基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究

1、上海交通大学硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究姓名：史志永申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：詹永麒;胡大邦20030401上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究摘要近年来，采用变频技术对异步电机进行调速已经成为电机调速的最主要方式：另一方面，数字开、闭环控制及传感器技术等在液压元件和液压系统上的应用也日益广泛。在此基础上，本课题对基于变频技术的液压容积调速系统进行了理论分析和实验研究，得出了一些有用的结论。在第二章中构建了一个系统压力、马达转速反馈的闭环变频液压容积调速系

2、统，介绍了其结构组成、工作原理、测速方法及有关控制程序设计思想等。在第三章中建立了系统数学模型，得出系统传递函数。第四章介绍了本课题所应用的模糊控制理论，设计了模糊控制器并分析了控制参数对系统控制性能的影响。在第五章，应用第三章中建立的系统数学模型用软件对系统进行了仿真研究，得出了马达主轴上的转动惯量、泄漏系数和负载大小对系统速度特性的影响关系；应用第四章设计模糊控制器对系统进行了实验研究，研究结果表明本文设计的模糊控制器在控制马达转速稳定性方面具有很明显的作用，改善了传统泵控马达容积调速回路的马达转速随负载变化而变化的问题。经过对比分析，仿真研究结果和实验结果基本致。仿真和实验研究中得出的一

3、些结论对于今后在液压调速中应用变频调速技术具有指导意义。论文的最后分析了变频液压容积调速系统的有关特性，归纳了其所具有的优势与不足。关键词：变频，容积调速，模糊控制，研究土海交透丈学串谴磺：学健论文基于交额技术夔渡燕辔鞔壤逮圈蘸特牲努辑秘试骧磷究飘驸幔溅嘿器嚣】隰珏，（），。，差上海交遥夭学串游疆士学证逢文基于交颧拄寒静渡嚣容织调逮匿路特性分辑嚣试赣硪究，。，。：，上海交通大学学位论文版权使用授权书本学谴论文律卷竞全了解攀校有关缳磐、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允诲论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文静全都或部分内容编入有关

4、数据痒邀行检索，可以采焉影印、缩印或翔描等复制手段保存和汇编本学位论文。傈密醴凌益年解密蜃适爰本授权书。本学位论文属予不保密口。（谚在戬上方摆内打“”）学像论文作者签名：更禾黉嬲：哆年月，争鑫指导教师签名：）每祀胆，霾麓：。；年丢秀；鑫上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声爨：所呈交的学短论文，是本人在导师嚣指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明萼用的内容外，本论文不包含任何箕他个入戡隳体已经发表或撰写避的作品成槊。对本文的研究徽爨鬟要贡献的个人帮集体，鲍已在文巾默鹭磷方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承掇。学叠釜文裕蠹签名：史刍扣露袭：泓坤年参冀尹嚣上海交通丈学申

5、请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调遣回路特性分析和试验研究第一章绪论。传统的液泛调速方我液压系统以其功率大、惯爨小、响应速度快、调速范圈宽，易于实现过载保护等突出优点而被广泛采用。调速回路是液滕系统中最主婺的回路形式乏一，其毽黪瓣磐嚣霪筵雪系统魏整个瞧戆超罄决定援蕤影响，特裂是那些霹撬移橇麓运动特性要求较高的液压系统尤其如此。因此，调速回路在液压系统中占宥突出的地位，在各种场岔应用非常广泛。鼹统熬滚垂调遮方式只魏从滚歪系统本巍考虑，按速痰熬诿萤方法童要毒热下三种形式：节潇调速，容积谢速和容积节流调速等。，摹菠谓嚣带流调速即怒采用定量泵供油，依靠各炎流量控制阀调节流入或流出执行元件的流量实现

6、变速；繁流诱逮鬏豢瑟雳滚量控髑阙豹不嚣霹分笼譬逶苇滚阂茨节滚镶邃帮疆速阀的节流调速两种。节流调速回路的特点是结构简单、成本低，使用维护方便；其突出缺点是系统不鬻避免懿存套整滏滚损失鞠第滚撰失，致使英发熬大、效率德。爻逡会手零功率绒速度变化不丈的场合，褥对于如注塑机、挤出枧、愿机等有快谶、工进、辅助动作速度相夔悬殊的场合，极不适合采用节流调速。另外，普通节流阀的节流调蘧蘑籍豹系统嚣整较差，奎癸滚嚣是交予受载变纯季；熬第滚露薄臻聪差翡交化，使流经节流阀的流量发生变化从而影响了执行机构的速度稳定性。如果用调速阁取代回路中的节流阀，由予调速阀两端的压差不受负簸变化的影响，其过流蠹只取决予节滚弱过流露袄

7、静大企，嚣嚣霹虢大大熬提寒系统豹戮佳，羧善撬费机构的速度稳定性。但是，这贱性能的改善怒以加大整个流量控制阀的工作压差上海交通大学申请硕士学位论文基于变缴技术的液压容张调速回路特性分析和试验研究荛霞羧豹，较大嚣麓篷在穰多场合下是不允谗瓣。容积调谯褰积潺速蘩纛改变变量泵秘（或）改变交堂马达豹撩熬实现调速，焱圪绩况下，液压泵的输出流量总是与负载流量褶一致，基本不存在溢流和节流损失。由于其具有效率高、发热少、调速范围宽等突出优点，容积调速在很大程度土减少了系统节淀羧失帮发热薰，蠢嚣效率较巍。毽容积调速溷路的不怒之楚为：此种调速方式控制精度不商，原因是不附压力下泵、玛达效率地变化，对执行元件地速度均会产

8、生不利的影响，除非将负载包括进闭环控制系统之内；毒定量泵攘魄，变量泵势不楚豢鬻工终磊缀理想豹王滋下。弼妇，变量控塞泵斜擞倾角可在。变化（斜轴泵可达），不能总猩最佳的斜撤倾角下工作；隽终，套对菰露元终运动遴发要求毫兹场会，往往爱爝珑裁或囊激变量泵，而比例或伺服系统对油源过滤精度要求高，价格也较高。阂题的提毫由前节所述，容积调速主鼹方式之一就是通过改变液压泵输出流麓来实现的，又根据液压浆流量输出公溅可知，改变液压裂排量或改变转速均可敬改交液压泵熬羧囊滚量。传绞瓣变量泵都麓经过有关秘城维稳来改变液蘧泵豹排黧从而改变液聪浆的输出流鬣的，如斜盘式柱塞泵通常怒靠改变斜盘倾角来改变泵的排量，斜轴掰：柱塞泵靠

9、改变缸体与输出轴的倾角改变排量等。而通过转速霉诱戆毫凄辊来改变滚压泵赣穗滚量近年寒藏楚鏊疼磐浚蔗秀硬究热纛之一。在绝大多数场合下，驱动液压泵的电动机都是异步电动机，这是因为异步电动机和其它电动机相比，有着觉可比拟的优点：结构简单凝固、成本低廉、易于缭护镣。霞建，褒蜜频谖邃技零麓篷鞋蔻，入钓已经发弱了多拳争对异步魄韵撬镶速的方法，获得了广泛的应用。例如：增大或改变转子回路内电阻的调速、电磁调运电动机等。交频调速技术猩调速性能方丽远远超出上述调速方法，并且具有臻显瓣蒂能效果，嚣嚣，交颓溺遽鋈兹已经戏为疫爱最广泛戆异步龟动爨调速方式。圭塑窒望查兰皇堡鬻圭堂壁丝苎变频调速技术的发展茎王壅堡垫查竺鎏篓查

10、黧塑望堕堕堑丝坌堑塑鲢塑壅早在上魅慰年代，人们已经湃始尝试利用交频技术对工业上应用焱广泛懿鬣笼式舅多龟动辊进行谖速磅究。年代巾期以来，采用电压戮戴电流型晶闸管变频器的异步电机调遮系统等先后实现了窳用化。年代以艏，变频调速开始成为交流调速的主流，特别是年代以膊，该瑗鼓寒随着电力瞧予技零窝徽电予蔽零羲避步，变菝潺遮技本发震更隽逐遮，墩得了西新月异的进步。当前，应用电力电子技术的交流调速技术已经成熟，由于它比直流调遮有着较大的优越性，目前正普及到工业的各个领域，如在大功率轧钢机领域，国鼍：其主传动对动态蛹成帮过载能力有缀鬻的要求，以蓠一藏是耀直流电机，但纛流电瓤戆换岗器秘巍掰在大容量方嚣阕麓较多，维

11、护工幸挈爨犬。两异多毫辊交凝溺速具有单机容量火，体积小，转动惯慧小、动态响应好、节能、易于维护等优势，目前世界上已脊数百台交流变频轧机主传动投入工业陵用，现在在发达圜窳，新建以上的轧机主传动，无一例外全部采用交流变频调速。我国宝钢热连转撬在瘦麓交滚交菝调速上爨一今残臻戆范剿。鼗努，交菝溪速在毫动税攀、搅拌枫、挤压机、纺织机械、注黧械、起重祝、造纸梳、风机、永泵等镶域也帮取得了广泛的威用。传动系统中的电机所消耗的电能在各国的电量中出肖很大的比例，有茂资料表疆美匿电动执蠲电量占全国用毫慧的左右；据绫计，在我国电弱的瑟受旖中，动力受穗蠢，其中异步惫氍占总动力受麓豹左杏。嚣忿番效缝糕用电动机，改进其性

12、能，降低运行中的能耗，对节省电能和环保具有突出的懑义。在国家经贸委掇出的项节电技术中，风机、水泵带电技术、空调节电技术、电动机节电披术等都直接和交流交频技术有关。根据肖关推算，若全面采用电力毫子援寒豹交鬏龟添我莺每年霹蕊壤亿废。壹魏瑶凳，大力拦广交滚变鬏技术在我国具有深远的意义。变频技术在液压领域成用的国内外概况上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究相比较而言，变频调速技术在液压领域的应用较晚。其在液压领域中的应用目前还处于刚刚起步的阶段，目前据有关文献记载，变频调速技术目前在液压电梯和注塑机等行业已有了初步应用。国外一些生产液压元件的公司也在产品目录里提

13、供了变频电机驱动的液压动力站。据有关资料记载而言，年和首先撰文提出将交流变频调速技术用于液压动力系统，年和年，他们研究了带蓄能器的变频液压动力系统，年他们对变频电机驱动定量泵，普通电机驱动变量泵和用变频电机驱动变量泵等几种情况的节能效果及动态特性作了对比实验研究。（）（）（）图四种不同泵驱动的实验比较图是他们所用的实验装置，电机功率，变频器功率，系统压力由溢流阀调定，为，给定一条理想流量曲线，对应图的种情况分别测出它们的流量响应和系统效率。结果表明，（）的系统效率最低，仅为；（）和（）效率接近，分别为和；（）的效率最高，为；响应是（）的响应比（）的响应快。国外液压电梯方面的研究据有关资料的记载

14、，日本三菱公司早在年就开始了变频调速在液压电上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究梯上应用的研究，年申请了美国专利（其结构原理图如图所示），并在年研制出世界上第一台变频液压样梯，其控制系统采用电机轴转速反馈和轿厢速度直接反馈相结合，减小和抑制了轿厢振动；另外流量泄漏补偿控制校正了泵的流量泄漏和因负载变化引起的轿厢速度波动，实现了无低速段的电梯轿厢直接停靠层站。其后，各大电梯公司相继开展变频液压电梯的研究开发。图一美国专利结构原理图在三菱公司之后，瑞士公司和日本公司等也都先后推出他们自己的液压电梯专用变频驱动系统。国外注塑机方面的研究为了满足注塑机高压、高速

15、、快速相应、高压力控制精度和重复精度，国产注塑机几乎全部采用电液比例控制技术，国外广泛采用变量泵和电液比例阀构成的负载感应系统，这种控制方法的优点是节能，缺点是仍存在与流量有关的能量损失。国外最新一代注塑机中也有尝试采用转速可调的电动机驱动液压泵作为动力源，如在年的欧洲机械制造杂志上就介绍了公司专供注塑机、压力机用的变频调速液压动力装置。另外，在年版的公司的产品目录里出现了一种变频调速的内啮合齿轮泵组，其控制结构示意图见图一。上海交通大学申请顿士学位论文基于变频技术的液疆容积调速回路特性分析和试虢研究鍪一蹦踩公霹交频控翻瘫噻会臻轮泵缱国内研究概况国内对予燮频调速在液压领域威用的研究目前还不够深

16、入和充分，目前尚没发现有成熟的变频调速液压泵站产潞。有关变频调速的研究成果较为突出的是浙江丈学拯华勇教授蓣萼豹交菝诿逮深避骚究缢。该潆熬缀簸年开始，至今已投入了两健博士生、四位硕士擞辩挖谋题进行了深入研究，目前他们殴经成功研制出一套究熬的变频液压调速电梯的控制系统，并通过了项目鉴定。图为浙江大学开发的变频调速液压电梯控制系统原理图。该系统主黉有变频器、三摆交流异步电机、鳔抒裂、集成控翻阀、压力传感器、等都佟缝成。控藩嚣采瘸计算税，反馕采丽纛绥速度反馈静形式。菠蔫此法不仅大大节省能量，而且在舒适程度、运行的安念蚀、低故障率、载藏鬣及产品价格的性能比方面，都是电动电梯所无法比拟的。另外，据文献反映

17、，广东工业大学和西安交通大学等也对液压变频容袄调速鏊臻在理论上蠢爨磅宠，建翻豹磷究手段还仅仅是爨嶷，没寿遴露过试验磷突。煤炭科学研究总院上海分院液压所曾在各类液蕊系统工程实践上多次应用过变频调速技术，这些工程实践摸索出了一些应用经验，但这些应用还仅仪停留在应用层面，没有进行过理论方黼的分析和研究。上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究图一浙江大学变频调速液压电梯系统原理图主要问题及本课题的主要研究方向液压系统中应用变频调速技术目前还存在以下主要问题：低速稳定性问题当液压泵转速过低时，其自吸能力降低，容易造成吸油不充分而形成气蚀，引起噪声和流量脉动，影响执行

18、元件速度的稳定性；而且对于大多数电压型交直一交变频器，低频时低次谐波电流与基波磁场相互作用，会产生脉动转矩，致使电机转动角速度波动；另外，低频转矩不足、异步电机低频运行时固有的不稳定性、电机转动部分与逆变器直流中间环节中滤波、贮能元件之间能量交换中产生的谐振现象、无功功率的影响等都是引起转速不稳定的可能原因。一般情况下，上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究变频调速系统在某特定范围内会出现系统运行不稳定区，它和电机参数及运行条件有关。响应频率较低由于一般的异步电机的转动惯量大于液压泵的转动惯量，并且变频器的过载能力有限，过载只允许一分钟，影响了加速性能。减

19、速也不能过快，否则，再生能量会引起逆变器直流电压过高，保护功能动作。因此采用变频控制的电液系统不适合响应速度较高的使用场合，在这一点上，比不上伺服变量泵调速系统。低速时不允许满转矩长时间工作采用脉宽调制（删）控制的变频器，低频时电流脉宽很窄，若要保持满转矩输出，则电流尖峰很高，长时间工作很容易损坏功率模块。通常要以上才允许满转矩长时间工作。转速稳定性转速稳定性的关键是速度刚度，所谓速度刚度是指执行器的速度不随负载变化的能力。不同的负载工况，电液系统的容积效率或者说油液的泄漏量都不一样；另一方面，不同的负载工况，变频器一电机环节提供的转矩有变化和变频器自身特性的差异性，执行器的速度即使在变频器相

20、同的控制电压下也会呈现出一定的波动性，因此，变负载工况下保证调速精度是这类系统中的又一个主要问题。针对以上交流变频技术在液压领域应用中的问题，本课题以传统的泵控马达容积调速回路为基础，采用交流变频调速的定量泵和闭环速度反馈对马达转速进行控制。对该基于变频技术的液压容积调速系统的低速稳定性、响应速度、转速稳定性等问题进行实验或仿真研究，并对该系统的有关技术指标和动静态特性进行理论分析和试验研究。同时本课题拟通过优化元件选型和控制算法，尽量提高系统调速精度和响应速度。总之，本课题试图在传统的液压调速方式之外探讨一种崭新的基于变频技术的液压容积调运方式，通过对该系统的实验研究与仿真研究，以图推动交流

21、变频技术在液压领域得到进一步的广泛应用。上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究第二章系统的原理与构成系统结构概述为了更好的研究基于交流变频技术的液压容积调速系统的各有关动、静态性能，本课题从实际出发，设计图所示调速系统，根据该系统对变频容积调速系统进行有关理论分析、仿真与实验研究。图变频容积调速系统结构示意图本课题液压部分采用泵控马达回路，该回路在液压领域应用很普遍，可用于驱动大型机床的主轴、大型的机械转臂或者回转工作台等，因而具有典型意义。由于系统的速度稳定性和回路刚度受外负载的影响，采用简单的开环控制回路难以达到精确控制马达转速目的。为此，本系统采用了

22、闭环控制回路，即用光电编码器采集马达的转速信号，经信号处理后反馈给计算机，和给定输入值进行比较，再通过控制器、变频器等相应的改变液压泵的转速，调节液压泵的输出流量，最终达到精确控制马达转速的目的。另外，为了研究负载对本调速系统的影响和干扰，最理想的加载方式是能够对马达输出轴加一个可变的惯性负载。但限于本单位的实际试验条件和课题经费上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究情况，本系统对马达的加载方式拟采用马达出口背压加载的加载方式。该试验系统中马达并不是完全作马达工况使用，不能够检验出马达的容积效率，机械效率值也只能够近似检验。但考虑到本系统主要是研究系统负载

23、变化时液压马达的转速刚度，该系统基本能够满足课题要求。变频器环节变频器的选型根据本课题的任务，结合各种变频器的性能特点，同时考虑综合经费等综合因素，本系统选用公司出品的系列电子变频调速器，该变频是电压型交一直一交通用变频器。）公司从年就开始大批量生产丹佛斯变频器，其具有卓越的控制性能（逆变原理），灵活的操作方式（快速放置菜单），齐全的功能（内置滤波器，电控器等）及可靠的制造质量。其中系列变频器是新一代包装机械专用变频器，体积小、价格低、功能全、功率范围：。本系统选用的（）型变频器的主要控制参数如下：频率范围：输出频率分辨率：系统响应时间：转速控制范（开环）：转速控制范（闭环）：同步转速的：同步

24、转速的：最大误差最大误差转速精度（开环）：转速精度（闭环）：电压型交一直一交通用变频器工作原理课题采用电压源交一直一交变频器，其结构主要有五部分组成：整流电路、逆变器、控制电路、制动组件和保护回路。图为其结构简图。上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究工且耋；兜璁靖出图变频器构成整流电路整流器由晶闸管或二极管组成，它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电流。在整流器整流后的直流电压中，含有电源倍频率的脉动电压，此外逆变器部分产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动，可采用直流电抗和电容吸收脉动电压（电流）。逆

25、变器逆变器由只晶闸管元件或大功率晶体管及二极管组成，微处理器输出嘲信号，通过放大电路可直接控制晶闸管的导通、关断，形成电压、频率可变的三相交流输出。异步电动机在调频的同时需要调压，以保证电机中磁场维持在合理的水平。在以前的交一直一交变频器中，所采用的电力电子器件主要是晶闸管，其开关频率较低，调速系统的控制方式主要是调压与调频分别控制，即相控整流器控制输出电压的幅值，逆变器开关频率控制决定输出电压的频率。这种调压、调频分别控制方式虽简单，易于调整，但有许多缺点，如调速系统功率因数差，输出电压、电流谐波含量大，转矩脉动大，动态响应慢等。近年来，随着电力电子技术的发展，具有自关断能力的元件如大功率晶

26、体管和门极可关断晶闸管开始得到广泛应用，产生了一种新型的调压调频综合控制技术，即脉宽调制技术及相应的雕逆变器。现在的交一直一交交频器采用脉宽调制（）技术后，把调压和调频的任务统一由变频器来完成，最常用的调节方案采用雕（）方式，其原理如图，采用参考正弦电压波与载频三角波来互相比较，决定主开关的导通时间以上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速圊堕壁堡坌堑塑蔓竺堡塞实现调压，利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身，而且还因采用不可控整流，简化了整流装置，降低了整流器的造价，同时还改善了系统的功率因数，加快了系统的动态响应，特

27、别是通过采用适当的调制方法可以使交频器输出电压中谐波分量，尤其是低次谐波显著减少，从而使异步电动机的技术性能指标得到大幅度的提高。（）删波形控制框图图制动组件（）删单极性控制方法一般的电压源型交一直一交变频器为不可逆变频器，即变频器正常运行为象限运转，如图中（），电源只向异步电动机输出功率。对于减速时需要制动力的负载，功率会从异步电动机向逆变器回流，此时变频器需附加一套制动放电组件，以实现电动机、象限制动运行，如图中（）。当异步电动机粤一尊誊，可逆主并蓐图电压型变频器的四象限运行工作于制动发电状态时（转差率为负），将产生再生能量，再生能量储存于变频上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压

28、客积调速回路特性分析和试验研究器平滑回路的电容器中，使平滑回路中直流电压升高，当电压升高到一定值时，控制电路使制动部分的晶体管导通，再生能量通过电阻器被消耗掉。再生能量较大时，控制单元和电阻单元将分别设置。对于需要急加减速，并且加减速频繁的场合，或对于制动为主要目的的场合，需要用可逆变频器，实现的象限运行，如图中（）。控制回路向异步电动机供电的主回路提供控制信号的回路，称为控制回路。控制回路由运算回路、电流电源检测回路、驱动回路、测速回路等组成。其中运算回路将外部的速度、转矩指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出电源和频率。电压电流检测回路采用霍耳、电阻等元件，并与主回路

29、隔离进行电压、电流的检测。驱动回路驱动主回路元件的导通、关断，它与控制回路隔离。速度检测回路通过异步电动机轴上的速度检测器（、）或其他途径，将电机速度信号反馈回运算回路。构成系统的速度闭环控制。保护回路变频器控制回路中的保护可分为变频器保护和异步电动机保护。变频器的保护功能有：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、冷风机异常保护等。对异步电动机的保护有：过载保护和超速（超频）保护。恒定控制方式恒定控制即、，控制，就是在改变频率的同时控制变频器输出电压，使电机磁通保持恒定，在较宽的范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要

30、因素是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流易于使电机绕组过热，从而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，容易做到中不变。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，众所周知，三相异步电动机每相电动势的有效值是：。（一）上海交通大学申请磷士学位论文基于变频技术的液蕊容积调逮回路特性分析和试验研究式中：蜀一气隙磁通在定子绕组感廉电动势，五一定予缳率，嚣一定予绕组匝数；一绕组系数；辔。一每圾气隙磁通量，孙由式（）可知，只要控露好耱磊，便可达弼控制磁通垂，静露瓣。再从定予绕组的一相等值

31、电路来看：置（，羁），若忽臻定予嚣洚，粼豁：（）鲁却。上式中常数墨。）霾建，交羧嚣串要保持毽磁逶，必要霞驻窝囊戎魄锲交馥静虿，该羧涮方式即称为饿定控制。它具有如下几个特点：（）同步转与频率成厩比强：，。（）（）转运降落在同一转矩下为懂值，邸在僵压变频院条件下交频时，税械特性平行移动（）最大转矩随工变化最大转短蓬五戆降羝瑟躐夺，一般交频器（包戆采取定子压降的补偿，即适当提离定子电压。来提高低频时的转矩。恒定控制方式比较简单，多用于通用变频器，在风机、泵类机械的节能运转和生产流水线的工作台传动等。本课题所选用的变频器也是采用这种控制方）上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性

32、分析和试验研究式的。工控机和变频器通信通常通用变频器对转矩转速的响应不是很快，在一定程度上会制约控制系统性能的提高，这一点在类似本系统的非线性复杂系统中若不采取相关措施的话会显得尤其突出。一般通用变频器包括对速度的设置有模拟和数字两种设定方法，前者是用电流或电压值代表速度，通过转换为数字量，后者用通讯的方法直接将数字量输入至变频器。两种方法最终都是将指令存入变频器的内存，在变频器启动或上升时以预定的速率上升到指定频率，停止或下降以预定的速率下降到指定频率，由于受到变频器功率器件最大允许电流的限制，速度变化率不能太快，虽然对多数变频器来说，加、减速速率可以设置，但不可能设置得太短，否则运行过程中

33、容易出现过流。正是这个加，减速时间的存在，使得变频的实际输出频率不能及时跟上控制器发出的指令，控制系统输出的速度调控参数往往被积累在变频器的内存中等待执行，形成变频器的速度指令参数“存储效应”，对系统调控响应呈现明显的迟钝和滞后，结果容易造成系统的“超调”或“失调”加大，这一点在变换调控方向时更加明显，严重影响系统的控制性能。因此，要提高变频器的动态响应速度，就必须消除其频率指令参数累积在内存中的“存储效应”现象，使得系统的控制指令在变换调控方向时能及时得到执行。如果用模拟的方式向变频器输入控制信号的话，这个问题是难以解决的，因为无法深入变频器内存。结合工控机和变频器的特点，本课题利用变频器的

34、输入、输出端子及串行通信接口来完成通信。和的串行口分别是和，故二者之间外加电平转化器，该转换器内部采用了光电隔离技术，使工控机的各串口之间进行了隔离，从而提高了系统的安全性。系统连接框图和通讯查询程序框图分别见图、咱。上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究图工控机一变频器连接框图图工控机通讯查询程序框图采用这种数字通讯方式，控制器能够直接和变频器内存建立联系，控制器发出的指令可以传入变频器，也能够读取变频器内部的有关数据。在此基础上，在系统控制软件中专门设计一个消除“存储效应”的模块，其实现方法是每当系统改变调控方向时，将变频器内存中所有累积的未执行的速度

35、指令参数消除，使当前运行频率能够及时跟上系统的调控。液压传动部分加载方式首先说明，对于本课题研究，最理想的是能够对马达输出轴加一个可变的惯性负载，以研究马达在惯性负载情况下的变频调速回路的有关动、静态特性。但是由于搭建马达带惯性负载的实验台有困难，本课题最终决定采用马达背压加载上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究的加载方式，即如图所示，在马达出口处加比例溢流阀，通过调节该溢流阀的输入电压来改变系统压力。由于本课题主要是研究变频容积调速回路在负载变化（可以看作系统压力变化）时系统速度冈性问题，采用背压加载的方式可以满足本课题的研究需要。根据课题研究需要，本

36、课题所需要的主要液压元件的规格、型号等如下：液压泵综合考虑变频器有关参数及课题经费等因素，液压泵选用的是本单位原有的泵组。这里需要说明，首先，本课题所需的液压泵用传统意义上的定量泵即可，其次，根据其它元件的选型及有关参数要求，排量偏大。本课题研究时调节该手动液压泵的变量机构，使其排量定在左右，并且在整个研究过程中不再改动该设置，即将本液压泵当作排量左右的定量泵来使用。液压马达液压马达选用的是马达，该马达有关参数如下：经过计算，选用该排量的马达和液压泵，理论上实验压力可以高达。另外由于斜盘柱塞马达在采用背压加载时，实验压力一般不可超过其额定压力的一半，对本系统来说，即不可超过。比例溢流阀控制器通

37、过卡输出电压，经过比例压力放大器（）放大来控制比例溢流阀（），从而完成液压马达背压加载。元件电路接线简图如图所示，图是马达背压加载控制程序运行界面图。图压力控制元件电路连接简图上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究传感器部分本系统所用的传感器主要是压力传感器和速度传感器。压力传感器在本系统中主要用来采集系统压力并将系统压力信号转换成电信号，经卡传送至控制器，以便于实时采集系统压力。本压力传感器选用的是公司出电压是。，该传感器量程范围，对应的输转速传感器是本系统最重要的传感器，用来检测马达的转速并反馈至控制器。经多方比较，该传感器选用长春光学仪器厂生产的一卅

38、光电编码盘，该编码器采用圆光栅，经光电转换，将轴的角度位移转换成电脉冲信号：。马达转速方波信号由计数卡采集并输入控制器。在以光电编码器构成的测速系统中，常用的测速方法有三种，分别为法、法和法。法是通过编码器两个相邻脉冲的时间间隔来确定转速的，由于高速时脉冲的时间间隔小，而计算机及电路动作需要时间，则其准确性较差，故该方法适合速度比较低的场合。法是利用一段固定时间间隔内的编码器脉冲数来确定转速的，其性能特点正好与法相反，比较适合于高速场合。而法则是前两种方法的结合，兼顾低速和高速状态下检测精度，在整个速度范围内都有较好的准确性。按照法，所取时间间隔（采样周期）总是输出脉冲的整数倍，可提高低速检测

39、精度；较大的采样周期，对于高速测量来讲，可以忽略计算机的操作时间，从而提高了高速检测精度。法测速原理见图。图中同步脉冲以的周期的取值一般约。为采样周期。如果参考时钟的频率为五，在内参考时钟发出个脉冲，则肌。正。如马达每转过一转，编码器发出个脉冲，在时间间隔内编码器共发出个脉冲，则马达的转速（）为：铲警式中：正一参考时钟频率；（堋上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究尸一马达每转过一转编码器发出的脉冲数；采样周期内编码器发出的脉冲数；一采样周期内参考时钟脉冲数。丝剁；罱嚣山叫山衄山垫黔广秽几门图法洳速原理剁图控制程序总体框图在转速脉冲信号玑的上升沿时转速脉冲

40、个数计数器开始对的上升沿次数加计数，的上升沿还使同步脉冲从低电平跳为高电平。同时，计数器还对参考时钟脉冲数个数加计数，以便测得采样周期的长度。等到同步脉冲下降为低电平然后再次上跳为高电平之后，当出现转速脉冲上跳变时便停止一切计数。此时参考脉冲总个数为，转速脉冲个数为。把和。代入式（）便可求得马达转速。为了提高马达速度检测精度，系统选用一光电编码器和测量方法。该编码器采用圆光栅，经光电转换，将轴的角度位移转换成电脉冲信号：。马达转速方波信号由计数卡采集并输入控制器（见图）。控制程序设计上海交通大学申请斌士学位论文基于变颏技术的液鹾嚣积调运回路特性分析和试璇研究实验研究采用的控制程序由语言编写，在

41、环境下编译、遮行，它完成对系统数据的设定和采集、处理分析、输出控制嫩，实现对系统的掇制。疆枣采震功栽模块式结梅，褒予凝浚箨修改。霆、为控裁疆穿总体壤嚣秘运彳亍界面。初始化包播各控制器参数的输入、卡端髓初始化、计数卡的并行口端口初始化及计数值归零。数据采集程序方面完成卡对系统压力的慕黎，另一方面完成计数卡静计数值锁存，从端日读入采样周麓海编舀器赣滋豹躲冲数，势逶过鞋脬方法诗算窭滚愿毽达静实舔转速。羧秘算法程序包括第三掌所述的一般模糊控锖算法和参数予调整模糊控制算法。部分功能模块程序源代码见附录。蓬一舄迭速度痿号捡澎魄终小结：本章介绍丁变频液压容积调速系统的结构组成，弗就燮频器工组原理、采用上海交

42、通大学申请硕士学位论文基于变频技术的澈避肄积调速回路特性分析和试验研究数字通讯等方妓提高变频器的动态响应速度、加载方式、法测速等技术细节进行了详细说明和深入研究。上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究第二章变频液压容积调速系统数学模型变频液压容积调速系统是非线性、多变量、参数时变的系统，其数学模型比较复杂，因此，要建立起本系统精确的数学模型是比较困难的。本章试图在忽略一些次要因素和参数，简化系统的情况下，尽可能地按照系统本来的特点建立一个该系统的比较准确的数学模型，以便为系统仿真和特性分析作准备。变频器一电机环节变频器本系统采用的变频器是公司型号的变频器，

43、实际上变频器和异步电机相比，其时间常数小得多，故在考虑变频器一电机环节中变频器输入控制电压甜和异步电机输出转速之间的关系时，故忽略变频器的动态响应过程。在变频控制器中，模糊控制器输出电压“为一矿，即变频器的输入电压范围是一矿矿。同时变频器的频率输出范围设定为，其对应关系为线性关系：正矿“式中：（）一电机定子侧电流频率，；“输入变频器的控制电压，矿；岛变频器的增益系数，玎电机定子侧电压范围是，其与定子电流频率的关系也为线性的对应关系，在不考虑低压补偿值时，有：上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究式中：乩为定子侧电压值，；足，为变频器到电机的增益系数，。变频

44、器的输入控制电压和电机输入电压的关系为：“对于控制中电机最大转矩随频率降低出现下降趋势的问题，采用变频器的低频补偿功能，即适当提高输入电压，补偿定子电阻上的电压降落，以改善电机低频下的转矩特性。丹佛斯变频器的控制面板上提供了设置曲线的功能，根据不同的工况能够设定不同的低频补偿电压。根据变频器手册】，在这里设定补偿电压。设置的曲线如图所示，从图中可以看出，电机定子侧相电压与定子电流频率之间关系式为：等枷图低压补偿曲线异步电机仔）交流调速变频传动系统的动态特性是相当复杂的。由于描述异步电机动态过程的电磁方程是一组非线性微分方程式，同时电力变换器件的工作方式为开关状态，以及变频器采用的数字控制器给整

45、个系统添加了时间离散性等，要在整个调速运行范围内用解析表达式完整、精确地描述变频调速的动态特性，是具有相当难度的。在分析异步电机的特性时，我们注意到电机的电磁瞬变过程比电机的机电过上海交通大学申请硕士学位论文基于变频技术的液压容积调速回路特性分析和试验研究程快得多，而在该课题所研究的变频调速系统中，变频器工作在变频变压方式下，而且相对液压系统的动态过程来说，型电机（）的瞬变过程较短。为了简化分析，在此不考虑电机中发生的电磁瞬变过程，则异步电机的电磁转矩为：珈，（面瓦再而丽式中：（）一电机电磁转矩，；，一电机极对数，这里为；、厶一电机定子每相电阻，、每相漏感；砭、艺一折算到定子侧的转子每相电阻、

46、每相漏感；研一定子运行角频率，巧矿；一电机转差率，一，；一电机转子转速，。以一电机磁场转速，玎，：堕，。聊三相异步电机额定工作时，滑差率很小。根据电机技术资料，在额定工况下，电机的额定转速为，此时转差率。（一）。并且注意到砭与，以及（厶）都是同一个数量级，所以有：震。、五墨。则式（叫）可化简为；，以：矾（：）：盟矾砭在额定工况下，即电机在工频，定子相电压【厂，转速为额定转速，转矩为额定输出转矩，由上式可求出折算上海交透大学申请磺士学位论文基于变频技术的液聪样积调速回路特性分析鞠、蠛验研究到定子侧的转予每相电阻彤未笔鲁如。褥转差事葶。一，鬈，毽；丝，钱入式（哂）弼褥：埘糍俨警；轰（纠吁专（期（纠嚣为交频璃速孛，秽。，五；豢数。令辫，。，斌；五为交频调速邀遮转矩增益，为墩税交频调速速度转煞增益，刚（）式霹写为：瓦幽