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电气电子毕业设计论文
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毕业设计92交流底盘测功机,电气电子毕业设计论文
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1 摘 要 交流调速技术经过了几十年的发展已经日趋完善，从 80 年代起，逐渐打破了原来直流调速一统天下的局面。而交流变频调速技术在各种异步电动机调速方法中效率最高，性能也最好。随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论的发展，变频器这种成熟的产品也应运而生，在交流电机的转速和转矩控制中达到了非常高的精度，完全可以满足科学研究和工业生产的要求，在这些领域中也开始发挥越来越大的作用。 交流底盘测功机正是随着交流变频调速技术的发展完善而出现的，本论文对交流底盘测功机系统中的变频器进行了重点的学习和研究，并且在实验室搭 建了模拟系统，基本上实现了实际交流底盘测功机系统的功能要求。 关键词：变频器，转速控制，转矩控制 论文类型：应用研究 nts 2 ABSTRACT The technology of AC speed regulation became perfect by several decades development, and broke the complexion that the technology of DC speed regulation was most absolute from 1980s. The technology of AC VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) speed regulation had the highest efficiency and the best capability in the AC speed control system. As the improvement of power electronics , micro-electronics and modern control theory, transducer, the mellow product emerged as the times require, it had very high precision in the aspect of speed and torque control of AC motors, and it could meet the requiring of science research and industry produce completely, exerted more and more effect in these fields. The chassis dynamometer of motorcycle arised with the development of the technology of AC VVVF speed regulation. This thesis put the emphasis study and research in the transducer of the chassis dynamometer of motorcycle, and we built the simulate system in the lab, realized the function request of actual chassis dynamometer of motorcycle basicly. Key words: transducer, speed control, torque control Type of Thesis： Application Research nts 3 目 录 1 绪论 1.1 本论文的任务与意义 4 1.2 论文的内容介绍 5 2 交流底盘测功机系统 2.1 测功机系统简介 7 2.2 摩托车力学分析 8 2.3 系统总体要求 19 2.4 系统信号流程图及特点 21 3 IMPACT 的应用 3.1 交流变频调速技术的回顾 23 3.2 多环控制交流调速系统 24 3.3 交流变频调速系统的原理介绍 25 3.4 IMPACT 内部的系统简图 29 3.5 IMPACT 功能端子的使用 38 电源端子 39 控制端子 40 模拟量输入端子 41 故障端子 43 3.6 实验室用 IMPACT 搭建的模拟系统 44 系统简图 44 转速信号的获得和整形 45 nts 4 转矩回馈信号的获得 48 三种工作方式的介绍和应用 49 4 REGEN 和 PLUS 的使用 1 REGEN 简介 50 2 REGEN 工作方式的选择 51 3 互锁功能的应用和接线 54 4 PLUS 简介和使用 56 5 总结 56 致谢 58 参考文献 59 nts 5 第 1 章 绪 论 1.1 毕业设计的任务和意义 我国从 80 年代开始引进国外的直流底盘测功机系统，同时国内也开始致力于这方面的研究，随着交流变频调速技术的发展，交流底盘测功机也应运而生，但在国内交流底盘测功机仍然是一个空白的领域，我们与宝鸡国家摩托车质检中心联合开发的交流底盘测功机有望填补这个空白。在交流底盘测功机系统中，不仅仅需要有转速输出的稳定，而且需要有可控的转矩输出，还需要对风机的转速进行控制，以便达到模拟实际车辆测试时的情况，同时要使测功机发电运行状态时的电能能够 安全的反馈回电网，在我们开发的这套交流底盘测功机系统中，我们使用了美国罗克韦尔自动化公司生产的 1336IMPACT, REGEN, PLUS 三种型号的变频器。其中 IMPACT 是最核心的部分，由它构成转速闭环系统和转矩闭环系统，分别达到转速和转矩的稳定运行，并且完成两种系统的协同工作，同时还要能够实现下位机通过一定的算法给出的阻力转矩输出； PLUS 的功能相对于 IMPACT 来说较为简单，它主要是控制风机的转速，控制信号由测功机的转速测量结果给定，由于风机转速要求不高，因此要不要构成转速闭环对整个系统的性 能影响不大； REGEN 单元主要的任务是给 IMPACT 和PLUS 供电，因为电网的电能质量不高，为了不对变频器的供电以及整个系统的工作环境造成不良影响，因此本系统内部的变频器采用直流供电，同时 REGEN 还要完成的任务就是当测功机工作在发电状态时产生的电能nts 6 的回馈，不能对电网产生不良影响。 为了完成上述的各种功能要求，必须要对罗克韦尔自动化公司生产的1336IMPACT, REGEN, PLUS 这三种变频器有比较详细的了解，对其内部参数的设置也要进行摸索和反复的试验，对于一些比较重要的细节方面的知识还要非常 熟悉，只有这样才能正确的发挥变频器的功能用途，使得交流底盘测功机系统的精度得到保证。 本论文对交流底盘测功机系统中的 1336IMPACT 进行了重点的研究和开发，对另外的 REGEN 和 PLUS 在系统中的作用和功能也有了较为详细的了解，由于上述三种变频器是罗克韦尔公司的成熟的产品，因此本人所作的创造性的工作不多，技术含量也不高，主要的任务是熟悉了解和使用。但是由于自己所做的工作要在实际中应用，因此不仅仅要对原理有清楚的认识，还要学会自己动手搭建变频器工作的环境以及必要的调试，而且由于所参考的资料都是英文，所以 难度还比较大，这在整个毕业设计的过程中都有一定的体现，出现过一些遇到难题停滞不前的情况，但是在老师和学长的帮助下，通过自己的努力，最后基本完成了测功机系统所要求的功能，对整个系统的进展做出了一定的贡献。 1.2 论文的内容介绍 本论文首先对交流底盘测功机系统进行了概括性的介绍，然后说明了交流调速系统的基本原理以及分类情况，这些都是为后来工作的进行做一定的准备。具体所做的事情是熟悉并使用罗克韦尔实验室内部的几种变频器设备，实现交流底盘测功机系统所要求的功能，并为变频器的使用创造nts 7 一定的条件，论文的 具体内容如下： 第一章是整个论文的综合描述，是对这学期毕业设计的一个概括性介绍，以及自己所做工作的安排情况。 第二章简单介绍了交流底盘测功机系统，并对这个系统的一些特点进行了说明。这是一个实际的项目，虽然在原理上不是很复杂，但是要注意的事情非常多，比较原来的课堂讲课和实验来说还是有一定的困难。 第三章是本篇论文的重点，因为 IMPACT 变频器是构成整个交流底盘测功机系统的一个非常重要的环节。由于以前对这一类的设备接触很少，而且由自己一个人独立完成，缺乏一定的交流和讨论，所以在工作的过程中碰到了一些困难， 最终 的解决也花费了不少的时间和精力。这章内容先介绍交流调速原理，接着具体到变频器内部的各个功能模块的设计和作用，然后介绍了变频器的各排功能端子的使用情况以及在实验室内搭建的闭环系统。 第四章对系统内部的 REGEN 单元进行了简单的介绍，因为没有接触到具体的设备，只是参阅了有关的资料并进行了一定的整理，但对实际系统功能设置还是起到了较大的作用。还有系统内部的风机控制部分所用到的变频器 PLUS 的介绍，这种变频器和 IMPACT 都是使用 FORCE 技术生产的，基本的功能一致，但是内部设置的参数有很大程度的不同，而且端子设 置也不一样，因此直接介绍了 PLUS 的功能和使用情况。 第五章是本论文的总结部分和自己在毕业设计过程中的心得体会，之后是致谢和一些参考文献。 nts 8 第 2 章 交流底盘测功机系统 2.1 测功机系统简介 底盘测功机是进行车辆性能试验的专用设备。其机械部分主要由测功机，转鼓，惯性飞轮构成。测功机可以是电涡流测功机，直流电力测功机，交流电力测功机。电力测功机具有优良的转速转矩特性和高昂的价格。从摩托车行业来看，八十年代引进的国外的电力测功机都是直流机。九十年代后期交流测功机开始进入中国，从我们了解的情 况来看，测功机领域交流机越来越多，直流机越来越少。因此，本项目打算越过直流机直接开始交流机的开发。 本项目研制的底盘测功机是用于摩托车整车台架试验的测试设备。由测功机转鼓机组，冷却风机，测功机控制柜，计算机数据采集部分，道路阻力设定器，司机助手等几部分组成。 底盘测功机的机械部分主要有测功机和转鼓，两者用弹性连轴结相联。没有惯性飞轮组。车辆进行试验时，前轮用夹持器固定，使车辆前后不能移动，左右不能偏倒。后轮放在转鼓上，转鼓被车辆后轮驱动而转动，同时带动测功机旋转。测功机提供阻转矩。摩托车后轮在转 鼓上运转，不考虑两者之间的滑动，认为是纯滚动。车辆的速度就用转鼓表面的线速度来表示。 底盘测功机的性能好坏与精度可以用许多参数指标来表示，但是用户评价主要是看同一车辆在道路试验（路试）和在底盘测功机上试验（台试）nts 9 的成绩相近程度。要想台试与路试效果一致，必要的条件是： 1 车辆（主要是发动机）的热状态与路试一样。 2 车辆后轮驱动的转鼓的转速 -转矩特性与路试的速度 -阻力特性一样。 为满足第一个条件，台试时在车辆前方安装一台风机，风机的出风口足够大（国际标准规定出口面积不小于 0.4 平方米）；风机出口风速始终与转鼓 表面线速度相同。这样车辆的冷却效果就与路试一样了。 为满足第二个条件，测功机必须能模拟车辆在道路行驶的 4 项阻力：滚动阻力，空气阻力，加速阻力（也称惯性阻力），坡度阻力。其中滚动阻力和空气阻力是速度的函数，加速阻力是加速度的函数。 为了数值直观，在底盘测功机上转速用转鼓表面线速度来表示，单位km/h。转矩用转鼓表面切向力来表示，单位 N。这样便于台试数据与路试数据相对应。现在的转鼓直径 530.5mm。这个直径给测量带来一些便利，例如当转速为 1000r/min 时，表面线速度正好是 100.0km/h。 2.2 摩托车力学分析 摩托车底盘测功机是应用现代电测和计算机技术 ,利用摩托车在路面行驶中与道路的相对运动关系 ,将摩托车道路行驶工况 (如 :道路阻力状况、行驶惯性等 )有效、等量地转移到摩托车底盘测功机上 ,即摩托车底盘测功机仿真模拟各项行驶阻力 ,使摩托车整车的道路试验项目以及应用工况法测量摩托车排气污染物排放量等试验移至室内进行的专用测试设备。 摩托车在道路上行驶是摩托车相对静止的路面运动 ,而摩托车在底盘测功nts 10 机上进行台架动力性试验是用滚轮 (亦称转鼓 )表面取代路面 ,并且相对于静止的摩托车做旋转运动。摩托车底盘测功机行 驶阻力的模拟如何实现、精确度如何保证则是其技术关键。这必须从其运动学、动力学入手加以分析。 2.2.1 摩托车在道路上行驶 摩托车行驶在路面上 ,其发动机曲轴输出扭矩 ,经变速传动系统传递给驱动轮 ,通过轮胎与地面的接触 (摩擦力足够大时 ,视为无滑动的纯滚动运动 )产生驱动力 ,同时 ,还受到各种行驶阻力。受力分析如图 2.1。 图 2.1 摩托车道路行驶受力分析 当驱动力等于行驶阻力时 ,摩托车做匀速运动 ;当驱动力不等于 (大于或小于 )行驶阻力时 ,摩托车做变速 (加速或减速 )运动。 摩托车的驱动力 摩托 车的驱动力是由发动机曲轴输出扭矩 ,经离合器、变速传动系统(降速增扭作用 )传递给驱动轮足够大的驱动扭矩 ,其对地面产生一圆周力nts 11 (切向力 ),地面由于附着作用给驱动轮一反作用力 (当附着条件即路面接触强度足够大时 ,其与圆周力可视为大小相等、方向相反 )即为推动摩托车前进的驱动力。 riiiMrMFF Tgett 210(N) (1.1) 式中 : tF 摩托车的驱动力 ,(N); 0F 驱动轮对地面产生 的圆周力 (图 2.1中用虚线、箭头表示 ),(N); tM 驱动轮上的驱动扭矩 ,(N ); r 驱动轮工作半径 ,( ); eM 摩托车发动机曲轴输出扭矩 ,(N ); 1i 一次传动比 ; gi 变速器传动比 ; 2i 二次传动比 ; T 传动变速系统总传动效率。 摩托车的行驶阻力 摩托车行驶时受到的各种阻力 ,统称为行驶阻力。 (1)滚动阻力 摩托车车轮弹性轮胎在路面上滚动时 ,来自路面与轮胎接触面之间的各种阻力 ,统称为滚动阻力。由于前、后轮的受力情况不同 ,故其滚动阻力则不同。在计算滚动阻力时 ,按整车的滚动阻力考虑。 gmfF f (N) (1.2) 式中 : fF 整车的滚动阻力 ,(N); m 摩托车整车基准质量 (含驾驶员质量 75kg),(kg); g 重力加速度 ,( 2/sm ); nts 12 f 整车滚动阻力系数 ,其是路面状况、轮胎结构、充气压力、车 速、载荷等的函数 ,GGfGGff 2211 ; 1f 从动轮的滚动阻力系数 ; G 摩托车整车法向载荷 ,(N); 1G 从动轮的法向载荷 ,(N); 2f 驱动轮的滚动阻力系数 ; 2G 驱动轮的法向载荷 ,(N)。 (2)空气阻力 摩托车行驶时 ,在空气中运动受到空气的作用力 ,称为空气阻力。其主要由压力阻力 (即形状阻力 ,迎面压力大于后部压力 )和摩擦阻力 (即表面阻力 ,在摩托车与切向气流摩擦表面上产生 )构成。据实验测定 ,空气阻力主要是压力阻力 ,即 : 221 rDw vACF (N) (1.3) 式中 : wF 空气阻力 ,(N); DC 空气阻力系数 ; A 迎风面积 ,即摩托车 (含驾驶员 )行驶方向的正投影面积 ,( 2m ) 空气密度 ,(kg/ 3 ); rv 相对速度 ,(m/s),无风时为摩托车行驶速度。 (3)坡度阻力 摩托车沿纵向坡路上行驶时 ,受重力沿坡道分力的作用 ,称为坡度阻力。上坡时 ,坡度阻力与驱动力方向相反 ;下坡时 ,两者方向一致。 nts 13 sin mgFi (N) (1.4) 式中 : iF 坡度阻力 ,(N); 纵向坡度角 ,( )。 若按照公路工程技术标准 ,公路以坡度值即 p=tan 表示 ,并取代sin : sin tan (1.5) 则 : sin mgFi tanmg = pmg ( ) 可见 ,用道路的坡度值 (以百分数表示 )取代 sin 时 ,是在 值较小(在 小于 17时 ,所带来的误差将不超过 5%)时 ;若 值较大 ,则不可如此计算。 (4)惯性阻力 摩托车变速行驶时 ,除克服上述阻力外 ,还需克服其本身质量变速运动的惯性力。其由两部分组成 :平移质量惯性力和旋转质量惯性力。将其换算到车轮上的等效惯性阻力为 : dtdvmF j (N) (1.6) 式中 : jF 变速行驶 ,换算到车轮上的总惯性阻力 ,( ); 质量换算系数 ; 21222222221121 riiIiiiIGgrIGg TgfTgfW 2122222222111)(1 mriiIiiiII TgfTgfW ; 21 WWW III ; dtdv 摩托车加速度 ,( 2/sm ); nts 14 WI 从、驱动轮转动惯量之和 ,( 2mkg ); 1WI 从动轮转动惯量 ,( 2mkg ) 2WI 驱动轮转动惯量 ,( 2mkg ) 1fI 发动机曲轴部件的转动惯量 , ( 2mkg ) 2fI 离合器、变速器、二次传动装置等旋转部件的转动惯量 , ( 2mkg ); 1T 除一次传动外的传动效率。 图 2.1中 , 21, jwjW TT 分别为从动、驱动轮产生的惯性转矩。 摩托车道路行驶方程 据上述各力在轴上的投影 ,可得到摩托车的道路变速行驶方程 : jiwft FFFFF dtdvriiIiiiIIIdtdvmmgvACgmfTgfTgfWwrD212222222211212 s in21(N) (1.7) 该式表明了摩托车在坡道上变速行驶时的驱动力与行驶阻力的平衡关系 ,亦表明了摩托车的动力性能。另外 ,由于滚动阻力系数与行驶速度有关 ,所以滚动阻力、空气阻力均为车速的函数 ,在任何条件下均存在 ,且为正值 ;而坡度阻力、惯性阻力与车速无关 (惯性阻力为加速度的函数 ),且在一定条件下 (即上坡或下坡、加速或减速 )存在 ,且有正负值。 2.2.2 摩托车在底盘测功机上行驶 摩托车在底盘测功机滚轮上行驶 ,前轮被夹 紧固定 ,仅驱动轮和滚轮做相对旋转运动 ,此时车辆相对滚轮是静止的 ,车速为零 ,而滚轮表面则取nts 15 代了路面。受力分析如图 2.2。 图 2.2 摩托车在底盘测功机上行驶受力分析 通过对驱动轮在滚轮上变速行驶时的受力分析 ,可得到摩托车在底盘测功机上的变速行驶方程 : JjemRt FFFFFF dtdvRIriiIiiiIIFRrFFRTgfTgfWfmR)()1(221222222221122(N) (1.8) 式中 : tF 摩托车的驱动 力 ,(N); RF 底盘测功机制动力 ,(N); mF 底盘测功机滚轮、惯性轮及轴系总摩擦阻力 ,(N); eF 驱动轮与滚轮间的滚动阻力 , eF 2)1( fFRr(N); 2fF 驱动轮道路行驶的滚动阻力 ,(N); jF 驱动轮和发动机曲轴部件、离合器、变速器、二次传动装置等旋nts 16 转部件的惯性力换算到车轮上的惯性阻力 ; dtdvriiIiiiIIF TgfTgfWj )(2122222222112 (N); JF 滚轮、惯性轮及轴系产生的惯性阻力 ,dtdvRIF RJ 2(N); RI 滚轮、惯性轮及轴系的转动惯量 ,( 2mkg ); Rr 摩托车驱动轮工作半径 与滚轮半径之比。 2.2.3 底盘测功机模拟摩托车道路行驶方程 在底盘测功机上模拟摩托车道路行驶状况 ,底盘测功机必须产生相当某车型在道路上行驶时所呈现的、与车速成函数关系的行驶阻力 ,即底盘测功机模拟的行驶阻力与道路行驶阻力相等。比较摩托车在道路上和在底盘测功机上的两行驶方程式 (1)和 (2),则两式右边应相等 : 即为 JjemRjiwf FFFFFFFFF dtdvriiIiiiIIIdtdvmFFFdtdvRIriiIiiiIIFFFTgfTgfWwiwfRTgfTgfWemR2122222222112122122222222112)(1.9) 整理并归并同类项 : nts 17 dtdvRIFFFdtdvrImFFF RemRwiwf 22 1 )(1.10) 令上式中两边对应项相等 ,得 : dtdvrImdtdvRI wR )( 212(1.11) 由于摩托车驱动轮与滚轮相对旋转 ,切点的线速度相等 ,则 : 221 )( RrImI wR (1.12) 即当量模拟质量 :212 rImRIm wR 当iwfemR FFFFFF ewwfR FFFFFF )(1.13) 分析式 (1.11)、式 (1.13),可得到如下结论 ,并为其机械设计与程序控制提供了理论基础 : (1)从式 (1.11)可见 ,要使底盘测功机模拟摩托车道路行驶中的惯性阻力 ,只要使滚轮同轴上所有旋转部件 (包括惯性轮、主轴、联轴器、电机轴、扭矩仪等 )产生的惯性阻力 (dtdvRIR 2)等于摩托车整车基准质量和从动轮旋转质量产生的惯性阻力之和即可。 从式 (1.12)可见 ,底盘测功机滚轮轴系的转动惯量应等于受试摩托车整车基准质量与从动轮 当量旋转质量之和与滚轮半径平方的乘积 ;或者讲 ,底盘测功机的当量模拟质量应等于受试摩托车基准质量与从动轮转动惯量的当量质量之和。 (2)从式 (1.13)可见 ,要使底盘测功机模拟摩托车道路行驶中的滚动nts 18 阻力、空气阻力和坡度阻力 ,只要使底盘测功机的制动力等于路面行驶的滚动阻力、空气阻力和坡度阻力之和 ,减去底盘测功机滚轮、惯性轮及轴系总摩擦阻力和驱动轮与滚轮间的滚动阻力之和即可。 2.2.4 底盘测功机模拟摩托车道路行驶中的能量守恒和转换 从机械能守恒及转换考虑 ,摩托车道路行驶状态一定时 ,就具有一定的能量 ,即能量 是系统状态的单值函数。若实现底盘测功机的仿真模拟摩托车的道路行驶工况 ,就必须有效、等量地进行能量的转化 ,即必须使摩托车路面行驶具有的、并应转化的能量与底盘测功机旋转质量的转动动能相等。 摩托车一般采用后轮驱动 ,在底盘测功机上进行试验时 ,后轮在滚轮上做旋转运动 ,前轮被夹紧固定。这样 ,试验状态与道路状态则不同 ,即摩托车整车基准质量未做直线运动 ,是静止的 ;前轮被夹紧固定 ,不能同步旋转。其它 ,如后轮、发动机曲轴部件、离合器、变速器、二次传动装置等旋转部件与摩托车道路行驶状态相同。这就说明 ,要使底盘测功机模拟摩托 车道路行驶中的惯性阻力 ,只需将摩托车平移质量的动能、从动轮旋转质量的转动动能进行转换即可。 摩托车道路行驶平移质量的动能 : 2121 mvEk ( ) (1.14) 摩托车道路行驶从动轮的转动动能 : 2112 21 wk IE ( ) (1.15) 式中 : m 摩托车整车基准质量 ,(kg); v 摩托车车速 ,(m/s); nts 19 1wI 摩托车从动轮转动惯量 ,( 2mkg ); 1 摩托车从动轮的角速度 ,(rad/s)。 底盘测功机滚轮、惯性轮及轴系的转动动能 : 223 21 Rk IE ( ) (1.16) 式中 : RI 滚轮、惯性轮及轴系的转动惯量 ,( 2); 2 滚轮、惯性轮及轴系的角速度 ,( / )。 据上述 ,则 : 213 kkk EEE (1.17) z 211222 212121 wR ImvI 211222 wR ImvI (1.18) 因驱动轮与滚轮切点的线速度相等 ,则有 : Rvrv 21 ,(1.19) 代入上式并整理 : )()(122 rvImvRvI wR (1.20) 2.3 系统总体要求 转鼓 1）尺寸 530.5*300mm 2）材质 45 号钢 光滑表面 3）最大载荷 200kg 测功机 1）形式 交流异步测功机 nts 20 原始参数 参考型号 YJT200L1-6 铭牌功率 18.5kW 铭牌电流 41.5A 额定转矩 176.6N.m 2）绝缘等级 F 级 3）防护方式 IP44 4）冷却方式 外部强制空气冷却 5）最大功率 20kW（ 110-140km/h） 6）最大扭矩 173.6N.m(20-1100r/min) 654.4N(2-110km/h) 7）最高转速 1400r/min(140km/h) 8）惯量模拟范围 140-250kg 机械惯量（固定） 150kg 电气惯量（可变） -10-100kg 惯量最小增量 1kg 9）测功机冷却风机 风机形式：离心式 电机功率： 0.2kW 风量： 1800 3m /h 10）测功机运转方式 转速控制（ ASR） 转矩控制（ ATR） nts 21 自动道路负荷（ ALR） 控制方式：变频转速 -转矩控制， 4象限运行，直流母线并接。 报警保护类型：变频器过电压，欠电压，过电流，温度过高，超速，超负荷，缺相等。 冷却风机 1） 风机形式： 离心式 2） 驱动电机： 型号 YJT180L-4 标称功率 22kW 标称电流 46.8A 额定转矩 140.9N.m 3）最大风量： 42000 3m /h 4）出口面积： 0.4 2m （ 640*640mm） 5）最大风速： 105km/h（出风口 0.5m处） 6）工作方式： 手动调节，自动跟踪车速 7）控制方式： 变频速度控制，与测功机直流母线并接。 测量显示部分： 计算机 P800 RAM128M HDD20G CRT： 17 英寸 分辨率： 1280*1024 2.4 系统信号流程图及特点 nts 22 车速IMPACTPLUSIIPLCPCL-836PCL-1720 PCLD-880PCLD-880转速转矩信号调理板1024PPR转角编码器120PPR脉冲信号力矩传感器MS120PPR脉冲信号MS2V ADAM3016转矩反馈频率信号处理板1024转角编码器风速转矩风速PCL-725PCLD880车速120编码器风机测功机测功机转鼓Regen故障信息启停、ASR/ALR/ATR启停控制台车速表ADAM3925风速给定转速给定转矩给定1024转角编码器信号H信号I信号JPCL-833编码器反馈交流接触器主控计算机司机助手转矩风速车速RS-485ADAM-4018 ADAM-4013 ADAM-4080PCLD8118PCL-746+PCL-818L以太网油耗仪信号H信号I信号JRS232图 2.3 系统信号流程图 此图为本系 统粗略的信号图，大体分为三大模块：一是上位机和下位机部分，起着协调整个系统工作的能力，包括上位机测量结果的显示，下位机的测量项目及对测量结果的计算和处理，上位和下位之间的通信还有对一些外部控制信号进行处理并给到相应的设备上去，可以说这一部分是整个系统的大脑，直接关系到整个系统的精度。二是变频器和信号调理电路部分，这是系统的主要躯干，是系统的执行中枢，从下位机和 PLC过nts 23 来的控制信号及模拟量信号在这里被执行，带动转股运转，给出精确的阻力矩，信号调理电路对信号进行处理，防止环境的干扰，提高信号的精度，这一部分工作 的好坏也对整个系统有很重要的影响。三是控制台和 PLC部分，这部分可以说是系统的外表，要求控制步骤简单明了，界面可视化程度高， PLC 要很好的完成工作方式的转换以及对报警信号的处理。以上针对信号流程图简单的介绍了系统各个部分的功能，每一个部分都是构成系统的必要环节，因此必须要认真细致的对待。 nts 24 第 3 章 IMPCAT 变频器的应用 随着交流调速性能的不断提高，原来需要精确调速的直流系统正被逐渐的替代，而在交流调速方法中，又以变频调速为主要的发展方向，因为变频调速是一种转差功率不变型 的调速方法，效率高，性能好，以下内容以介绍多环控制交流调速系统分类以及变频调速原理为主。 3.1 交流变频调速技术的回顾 直流调速系统和交流调速系统在 19 世纪中先后诞生。到了 1 9 世纪末，出现了三相电源和结构简单、坚固耐用的交流鼠笼型电动机以后，交流电动机才在不需要调速的领域代替了直流电动机传动装置。 随着生产的不断发展，速度可调成了传动装置的一项基本要求，并且除了满足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。交流调速系统的方案虽然早已有多种发明并得到实际应用，但其性能却 始终无法与直流调速系统相匹敌。而直流电机虽然可以满足这些要求，但它在容量、体积、制造、成本、运行和维护方面都不及交流电机，所以长期以来人们一直希望能开发出交流调速电动机以代替直流电动机。 50 年代末，随着晶闸管 (SCR)的面市，电力电子器件登上了现代科技舞台，静止可控整流直流调速成了调速系统中的主力军。促进了交流调速技术的应运而生并迅速取代了直流调速，其中交流串级、变极调速等均因nts 25 具有一定节电效果而得到应用。 二十世纪 70 年代初叶，席卷世界先进工业国家的石油危机，迫使一些大的集团公司投入大量的人力和财力去研 究高效高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。经过十年左右的努力，到 80 年代大见成效，一直被认为是天经地义的交直流拖动的分工格局被逐渐打破，高性能交流调速系统应用的比重逐年上升。在各个工业部门中用可调速交流拖动系统已经开始逐渐取代直流拖动系统。 到 80 年代中期，由于第三代电力电子器件如门极可关断晶闸管 GTO、巨型晶体管 GTR、金属氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 IGBT 的出现，研制开发出了把功率等级不同的驱动、保护、自我检测、功率输出集于一体的变频调速产品，使交流电机调速技术取 得了突破性进展，调速技术面貌焕然一新。 近年来，由于控制理论、微电子技术和高达 1 0 0 0 0 A/ 80 0 0 V 以上 SCR、 GTO 的开发以及串、并联技术的应用，促进了高压、高功率、高精度、多功能、智能化的变频调速产品的发展，如美国的 A- B 公司已开发生产出电压为 2 40 0 V、 330 0 V、 41 6 0 V、 6 6 0 0 V、 6 90 0 V，功率达 1 0 0 0 0 k W 的 SCR 变频器。此外，日本的富士、三菱、东芝、安川、日立，美国的 GE，欧洲的西门子、 ABB、 BRUSH 等公 司也都有类似产品上市。这些高精度、多功能、智能化的产品进一步扩大了变频器的应用领域。 目前，在世界范围内变频调速技术的发展趋势是：多种控制策略的应用；微机数字控制；控制系统硬件的集成化；向高频化大容量进军；“绿色”电力电子变换器。 nts 26 3.2 多环控制交流调速系统 一般来说，采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但是如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，此时如果能充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持转矩电流 为允许的最大值，是电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，是转矩马上与负载相平衡，从而进入稳态运行。转速电流双闭环调速系统就可以解决这个问题。虽然不能达到理想的电流波形，但相对于单环系统有了非常大的进步，无论是在直流还是在交流调速系统中都获得了广泛的运用。 3.3 交流变频调速系统的原理介绍 在多种交流调速运行方式中，变频调速优于以往任何一种交流调速方式 (如调压调速、变极调速、串级调速和滑差电机调速等 )，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途 的电动机调速技术。它采用微机控制技术、电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。 3.3.1 交流变频调速的特点与优势 nts 27 交流变频调速系统由电力半导体变流器、电动体、控制、检测四部分组成。这四部分相互依存，共同作用，实现交流驱动的高精度、使用方便、低转矩脉动、低噪音、无传感器、小型化等性能指标。 在现代的可控电气传动系统中 ,几乎无一例外的要用电力电子变换器 ,为传动电机提供可控的直流或交流电流，并成为用弱电控制强电的媒介。在弱电的控制装置中，也几乎都采用微处 理器数字控制。因此，微处理器-电力电子变换器 -电动机便成为现代可控电气传动系统的典型构成。 交流电机变频调速系统的种类很多，从 60 年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交 -交变频调速 ,交 -直 -交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制 (SPWM)变频调速，矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管 GTO、电力晶体管 GTR、绝缘门极晶体管 IGBT 及 MOS 晶闸管 MTC 等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性、可靠性及经济性不断提高。 交流变频调速的优异特性具体表现如下： 1 .调速时平滑性好 ,效率高。低速时 ,特性静差率较高 ,相对稳定性好。 2 .调速范围较大 ,精度高。 3 .起动电流低 ,对系统及电网无冲击 ,节电效果明显。 4 .变频器体积小 ,便于安装、调试、维修简便。 5 .易于实现过程自动化。 nts 28 6 .必须有专用的变频电源 ,目前造价较高。 7 .在恒转矩调速 时 ,低速段电动机的过载能力大为降低。 3.3.2 交流变频调速系统的控制策略 除了电力电子器件制造技术的发展外，基于电力电子电路的新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向电气传动领域的渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使交流电机变频调速从电压 /频率比值恒定控制法、转差频率控制法发展到矢量控制法，使交流电机瞬时转矩的控制得以实现，它可完成加速度、速度和位置等各种控制。交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。 交流变频控制技术主要有：相位控制、 VVVF（变压变频）控制、滑差频率控制 、 PWM（脉宽调制）控制、直接转矩控制、矢量控制、磁场定向控制和微机控制。为了取代直流调速，提高控制性能并降低成本，各种变压变频控制策略得到了很大的发展，新的控制策略不断涌现。根据调速的要求配以各种控制技术，就可得到所需的变频调速系统，目前常见的调速系统有： 转速开环电压频率协调控制 这是最简单的变压变频控制策略，转速开环变频调速系统采用恒压频比带低频电压补偿的协调控制。其结构简单，成本较低，但调速系统的静、动态性能都不高，用于不要求快速调节、调速要求不高或没有高动态性能要求的一般的交流调速场合，输出能较好 的跟踪控制信号，但对负载扰动nts 29 无法校正。由于它不含有电流控制，起动时必须具有给定积分环节（算法），以抑制电流冲击，积分时间数可视具体要求来调整。 转速闭环转差频率控制 转速闭环控制能改善稳态性能，只有对转矩进行控制才能提高系统的动态品质。转差频率控制方式既是在气隙磁通幅值保持恒定的条件下（基频以下调速），通过控制转差角频率，达到控制转矩的目的。在动态过程中系统能够以最大转矩加、减速，保证了在允许条件下的快速性，系统的动态性能得以提高。 转速闭环、转差频率控制系统的动、静态性能较转速开环、电压频率协调系统的性能 有很大提高。但其基本控制规律仍是从电动机的稳态数学模型中得到的，保持气隙磁通幅值恒定不变也仅在稳态时成立。因此，其动态性能与直流双闭环调速系统相比，仍存在一定差距。 矢量控制 自 70 年代初，德国人提出“感应电机磁场定向控制原理”，美国人提出“定子电压坐标变换控制”，经过不断改进和完善，至今已形成高性能的矢量控制系统。其基本思想是：通过矢量变换和磁场定向，实现定子电流转矩分量与励磁分量的解耦，得到类似直流电机的动态数学模型，然后模拟直流电机进行控制，获得良好的动、静态性能。目前较为成熟的方法有：定子磁场定向矢 量控制，转子磁场定向矢量控制和滑差频率矢量控制等，其中以直接磁场定向矢量控制较为突出。但应用于无速度传感器调速系统上还需从理论上和实践上加以完善。 无速度传感器矢量控制原理 nts 30 高动态性能的交流传动系统都需要转速闭环控制，所需要的转速反馈信号来自与电机同轴的速度传感器。为了获得准确而且可靠的转速信号，速度传感器必须经过精确的安装和妥善的维护，在条件不好的工业现场上常常不易做到。此外，在低速时要获得准确无干扰的转速信号也并非易事。因此，取消速度传感器而仍能获得良好的控制性能，便成为众所瞩目的研究与开发课题。 Rockwell公司的 1336 系列就属于这种变频器。 异步机的无速度传感器矢量控制，顾名思义是没有速度传感器；但该矢量控制系统仍能达到力矩和速度的控制性能指标。无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点，又具有通用变频器没有速度传感器的长处。在进行矢量控制时如何获得速度信号成为无速度传感器矢量控制的技术关键。无速度传感器控制系统的获得速度信号的办法是用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从电机定子边较易测量的定子电压、定子电流中计算出与速度有关的量，从而得到转子速度，并将其运用到速度反馈控 制系统之中。 电动机电 流 限电 压 /频率电压控制逆 变 器电流分 解 器磁 通 矢量 控 制转差估 计 器电 压 频 率 控 制图 3.1 无传感器矢量控制原理图 1首先，在系统中设定了电流限，可以实现过载的保护功能。 2利用转差估计器和指定速度，计算出指定频率。 nts 31 3利用电流分解器分解电流为转矩电流 4电压 /频率比值恒定，计算出电压幅值；利用转矩电流和频率 计算出电压的相位，从而对电压矢量进行控制，最后发出控制门极的信号给逆变器实现了矢量控制。在控制过程中，实现了以电压 /频率方式为基础的没有速度传感器的矢量控制。 3.3.4 IMPACT 内部的系统简图 图 3.2 IMPACT内部系统简图 nts 32 IMPACT 内部是按照无传感器矢量控制原理进行设计的，当然由于IMPACT 是一个成熟的产品，因此可以供用户选择工作方式，也可以工作在编码器回馈方式下。每一个功能模块简单介绍如下： 速度参考控制模块 (speed reference control) 在这个模块中，有几种不同的速度参考，分别是速度参考 1 7（ speed reference1 7）以及点动速度 1 2（ jog speed1 2）参考，可以预先设定不同的值，也可以连接 不同的外部模拟量输入，内部有逻辑状态控制字（ Logic Input Sts）来区别。对于 7 种速度参考来说是靠逻辑状态控制字的12， 13， 14 位来区别，对于 2 种点动速度和 7 个速度参考来说是靠逻辑状态控制字的 2 和 6 位来区别的。 表 3.1 速度参考选择位 通过这个模块可以预先设置电机起动的速度（ Start Dwell Speed），也就是可以命令电机从某一个速度开始加速，而不是必须从零速起步，也可以设置电机在启动速度上的驻留时间 (Start Dwell Time)。 在 IMPACT 中有三种不同的停止命令 ：分别是滑坡（ coast），电流限制（ Current Limit），正常（ Normal），通过选择逻辑状态控制字的 0， 7， 8位来控制，他们的区别是停止的快慢，以电流限制最快，滑坡最慢，而正常制动可以设置制动时间。在这里还涉及到制动 /减速方法的选择，对电动nts 33 机来说，可以
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