（机械电子工程专业论文）带传动试验台单片机控制系统的研究(1).pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 with h ig h -s p ee d d e v e lo p m e n t o f d ig ita l te c h n o lo g y a n d n v c o -e le c tr o n ic te d u w lo g y d ig ita l c o n tr o l h a s b e a t u s e d in m m h a n ic a l a n d e le c tr ic a l p r o d u ct s w id e ly d a y 勿 匈. d ig ita l c o n tr o l sy s te m b e o o m c s ro a m d e v e l 不 n g d in e d o f m ta n ct i c c o n tr o l, 厅i ts h ig h p r e a s o n , h ig h u k l lig p n o e , h ig h r e l ia b i lity a n d h ig h 加砒勿. in 此fi e l d o f e le c tr ic d ri v e , a lte rn a t in g a m e a t d ri v e h a s m a d e c o n s i d e r a b le l e a ld lu a 心l i n r e o a t y e a rs e s p e c i a l卜目 1 口 画1艰 a n r e nt v a y 血 邓 x a x y s p e e d r e g u l a * t e d m o b g y , o o m p a r m g 俪 出n a d id a 创d irwa nn e n t d ri v e , it h a s n n re 目v a n ta g e s , s u c h a s si m p l e in s tn x l r e , s a f e ty a n d n a ia b i li ty , w a p l *li ty in m o d e , e o o r n m ia n g o n e n rl g y r e s o u n e s , g o o d s er v ic i n g a n d s o o n . t h e c o n b u ia t im o f d ig ita l o m m d a n d v ar y fr e q u e n c y t e d x n d o g y a s w e ll a s r a p id 由v e l o p n e nt o f p o w er o o n np o n a l m a k e th e c o s t o f s y s t e m r e d 妙a 吨m a r g in a n d t h e ta i d e n cy o f r e p la ci n g 击n : ds ma r t 面v e h a s a r i s e n m血 fi e ld 茵h ia m d nic a l o o r n p u te r m an a g e n m n , p ro c e s s o a d rd a n d a l l e ff ia ti o g = a t d r i v e ; e u ro p e , a m e n c a n a n d 祠 p a n or e a h e a d o f 此w or l d a i d a g r e a t d e a l o f p ro d u ct s h a v e b e e n u s e d w id e ly . i n th is si d e o u r c o m 句is i a mrd , a i d a u ta rie fi o n le v e l is b w in w h o l e , s o w e m u s t p o p u l a riz e t o a p p ly n e w t c d a n lo gya n d p r o d u c ts l 伪 a m o = o f p r a c k a l d m a c te r o f a p p l ie d r e sr a m h , s tr a p 面v e te s t- b e d o f m e d ra n ic 面v e la b o f s o d h w e s t f m o t a rg u n iv =ty w a s u s e d a s a n e x a m p le in ih is t h e s ms u i g l e c h 扣 c o m p d a o o n fi d a k e r r ia ti n g s m a rt s p e e d r 酬 团 1 招 s y s t e m毗 r e s e a r d r e d i n d e ta il . c o r i ro l r e a m b o ar d a nd m k r f w e a ra 重型剪切机等具有大惯 量、 冲击负 载的 生产设 备， 其动力 也是 通过带 来传递等等。 所以 深刻 地 认识 带传动的工作原理和主要特征， 从而高效地利用它是机械设计课程的一个重 要环节。 理论与实践相结合是教学科研工作的基本原则，实验装置是理论研究的 必要手段。就带传动试验台而言， 在教学中可以 加深学生对带传动基本原理 的认识，了 解各种不同类型带 ( 平型带、三角带、同步带等) 及不同形式带 传动的工作 特征， 掌握科学研究的基本方法; 在生产中可以 根据实验数 据调 整带和带轮的设计参数，制造出性能良好的产品 ( 带、带轮、带传动设 备)， 并可以 对产品质量进 令 j 检浪 ( 。 对试验台的 基本要求是能够模拟各种工况，即 转速与负 载可以 改变，并 且能 够稳定运行: 采集试验 数据并 进行相关分析处理。 以前的试验台用调压器手动调节电机速度，而且是处在开环状态:用于 模拟负载的磁力制动器， 其电流也是用滑动变阻器手动调节。整个系统试验 期间需要人为干预，不仅劳动强度大，而且控制方式落后，精度很低。试验 的数据采集，如 压力是用台秤检测， 人工读取， 手段极其粗糙， 而且 无法将 压力信号引入控制系统。 为了 更好地适应教学 科研工作，需要对原 试验台 控 制系统重新设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2页 1 . 2 国内外动态 针对原试验装置的落后状况，本课题对带传动试验台的研制即是基于推 广、 应用计算机数字控制技术， 提升系统的自 动化水平，使试验台的控制系 统具有先进性。 数字控制是当今控制领域中一个重要的发展方向。数字系统的控制方案 依靠软件实现， 其自 保护功能、抗干扰能力、灵活性和可靠性指标等都很 好; 而且在系统硬件结构不变的 情况下，也很容易引入各种先进的控制规 律，实 现最佳控制。 数 控设 备的 通用性强， 易于硬件的标准化。 通过数字控 制器内多 种形式的存储器可实现监控保护、故障自 诊断、报警显示等多种功 能 而且其通讯功能强，易 于构 成分布式控制系统，实现生产过程的 全局自 动化。 目 前国外己 有定型成套设备， 技术相当 成熟，发展方向是大型化、智能 化，正 在研究具有区域管理级、车间管理级、 监控级和过程控制级的四级计 算机控制系统。 在电 气传动方面， 交流调速技术发展也相当迅速，矢量控制 及直接转矩控制等理论己 应用于实际，控制精度己 可与直流传动媲美，并在 节约能源等方面取得了良 好的效果。 我国 在这方面的 研究也取得了一些成就， 但与发达国家相比还有很大差 距。目 前大多仍停留在生产过程控制级，大部分为单机控制，不利于构成计 算机集散控制系统。 变频技术应用还不是很广泛和深入， 许多设备甚至仍采 用分离元件系 统控制的直流传动， 技术水平堕待提高。 1 . 3 本文研究的主 要内 容和意义 本文研制的 控制系统以 单片 机为核心， 研制了 多个实 用电 路， 如单片 机 主 控板、 键盘 接口、 数码显示器接口、 压力传感器信号放大及转换接口、 直 流数字式可调电 源等。 控制 算 法 采用p i d ( p to p o r ti o rm l i n te 州 d a i v a ti v e ) 闭 环方式， 极 大地提高 了 控制精度。系统设想采用单片机和微型计算机二级管理，数据的采集、分 析与处理全部实现自 动化。 以上软硬件虽然是针对本系统设计的，但也适宜于其它一般的控制系 统， 具有较大的实用性。 新设计的试验台是一个机电 一体化的计算机控制系统， 适应了现代技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第 3页 发展对教学实验的要求，能 在本试验台上开发出综合性实 验，使学生在学习 机械知识的同时 对计算 机控制技术、电 子技术等有所了 解， 有助于培养学生 形成开发机电 一体化产品的意识。 本试验台对于生产现场的产品制造和质量 检测也具有较强的现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4页 第2 章试验台 控制系统总体方案设计 本章通过对带传动试验台构造和工作原理的分析，明确控制的目的与要 求，提出几种方案进行可行性评估， 最后选定合理、先进的控制方案，并对 其系统结构详细说明。 2 . 1 试验设备构造及原理 带传动中传递动力的是具有挠性的带。带在工作过程中会发生弹性形 变，从而造成主动轮和从动轮线速度不一致，甚至出 现打滑，这是带传动的 最主要和基本的特征， 直接影响着带传动的工作效率。因此深刻地认识并研 究它是十分必要的。 木试验机结构如图 2 - 1 所示。主动轮由 交流电动机驱动，电 机悬浮安 装，以电机外壳为示力体。在带运转过程中， 转子给予定子的反作用力矩使 机壳有翻转的趋势，这样机壳上固定的测力杆通过触点压在压力传感器上， 将其处理后可得到输入力矩。从动部分是一个磁力制动器，线圈通入直流电 以 后产生磁场， 圆 盘转动时切割磁力线， 从而产生阻力矩。调节直流电 流可 枯h创动廿 图2 - 1带 传动i 机结 构 以改变磁场a度，从而改变阻力矩，即改变输出功率。阻力矩测试方法与主 动轮相同， 均可由 式2 - 1 求得 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 5页 = ( q一 q o ) l .( 2 - 1 ) 式中:t 轴上的力矩 f 带 传动的 有效圆 周力 d带轮直径 q 加载后荷载值的读数 q o 加 载前 荷 载值的 读 数 l o 旋 转 中 心 至 触点 的 距 离 为使带获得试 验所要求的预紧力， 设有张紧装置，即 将主动部分装在具 有滚动导 轨的 可移动的 底座上， 通过滑轮和吊 重的作用 使带张紧， 改变吊 重 即可获得不同的预紧力。其关系式为: w 一 a x a x sin (号 ， ( 2 - 2 ) 式中:w吊重 a 初 应力， 一 般带 传动1 . 5 一1 . 8 晦 a 带的横断面积 a 带轮包角 主动轮和从动轮转速均由 光电 传感器计数脉冲测得。当主动轮和从动轮 轮径相同 且无滑动时， 可以 通过如下计算 求得带传动的效率) e 只 17=兀 于 x 1 0 0 / o 书 = ! x . n , x 1 0 0 % ( 2 - 3 ) 式中:17 传动 效 率 p , -输入 功率 p -输出 功 率 t , -输 入转 矩 t z -输出 转 矩 n , 主 动 轮 转 速 刀 : 从 动 轮车 i 7 a 轮径相同时， 滑动率 : 如下计算: := y , 22 x 1 v , ( 2 一 ) _ n , - n 2 x 1 n , tx 刀 ， 0 0 % 0 0 % 西南交通大学硕士研究生学位论文第 s页 式中: 滑动率 v , 主 动 轮 线 速 度 v 2 从 动 轮 线 速 度 n , 主 动 轮 转 速 n 2 从 动轮 转速 在预紧力一定的条件下，滑动率 : 的大小取决于负载的大小，载荷越 大，即 带传递的有效圆 周力越大， 皮带的 弹性滑动越大，当 其传递的有效圆 周力超过摩擦力的 最大值时，就会出 现打滑现象。增大预紧力可以 提高带与 轮之间的摩擦力，从而提高带的传动能力， 但是另一方面，如果预紧力过 大，带的疲劳寿命会急剧下降。 因 此，必须保证带在不打滑和具有一定疲劳 强 度 的 前 提 下 ， 具 有 最 佳 预 紧 力 。 5 l ) 2 . 2控制系 统总体方案的 确定 根据试验要求，应在给定转速和负载的条件下测试相关数据。因此保证 转速和负载恒定是本课题的研究重点。 2 . 2 . 1 控制方式的选择 就控制方式而言 ，目前模拟控制在快速性方面还有一点优势，但数字控 制己 成为发展主 流。 模拟控制是指控制系统中的信号是连续变化的，因 此其控制作用也是连 续发生的，连续作用到被控对象。 在模拟控制系统中，输入的指令信号和输出信号都是模拟量，中间的调 节器是模拟式，系统中的各种检测信号也都是模拟量。由于控制信号是连续 的，所以 系统对输入的响应很快。系统虽然存在着来自 内 部渐变噪声的影响 以及来自 外部扰动的影响，使系统的输出产生误差，但这种误差一般来说不 是致命性的，仍可维持系统工作。模拟控制系统的内部和输出状态及其变化 容易用仪器仪表观察、记录。 但是随着控制理论的不断发展和控制精度要求的不断提高，模拟控制的 缺点日 益显露， 越来越无法满足工作需要。由于模拟系统是由 模拟电子器件 构成的系统，而模拟电 子器件特性具有分散性，使系统调整困 难，工作点不 易准确地调整到设定值。模拟器件的工作状态极易受温度影响而产生漂移， 破坏己调整好的运行状态，难以实现高精度的控制。由于模拟系统是由硬件 一 . ， . . . . . . . . . . . . .一-一 ， ， 户 种 种 . 种 种 口 . . 种 . . . . . . . 口 . 种 . . . . . . . . . . . 西南交通大学硕士研究生学位论文第 7页 器件组成的， 缺少柔性， 一旦控制 对象或任务发生改变， 就必须更改系 统硬 件。 而且模拟系统缺乏复杂的计算能力，不能发挥软件技术的优势。 数字 控制是指其控制信号是离散 化的， 因而其控制作用是离散进行的。 控制任务的日 益复杂化使得单纯的数字电路己经力不从心。而微型计算 机的出 现，以 及大规模和超大规模集成电路制造工艺的飞 速发展，为 微机数 控系统的产生奠定了 基础。 数字控制用数字信号传送信息，不易受温度的影响，数字量的运算不会 发生零点漂移。系统硬件比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，且易于 通用化。系统的控制方式由软件决定，而微机运算速度快、精度高， 有丰富 的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此具有完成复杂规律计算的能力， 能充分发挥软件技术的优势，使系统具有较高的柔性，容易应用现代 控制理 论。若要改变控制规律一般不用改变系统硬件，且可在运行过程中随时根据 不同的工作状态， 选择最有利的系统参数、系统结构及控制策略等。 微机数 字控制系统信息处理能力强， 可提供友好的人机界面， 容易 实现与上位计算 段 几恿 讯。1 1 3 1 与模拟控制相比，数字控制从诞生到现在仅有几十年的历史，但它已经 渗透到各个科技 领域， 成为一个国 家工业发展水平的标志之一。由 于数字控 制有丰富的逻辑判断能力和大容量的信息存储单元等特性， 使它可以 实现极 其复杂的 控制规律，因此决定采用数字 控制方式。 2 . 2 . 2 计算机参与 控制的 方式 计算机参与控制的方式与其所控制对象的复杂程度是密切相关的。下 面 根据本课题提出了 几种方案。 1 、监督计算机控制 这种 方式是 控制环包 含计 算机的闭 环控制， 计算机 根据提供的工艺 数据 和采集的有关被控对象运动状态的数据计算最优设定值，并通过输出 通道去 调整模拟控制器。 其系统结构如图 2 - 2所示。监督计算机控制的效果很大程 度上取决于所采用的数学模型与算法。考虑因素越多， 模型与 算法越复 杂， 对所采用计算机的计算能力、 存储容量等性能的要求越高。 在实现监督 计算 机 控制过 程中，因 涉及建模与优化， 应用软件开发的工作量较大。 2 、直接数字控制 直接数字控制系统中， 计算机作为数字 控制器直接控制执行机构。其系 统结构如图2 - 3 所示。 与监督计算机控制不同的是计算机的 输出不是去调整 西南交通大学硕士研究生学位论文第 s页 图z 一监督计算机控制 模拟控制器而是直接去控制执行机构，那么计算机就要完成模拟控制器所担 负的工作，因此系统对计算机的实时性和可靠性要求明显提高。 图z 一直接数字控制 3 、两级计算机控制 随着生产自 动化要求的不断提高， 计算机 “ 控制” 和 “ 管理” 在更广泛 意义上被统一起来。 通过网络通讯将各级计算机联结起来，它们分别完成不 同的工作，构成计算机管理控制系统。用微型机作上位管理，单片机作过程 控制的两级计算机控制系统结构如图2 一 所示。根据单片机实现的功能不 同， 该系统实际兼具 监督计算机 控制或直 接数字控制的功 能。 ( 5 ) 综合以 上不同控制方式的优缺点，决定采用两级计算机控制系统，下面 详细说明其各组成部分功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 9页 图2 - 4两级计算机控制 2 . 2 . 3 系统功能说明 单片机是带传动试验台控制系统的核心，负责根据给定量和反馈量的实 际情况，按一定的控制算法完成对转速和负载的调节;与上位机进行通讯， 向上位机传送转速、转矩的采样值，接收上位机发出的指令;处理各外设端 口 的工作。为了 减少编写程序的工作量，以及提高系统的快速性， 选用功能 完善、 指令丰富、运算速度快的1 6 位单片机一 一 一 8 0 c 1 9 6 k c o 单 片机控制 器的键盘为 触摸式 薄膜按键， 共 1 2 个键， 包 括数字键和复用 功能键，用于输入、修改控制参数及简单的控制命令。上位机键盘是标准的 微机键盘，用于对单片机控制器进行远程操作。 数码显示器由 1 1只数码管组成，采用动态扫描方式，可以显示运行状 态、主 动轮和从动轮的转速及转矩、带传动的效率等。上位机的 c r t除显示 以上参数外，还能实时显示相关曲 线。 检测装置包括主动轮和从动轮的转速、转矩检银 1 。转速检测为光电式， 由 其所发脉冲 和单片机的计时器通过一定的 程序来完成检测任务。转矩检测 是通过检测机壳上测力杆产生的压力来间接得到的，压力检测为电阻应变 式， 弹性体受力变形引 起应变片电阻改变，由 相关电路取出电压信号放大为 0 一5 v 的 标准信号， 再接入单片 机。 调节装置这里是指变频器，它接收单片机的控制信号，对交流异步电 动 机的转速进行调节。 被控对象是交流异步电 机和磁力制动器。电 机由变频器直接控制， 通过 西南交通大学 硕士研究 生学位论文 第 单片机构成转速闭 环， 类似监督计算机控制，不过调节器是数字式的。制动 器由 单片机直接控制， 它通过导体切割磁力线产生阻力矩来获得模拟负载。 线圈通以一定的直流电以 后，负载转矩的大小仅与转速有关，要使负载恒定 必须进行闭环控制。本文是采用改变单片机 p wm 占 空比的方式来调节，是 直接数字控制。 打印机可离线、 在线打印 试验数据和相关曲 线。 以 上是对系统各部分结构和功能的简要介绍，详细的设计方案将在后面 相关章节予以 详细说明。 侧全 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 1页 第3 章试验台调速系统分析与设计 电力传动自 动控制系统包括速度控制系统、位置控制系统、张力控制系 统和多电 机同步控制系统， 它们的共同点都是以电动机为执行机构控制生产 机械的运动，都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力传 动自 动控制系统。调速系统可分为直流传动系统和交流传动系统。下面通过 分析比 较， 选择本试验台适用的调速方法。 3 . 1直流调速的基本方法 直流电动机具有良 好的起、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，所以 由晶闸管一 直流电 机 ( v - m ) 组成的直流调速系统应用很普遍。直流电动机按 其激磁形式的不同，分为他励、并励、串励和复励电 机。其中他励直流电动 机的电枢绕组和励磁绕组是各自 独立的，可以分别进行调节，所以 控制最为 方便，其结构示意图如图3 - l 0 !巩! 盛纽 毖绕 尸 忆组 电绕 农!ij.t 图3 - l直流电 动机结构示意 他励直流电动机具有良 好的固有机械特性， 其方程如下: u 刀 = c e o 电动机转速 电枢电压 电 势常数 转矩常数 ( 3 - i ) 式中:n uq几 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 2页 0电 机 励磁 磁 通 r o 电 枢回 路 总电 阻 t电 磁转矩 可 见， 由 于 r a 很 小 ， 当 转 矩 增 加 时 转 速 下 降 很 少 ， 即 机 械 特 性 很 硬 。 他 励直流电 动机的固有机械特性曲 线如图3 - 2 所示。 n o 刀 t , 图3 - 2他励直流电 动机的固有机械特性 直流电动机的转速和其它参数的关系如下: 。 _ u 二 i r o c i o ( 3 - 2 ) 式中:n电 动机转速 u电 枢供电电 压 i电 枢电 流 r q 电 枢 回 路 总 电 阻 c , 由 电 机 结 构 决 定 的 电 势 系 数 沪电 机励磁 磁 通 由上可知，直流电机调速有三种方法，即改变电 枢回路总电阻;调节励 磁磁通;调节电枢电压。 对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以 调压方式最好。改变电 阻只能有级调速且精 度低; 调磁虽可平滑调速， 但一 般只能在基速以上做小范围升速。因此直流调速系统都是以变压调速为主 的。 z o o 传统的调速系统是由 模拟电 路和晶闸管来实现的，随着数字控制的发展 和新型电力电子元件( 如i g r t 、大功率g t r等)的出现，单片微机数字控制系 统己 广泛应用于直流调速领域，并以 其调整方便、精度较高等优点逐步取代 模拟控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 3页 但是就直流电 机本身的结构来看，由 于换向器的存在使得维护困难，而 且换向火花限制了 直流电 机的 应用范围.电 机本身造价也很高， 体积庞大， 大功率的电 机制 造困 难， 越来越不适应电 力传动控制的 要求。 交 流调速理论 和电 力电 子器件的不断发展为交流传动提供了舞台。 交流电 机结构简单、 易 于制造、维护方便， 体积与直流机相比 较小，系统成本己 和直流传动相当。 因此，交流调速己 成为今后电力传动的主要方向。 3 . 2 交流异步电机工作原理 异步电机一般均作为电 动 机使用， 其工作原 理示 意图 如图:3 - 3所示， 定 子上的三相绕组接到三相交流电源， 转子绕组则自 成闭 路。当 三相电 流流入 定 子 绕 组 时 ， 在 气隙 中 将 产 生 一 旋 转 磁 场， 并以 同 步 转 速n 二 6 0 f / p 其中 厂为电 源频率，p 为电 机磁极对 数) 旋转。 为明 显 起见， 在图( b )中， 用一 对旋转磁极来简化表示旋转磁场。当 旋转磁场切割转子导体时，将在其中产 生感应电 势。电 势的方向 可用右手定则判断。由 于转子绕组是短路的，在转 子导体中便有电 流流过。 转子导体中的电流与气隙磁场相作用而产生电 磁转 矩。转矩的方向可用左手定则判断，它与旋转磁场方向相同，在其作用下， 转子以转速川顶 着磁场方向旋转。 2 6 1 为了克服负载的阻力转矩，异步电动机的转速n 总是略低于同步转速 n , ， 以 便 气隙 旋 转 磁 场能 够 切 割 转 子 导 体 而 在 其中 感 应电 势 和 产 生电 流， 以 使转子能产生足够的电 磁转矩。如果转子的转速与同步转速相等，转向又相 同，则气隙旋转磁场与转子导1 本 之间将无相对运动， 因而转子导体中就不会 3 9 0 v a c (b ) 图3 - 3异步电 机工作原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 4页 产 生 电 流， 电 机 的电 磁 转 矩 也 将 为 零。 可 见n o n . 是 异 步电 机 产 生电 磁 转 矩 的 必 要 条 件。 n , 和n 之差 称 为 转 差， 用a n表 示 。 如 果 用同 步 转 速n ， 作 为 基 值， 转差的相对值就叫做异步电机的 转差率s ，即 ， _ 竺x 1 0 0 % = n , - n . 1 0 0 % ( 3 - 3 ) n , n , 转差率是异步电机的一个基本变量，它表示了异步电 机的各种不同运行 情况。 在电机刚起动时，转子的转速为零，所以转差率为 1 。如果电动机所 产生的电磁转矩足以克服机械负 载的阻力矩， 转子开始旋转，转速不断上 升。 假如所有阻力矩都为零，则 称为电 动机的理想空载。 此时电 磁转矩可以 为零， 转子导体中无须有异步电 势及电流，转子转速可以 升到同步转速，转 差率 为0 。 电 机负 载 运 行时 会 输出 与负 载转 矩大小 相 等的电 磁力 矩，随 着负 载力矩的增大，电动机的定子电 流及从电网吸取的功率也都相应增大，而电 动机 的转 速有所下降。 从式3 - 4 和图3 - 4 可以 看出 在b c 段转速 稍有降 落电 磁 转矩 便大 幅下降， 易造成堵 转， 只能 在起动和停车时 迅速迈过; 而a b 段 机械 特 性 较 硬 ， 是 稳 定 工 作 段， 但 调 速 范 围 很 小 ， 因 此 长 期以 来 限 制了 它 在高 精 度调速系统中的 应用。 如何改善其特性满足控制要 求，是当前电力 传动领域 的 研究热点。川 交流异步电 动机的机械特性方程如下: ( 1 一 二 ) r z u z t 一 c . 一 一 一n o 一 一 一 一 _，n 、一， ， k 2 +l ( 1 一一 ) x2 1 - 月 0 ( 3 - 4 ) 式中:t c . - n r , x2 - 电磁转矩 转矩常数 电 动机负 载转速 电动机空载转速 电源电压 转子回路等效电阻 转子回路电抗 n0u 由 此可以 看出异步电动机的电 磁转矩与电源电 压的平方成正比，电源电 压 的 波 动 对 异 步 电 动 机 影 响 很 大。 当 电 源电 压 和 频 率 不 变 而r : 和x : 为 常 数 时， 异步电 动机的电 磁转矩受转差率变化的影响很大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 5页 颐定上作应 反转特性 图:3 - 4 异步电 机机械特性 3 . 3 交流异步电动机调速系统分析 异步电动机具有结构简单、坚固耐用、 维护简便、 造价低廉等特点，而 被广泛使用。由 式 ( 3 - 3 ) 可知其转速公式为 n = ( 1 一 s ) n , ( i 一 s ) 6 0 f p ( 3 - 5 ) 因 此改变异步电 动机的转速可从三个方面入手: ( 1 ) 改变电 动机定 子极对数 变 极调 速 ( 2 ) 改变电 源频率变频调速 ( 3 ) 改 变电 机的 转 差率 一 变 滑差 调 速 对于鼠笼异步电动机采用定子变极和变频调速，对于绕线异步电机采用 改变转子电路的电阻和在转子回路中 接入附加电势 ( 串 级调速)的方法改变 转差率s 来调速。 3 . 3 . 1 变极调速 变极调速就是在电 源频率一定的情况下，改变定子绕组的极对数，而使 同 步转速发生变化。如果极对数增加一 倍，同 步转速就下降一半。 极对数的 改变有单绕组线圈半反 接法和多绕组 线圈 预埋法。因极对数总是整数， 所以 只能实现有级调速，而且在极数切换过程中 会产生大的冲击电流，影响电 网，也缩短电 动机的寿命，故仅在要求简单、不频致调速的场合使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 6页 3 . 3 . 2 变滑差调速 绕线电机的串电阻调速随着串接电阻的增大，产生最大转矩时的转差率 也增大，电机机械特性变软，且相当一部分功率消耗在调节电阻上，转速越 低，消耗功率越多，电 动机的效率也越低， 所以这种方法很不经济。但因其 起动电流小，而起动转矩大，多用在中小容量的绕线式电机调速上，常见于 起重设备。为了解决串电阻调速功率损耗的问 题，常采用在转子回路接入附 加电势的调速方法，即串级调速。其原理是在转子回路中 接入一个和转子同 相数、同频率的反相附加电 势，以减小转子电 流，进而减小电磁转矩，电 动 书 遂度 随 之 而 阳氏 ， 转 差 率 增 大 。 四此 处 不 再 详 述。 由上面的分析可以看出 变极调速和变滑差调速都不是理想的调速方法。 下面分别对几种变频调速方法进行介绍和分析。 3 . 3 . 3 变频调速 当改变电源频率时，异步电 动机的同步转 速与频率成正比变化，于是电 动机的转速也随之改变，这就是变频调速。 3 . 3 . 3 . 1 变压变频 ( ww) 调速 额定频率称为基频，调速时可以从基频往上调，也可以从基频往下调。 以从基频往下变频调速为例来详细说明。 三相异步电动机每相电压 u , “ e , = 4 .4 4 f , n ,o , 如果阳氏 电 源频率时还保持电 源电 压额定不变，则随着频率下降磁通将 增加。电动机磁路本来就刚进入 饱和状态， 磁通再增加使相 磁路过饱和， 励 磁电 流急剧增加，这是不允许的。 因此阳氏 电 源频率的同时必须阳氏 电源电 压，可以 通过如下方法实现: . _. e .、 ， . ，_。、 。， _ _ ， 、 ， ， .，、， _ ， . _， ， 即 保 持导 = 常数， 此时 i d , = 常 数， 这 是 恒 磁 通的 控 制 方 式。 电 动 机的 f 电磁转矩 _ m , p f , ( e ) ， 一 - 1 一 2 ; r l , r ,欢 亨 s r , ( 3 币 ) 西南交 通大学硕士研究生学位论文第 1 7页 由 上 式 可 求 得 最 大 转 矩 处 的 转 差 率s . ， 对 式( 3 - $ ) 求 导 并 令 其 等 于0 得 d t 一 m lp f ( e , d s 2 y r 关 一 卜二 资+= ) ) 一 二 竺 一r l ， r , s x夕 、 ， 吸 一 十厂 一 s r ,- x z =0 r , = x z r , 因此 r z ( 3 - 7 ) 2 # l , 式 中 l z 为 转 子 静 止 时 漏 电 感 系 数 折 算 值 ， x 2 = 2 域l z 。 将s 。 带 入( 3 -6) 得最 大 转矩 t. 最大转矩处的转速降落一 合 m , p, 写、 : 1* 几 ) = 巾 穷 义 2 7 r一 f , 一2 r l z ( 3 一 ) r , o n ,. = s ,n o 一 诚 ( 3 一 9 ) 由 式( *) 和 式( 3 - 9 ) 可 以 看 出 ， 若 保 持 尊一 常 数 ， 则 最 大 转 矩 为 常 一 -一f 数，与频率无关，而且最大转矩处的转速降落也相等，即不同频率的各条机 械 特性曲 线是 平 行的， 特性 硬度 相同， 如图3 一所示。 这种调 速方 法类 似于 他励直流电 动机的降 压调速，机械特性较硬， 调速范围宽，稳定性好。另 外，电 动 机在正常负 载运行时 转差率较小，因 此转差功率小， 效率较高。1 7 5 1 二 几_f l f f 厂s x , 1 f f t n 图3 - 5 一气不一一丁一 寸.卜 n 刀 l 刀 i 招 1 月 i 恒磁变频调速机械特性 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 8页 再 将电 磁转矩用下式表示 3 p r 2 s r , 乙 ， 2 材 。 r 夕 + ( s x 2 ) ( 3 - 1 0 ) 0 , - m , = 竺 田1口i s x 2 = t o , l 2 = s a o , l . i . = m , l . i . se t及 式 中 : 。 】 电 源 角 频 率 口 2 转 子 角 频 率 0 o , 转 差 角 频 率 将式 ( 3 - 1 0 ) 改写为 t = 3 p 1 ,2 疏 r 2 ro , r z + ( co , l 2 ) 2 ( 3 - 1 1 ) 可 见 ， 当 励 磁 电 流i . 保 持 不 变 ， 即 气 隙 磁 通 不 变 时 ， 电 磁 转 矩 仅 取 决 于 转差角频率， 而与定子频率无关。因 感应电机的电 磁转矩实际上是由转子电 流和气隙磁场相互作用产生的，在气隙磁通不变时，电磁转矩自 然取决于转 子电流。此时转子电流为 12 一 r 2 + (. .,l 2)2 ( 3 - 1 2 ) 显然，转子电 流仅取决于转差角频率。当从基频向上变频调速时只能保 持电 压不变，频率越高磁通越小， 类似于他励直流电动机弱磁调速。此时最 大 转 矩与频率 成反比， 该处的转 速降落为常数。 3 5 1 本文对此不做具 体分析。 3 . 3 . 3 . 2脉宽调 制归 翻变频调 速 中小型转速开环变频调速系统常采用交直交脉宽调制 ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n , 简 称p rim )方 案， 即 将三相5 (h i 2 工 频交流电 通过二 极管整 流 成 直流，滤波后供给三相桥式逆变器，控制逆变器各开关元件的开关状态，使 逆变器输出正负交变的 三相脉宽调制电 压波。其中的基波分量 ( 或称为主频 分 量) 是频率可变且 幅值可变的 三相对称交流电 压， 而其余各次谐波分 量则 对电动机无用， 相反会形成相应的谐波电流，而使电动机的损耗和发热增 加，也会使电 动机的 振动及噪声增大。对于没有转速反馈的开环 p w m变频调 西南交通大学硕士研究生学位论文第 相 页 速系统，当电 动 机的 负载转矩增大时， 转速将稍微下降; 若负 载突 然变化电 动机的转速将经 过一段较长的 暂态过程才能 达到新的稳态。为了 使负 载后电 动机的转速基本上不下降，有时也可采取一些措施， 例如可以 检测定子电流 的大小和相位以 判断负载的大小， . 然后通过微机控制，自 动地适当提高逆变 器输出的p ny m 波的主频。 在对调速精度和动 态性能要求较高的 场合。 一般采 用带转速闭 环控制的调速系统。 3 . 3 . 3 . 3矢 量 中 】 变 频 调 速 长期以来交流电机在调速性能上都远远不及直流电机，这是因为直流电 动机的 磁极固 定 在定子 机座上， 在空间能产生一个稳定的直流磁场;电 枢绕 组固定在转子铁心槽里， 在空间能产生一个稳定的电枢磁势，并且电 枢磁势 总是能保持与 磁场相垂直， 产生的 转矩最有效;另外励磁电 流和电 枢电流在 各自回路中，可以分别进行控制和调节。直流电动机的原理如图3 - 6 所示。 i a 电流万白 图3 - 6直流电 动机的原理 交流异步电 动机的定子通以三相正弦对称交流电时，产生的是随时间和 空间变化的旋转磁场，转子磁势和旋转磁场也不是垂直的，而且异步电动机 的转子是短路的，只能调节定子电 流，组成定子电 流的两个成分一一励磁电 流和工作电流都在变化，因为存在非线性关系，因此不可能对它们分别进行 控制调节。可 见异步交流电 机如果具备直流电 机相当的性能条件，那么调速 性能也将是优异的。这就促使我们设想，如果能用交流电机来模拟直流电 机 的性能条件，那么就可以达到直流电动机同样的调速指标。下面对此进行定 性的分析。 三相异步交流电 动机在空间上产生的是旋转磁场， 如果要模拟直流电 动 机的电 枢磁势与磁场垂直， 并且电 枢磁势大小 和磁场强弱分别可调， 可设 想 如图3 - 7 所示的异步电 动机m、t两相绕组模型。两绕组是互相垂直的且以 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2 0页 t绷 图3 - 7异步电 动机m , t 两 相绕组模型 相 同 角 频 率 co : 在 空 间 旋 转 在 两 绕 组 中 分 别 通 以 直 流电 流1 t 、 im 0 、 i , 在 轴 线 方 向 产 生 磁 场， 编称 为 励 磁电 流， 调 节 其 大 小 可 改 变 磁 场 强 弱。 i : 在t 绕组轴线方向产生磁势，这个磁势总是与磁场同步旋转，且始终与磁场方向 垂 直， 调节i : 可以 在磁场不变的 条件下改 变转矩的大小，i : 称为 转 矩电 流。 、 与分 属m, t 两 相 绕 组， 因 此可 以 分 别 进 行 调 节 和 控 制 。 实际上异步电 动机 定子绕组嵌在铁心槽中， 在空间上相互差1 2 0 “ 电度 角，固定不动。 根据电机学原理知道三相绕组的作用完全可以用两个在空间 上 相 互 垂 直且 静 止 的a 、 刀 绕组 代 替， 三 相 绕组的 电 流 和两 相 静 止a 、 刀 绕 组电 流 有 固 定 的 变 换 关系 。 现 在 还 要 找 到 两 相 静 止的a . 6 绕 组的 电 流 和 两 相旋 转的m, t 绕组电 流的关系。、 刀 坐标系 统与m、t 坐 标系 统如图 3 一 8 所示。 图3 - 8“ 、 电 流 矢量 在a、16 坐标为i q 、 标为 i , 、 i : 有 下 列 关 系: 刀 坐标系统与 m , t is， 换 算 到 以 0 ) , 坐标系统 角频率旋转的m 、t 坐 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2 1页 二 is c o s 0 + i ,6 s i n 8 = i n c o s ) 一 几 s i n 8 ( 3 - 1 3 ) 其 中 ， b为m、t 坐 标 相 对 于 a ， 刀 坐 标 旋 转的 角 度。 这 样 要 调 节 磁 场 确 定a o 值， 要 调 节 转 矩 确 定i , 值， 通 过 变 换 运 算 就 知 道 三 相电 流i u 、 ill 、 i , 的 大 小 ， 控 制了 1u i ia . j,. 也 就 达 到 预 想目 的， 达 至 啦制 转 矩( i , ) 和磁 场 ( f, ) 的目 的 . 旋 转矢量 控制的思 路足 把三 相异步电 动机等效于 两 相a、 / f 静止系 统模 型，再经过旋转坐标变换为磁场方向与m轴方向一致的同步旋转的两相 rb f 、t 模型。电流矢量 i 是一个空间矢量，因为它实际上代表电 七 l - 7- 相产生 的合成磁势，足沿空间作正弦分布的量，不同于在电 路中电 流随时间按正弦 变化的时间 相量。i 匕 流矢鱿分解为与m 轴平行的 产生磁场的分量一月动 磁电 流几 ， 和 与t 轴 平 行 的 产 生 转 矩 分 量 一 一 转 矩电 流 i t ， 前 者 可 理 解为 励 磁 势 ， 后 者 可 理 解为 电 枢 磁 势. 通 过 控 制、 il l . i i 大 小 也 就 是电 流 矢 量 i 的 幅 值 和 方 向( 图3 - 8 m、 t 坐 标 系 统中 的t? 角) 去 等 效 地 控制 三 相电 流i p 、 iy 、 i ,. 的瞬时位，从而调 节i li 机的磁场与转矩，以 达到调速的目 的。 山j “ 是久_j a 控制也就足说不仅控制电流幅值大小，而且考虑了 方向，即 体 现在ia ! , i , 分配比 例足确定的， 这就与以 往的 调 速办法不同. 如变 压变频 ( v v i f ) 的调 速方法足属于标量控制，必然要经过较长时间调节才有 彭 达 到稳 定运行。 矢贝控制主要特点足动态响应快，使交 流电 机调速性能有质上的提 高。17 6 1 3 . 3 . 3 . 4创犯 转 矩 控制 变频调 速 直接转 丸 :控m 1j *频调 速， 即d s c ( d i r e c t s e l f c o n t r o l ) 。 直 接转矩 控制采 用空间矢量的概念直接在定子坐标系下分析交流电 动机的 数学模型、 控制电 动机的 磁链和转矩，既不需要模仿直流. 包 动机的 控制，也不需要为解祸而简 化交流电 动机的数学模型。 它省掉了 矢量旋转变换等复杂的 运算，因 此所需 信号处理工作特别简单。 其控制方式是通过转矩两点式调节器把转矩检洲值 与 给定位作带滞环的比 较， 把转矩波动限制在一定的容差范围内， 容差的大 小山 频率调ti i 器来控制。囚 此 它的控制效果不取决于电动机的数学模型足 否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。直接转矩控制是继矢量控制变频 调 速技术之后义一新型高性能的变频调速技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2 2页 从以 上的分析和介绍可以 看出， 交流变频调速具有极大优势，是今后电 力传动发展的主要方向。 3 . 4 3 . 4 . 1 试验台 交流调速系统结构简述 系统基本构成 本试验台的调速系统包 括单片机、变频器、 交流异步电 动机、 数字式可 调 直流电 源,磁力制动器。 单片机根 据采集的 转速反馈信号与设定值 进行比 较， 经p i d 调v t . 其愉出作为 变频器的 给定，由 变频器驱动交流异步电 动 机。 力矩反馈信号也送入单片机与设定值比 较，仍采用p i d 控制算法， 但它 是 控制单片机p w w 愉出的占空比， 再将脉冲信号 转换为直流电 压信号 进行放 大，进而控制磁力制动器的加载电流。调速系统构成如图3 - 9 所示。 斑机 支妞县 回 直流由邀 图3 - 9调速系统构成 3 .