 以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交 点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成s p w m 波形。但这 种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生 成s p w m 波形变得比较容易0 3 - t 5 1 。 3 2 变频调速的控制方式矢量控制方式 v f = c 的控制方式特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较 好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但 是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比 较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态 转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载 的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器 死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调 速。 直流电动机电枢电流控制方式在传动特性方面被认为是最优的控制方式，为 适应异步电动机高动态性能的需要，矢量控制方式使得异步电动机调速具有了与 直流电动机调速同等的传动特性。 矢量控制是基于理论上认为：异步电动机与直流电动机具有相同的转矩产生 机理。矢量控制方式就是将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流，分别进 行控制，同时将两者合成后的定子电流输出给电动机。因此，从原理上可得到与 直流电动机相同的控制性能。采用转矩矢量控制功能，电动机在各种运行条件下 都能输出最大转矩，尤其是电动机在低速运行区域。 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流i a 、i b 、 i c 、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流k 、i b ，再通过按 转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流i m 、i t ( i m 相当于直 流电动机的励磁电流；i t 相当于与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机 北京化工大学硕士学位论文 的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电 动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个 分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两 个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的 意义。 3 2 1 矢量控制的基本思想 矢量控制交流调速是通过坐标变换使交流电动机获得与直流电动机相似的数 学模型，从而可采用类似于直流电动机的控制方法来控制瞬时转矩，使交流调速 系统获得与直流调速系统同样优越甚至更加优越的动静态特性。 矢量控制的基本思想是：将异步电动机的物理模型等效变换成类似直流电动 机的模型，再仿照直流电动机去控制它，等效的原则是在不同坐标中产生的磁动 势相同。 由电动机原理可知，异步电动机三相定子绕组电流在空间产生一个角速度为 。的旋转磁场。若有两个互相垂直的m 绕组和t 绕组与旋转磁场同步旋转，绕组中 分别通以直流电流i m 和i t ，产生的磁动势可以与三相合成磁动势等效即两个磁动势 有相同的幅值、转速和方向。又令m 绕组的轴线与三相合成旋转磁场方向平行，则 i m 相当于电动机的励磁电流分量，i t 相当于电动机的转矩电流分量，调节i m 的大小 可以在磁场一定时改变转矩。由这样绕组组成的电动机其控制原理与直流电动机 控制原理相同。 在实际的等效变换中，先将异步电动机在三相静止坐标系下的定子电流i a 、i b 、 i c 通过三相两相变换，等效变换，等效为两相静止坐标系下的交流电流k 、i p ， 再通过磁场定向的旋转变换，等效为同步旋转坐标系下的直流电流i m 、i t ( 1 6 o 等 效的电动机绕组模型如图3 - 2 所示。 b ( a ) 三相交流绕组 a p 1 乏 勤f n k ii 7 j - 。 c 努9 n 。 ；jl 7 ( b ) 两相交流绕组( c ) 旋转的直流绕组 1 2 m 北京化工大学硕士学位论文 图3 - 2 等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型 f i g 3 2t h ee q u i v a l e n tp h y s i c a lm o d e lo f a ca n dd cm o t o rc o i l 通过控制i m 、i t 大小也就是电流矢量i 的幅值和去向去等效的控制三相电流k 、 i b 、i c 瞬时值，从而调节电动机的磁场与转矩达到调速的目的。 3 2 2 矢量变换规律 如上所示，通过坐标系的变换，可以得到交流三相绕组的等效绕组，现在的 问题是如何求出i a 、i b 、i c 与i m 、i t 之间的准确等效关系，也就是按等效原则进行坐 标变换，而且要求这些变换都必须是可逆的。坐标变换电路通常有三类：即三相一 两相变换，直角坐标一极坐标变换和同步旋转坐标一静止两相坐标变换。 ( 1 ) 三相一两相变换( 3 2 变换) a 、b 、c 三相坐标是以电动机定子三相绕组轴线为轴的静止平面坐标系，现 设置一个a ，b 两相坐标系中的交流分量，实际上就相当于把一个三相的异步电动机 变换成等效的两相异步电动机变换成等效的两相异步电动机。为了保证三相电动 机变换成两相电动机后所产生的磁势不变，需要考虑这两种坐标变换的折算因子 2 3 。 a 笔2；【fcsoinso。一coshs(k-一1，220。)，一cos证s(岖1220。)，j【vi窆a 北京化工大学硕士学位论文 1 i1 22 。2 压 u 万一百 ( 3 - 2 ) 应用坐标变换方法可求得式( 3 - 2 ) 的逆变换，即两相一三相坐标变换表达式。 2 睦 o 压 2 压 2 对于三相星型不带零线的接法，有i c = i i b ，则上面两式简化为 阡陪 阡睦 三相一两相变换符号为： 狮 狮 3 2 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 对于异步电动机电压和磁通的坐标变换表达式均与电流的变换式相同。 ( 2 ) 静止坐标与旋转坐标变换( v r 变换) 两相的”b 静止直角坐标系和同步旋转直角坐标系轴系之间的变换属于同步 旋转变换，如图3 4 所示。 1 4 北京化工大学硕士学位论文 t 缈 图3 - 4 静止坐标与旋转坐标变换 f i g 3 4t h es t a t i cc o o r d i n a t ea n dr o t a t i o nc o o r d i n a t et r a n s f o r m i n g ”b 是一个静止的直角坐标系，而m t 则是一个同步角速度f i l l 旋转的直角坐标 系。设m 轴与a 轴之间的夹角为母，贝l j a - p 坐标系上的分量和坐标系上的分量之间的 变换关系如下： 蹦蜀= 嘲 c 。o m s - s i 刚n 口o r i u 。同步旋转变换符号为 v r i m i t ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 注意：对于异步电动机在两相静止坐标系中的分量k 、i p 是随时间变化的交流 量，而经过同步旋转变化到m t 坐标系后得到的分量i m 和i t 则是直流量。 ( 3 ) 直角坐标与极坐标变换( k p 变换) 在矢量变换控制系统中，有时需要将直角坐标变换成极坐标，用参量的幅值 及相位来表示矢量。例如由i 。和i 6 求, l 1 1 和0 就属于l p 变换。众所周知，直角坐标 与极坐标的变换关系为 ， o ：t g 。 i 口 由于0 取不同值时，t g o 的变换的变化范围是o m ， ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 这个变化幅度太大，在实际 北京化工大学硕士学位论文 电路中难以实现，因此在实际电路中， 来表示。 c o s 口：量 s i n 8 ：生 矗 直角一极坐标变换符号为 电流的相位角0 通常采用其正弦值和余弦值 ( 3 一l o ) ( 3 - 1 1 ) k p 3 2 3 矢量变换下异步电动机的数学模型 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。因此常 作以下假设： 忽略空间谐波： 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感是恒定的； 忽略铁芯损耗； 不考虑频率和温度变化对电阻的影响。 在上述假设下，通过坐标变换的方法，就可以建立交流电动机的电路数学模 型。 依据电机的双轴理论，定子有两个集中绕组，d d 为直轴绕组；q q 为交轴绕组。 转子上有分布绕组，d d 为直流绕组：q q 为交轴绕组。这四个绕组上分别加上电源 电压u d 、u q 、u d 、u q ，则原型电机的电压方程为： u d d u g r d + p l d d o p l 嘣 一砒删 o r q + p l 砒幽 p b p l 叫 o r d + p l 蛆 一砒甜 o 皿脚 磁w r q + p l w b 七 b ，目 ( 3 一1 2 ) 对照原型电机的电压矩阵方程式( 3 1 2 ) 即可得到异步电动机变换到铲b 轴的 电压方程式( 3 q 3 ) 。 1 6 北京化工大学硕士学位论文 “口i i i n 0 o + p l l 0 p l m c o l u o + p 厶 c o l u p l m p l m o + 础； 一c o l ； o p l m c o l ； 呓+ 础： l u l l m l a 2 j 口2 接着可得到异步电动机变换到m t 轴上的电压方程式( 3 1 4 ) 。 u m u t l 0 o ，l + p l l c o o l l p l m c o j l u 一厶 ，i + p 一c o i l h p l m p l m m q k ， + 班； q e 一o l p l m - - c o , e 呓+ 础； ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 )