畢業(yè)設(shè)計--三相異步電機調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）</p><p>　　題 目：三相異步電機調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　系 別： 自動化學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化專業(yè) </p><p>　　班 級： 自動0703班

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　導(dǎo)師姓名： 職稱： 講師 </p><p>　　起止時間：2006年01月10日 至 2006年06月17日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信聲明書</p><p>

3、;　　本人聲明：本人所提交的畢業(yè)論文《 三相異步電機調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 》是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立研究、寫作的成果，論文中所引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注；對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感謝。</p><p>　　本人完全清楚本聲明的法律后果，申請學(xué)位論文和資料若有不實之處，本人愿承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。</p><p>　　論文作者簽名

4、： 時間： 年 月 日</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 時間： 年 月 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書</p><p><b>　　任務(wù)與要求</b></p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 (論文) 工 作 計 劃</

5、p><p>　　學(xué)生姓名_ __指導(dǎo)教師___ ______職稱____講師____</p><p>　　院（系）______自動化學(xué)院_________專業(yè)________自動化________</p><p>　　題目_三相異步電動機調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　______________________________

6、_________________________</p><p><b>　　工作進程</b></p><p>　　1月10日~4月5日 了解電動機調(diào)速的基本原理</p><p>　　4月6日~4月20日 熟悉S7-300軟件編程環(huán)境及組態(tài)王軟件</p><

7、p>　　4月21日~5月4日 畫出組態(tài)王監(jiān)控畫面</p><p>　　5月5日~5月20日 編寫并調(diào)試電動機調(diào)速控制程序</p><p>　　5月21日~6月17日 撰寫畢業(yè)論文</p><p>　　主要參考書目(資料)</p><p>　

8、　西 安 郵 電 學(xué) 院</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告</p><p>　　自動化 學(xué)院 自動化 專業(yè) 07 級 03 班 </p><p>　　課題名稱：三相異步電機調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　學(xué)生姓名： 苗曉強 學(xué)號 06071088 </p><p>　　指導(dǎo)教

9、師： 沈建冬 職稱 講師 </p><p>　　報告日期： 2010年03月30日 </p><p><b>　　說明：</b></p><p>　　本報告必須由承擔(dān)畢業(yè)論文(設(shè)計)課題任務(wù)的學(xué)生在畢業(yè)論文(設(shè)計) 正式開始的第1周周五之前獨立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。</p><

10、p>　　西安郵電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文)成績評定表</p><p>　　西安郵電學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計)成績評定表(續(xù)表)</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p&

11、gt;　　1.1 課題研究的意義1</p><p>　　1.2 電動機調(diào)速發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 變頻調(diào)速國內(nèi)外現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.1 國內(nèi)現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 國外現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4 課題研究的主要工作3</p><p&

12、gt;　　2 電動機的調(diào)速原理及方法4</p><p>　　2.1 異進電動機的簡介與分類4</p><p>　　2.2 三相異步電動機的工作原理4</p><p>　　2.3 異步電動機調(diào)速5</p><p>　　2.3.1 調(diào)速原理5</p><p>　　2.3.2 電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)5</

13、p><p>　　2.3.3 三相異步電動機的調(diào)速方法6</p><p>　　3 電動機的閉環(huán)變頻調(diào)速原理9</p><p>　　3.1 電動機變頻調(diào)速技術(shù)9</p><p><b>　　3.2變頻器10</b></p><p>　　3.2.1變頻器的功用及原理10</p>&l

14、t;p>　　3.2.2變頻器容量的確定11</p><p>　　3.3 編碼器12</p><p>　　3.3.1光電編碼器的介紹及分類12</p><p>　　3.3.2光電編碼器的測量方法13</p><p>　　3.4 PID控制的基本原理14</p><p>　　3.4.1 PID控制概述14

15、</p><p>　　3.4.2 比例（P）控制15</p><p>　　3.4.3 積分（I）控制16</p><p>　　3.4.4 比例微分（PD）控制環(huán)節(jié)16</p><p>　　3.4.5比例積分微分（PID）控制17</p><p>　　3.5 三相異步電動機的閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理分析18&l

16、t;/p><p>　　3.6 系統(tǒng)硬件設(shè)計19</p><p>　　4 編程軟件及程序設(shè)計20</p><p>　　4.1 S7-300的簡介20</p><p>　　4.1.1 系統(tǒng)組成20</p><p>　　4.1.2 功能及通訊21</p><p>　　4.2 編程軟件簡介22&

17、lt;/p><p>　　4.2.1 項目的組建與硬件組態(tài)22</p><p>　　4.2.2 程序編寫24</p><p>　　4.2.3 程序流程圖25</p><p>　　4.3 程序設(shè)計26</p><p>　　5 組態(tài)設(shè)計及系統(tǒng)監(jiān)控29</p><p>　　5.1 組態(tài)設(shè)計29&

18、lt;/p><p>　　5.1.1 新建工程29</p><p>　　5.1.2 創(chuàng)建組態(tài)畫面30</p><p>　　5.1.3 變量連接31</p><p>　　5.2 系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控實現(xiàn)34</p><p><b>　　5.3 結(jié)論35</b></p><p>&

19、lt;b>　　結(jié)束語37</b></p><p><b>　　參考文獻38</b></p><p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電機廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，因此如何更經(jīng)濟有效地控制

20、電機對于工業(yè)自動化地發(fā)展尤為重要，直流電機的特點是調(diào)速簡單但制造昂貴且噪音大，而交流電機雖然克服了直流電機的上述缺點但調(diào)速較為困難，但隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展，通過變頻器來改變交流電的頻率，從而改變交流電機的調(diào)速，本課題就是主要通過PLC控制變頻器實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，編碼器做信號反饋，即實現(xiàn)閉環(huán)控制，這樣實時地反饋電機的當(dāng)前轉(zhuǎn)速送給PLC進行運算處理，使得對電機轉(zhuǎn)速的控制更加精確，反應(yīng)實時性更高，通過系統(tǒng)的組態(tài)仿真我們可以清晰的看到該控

21、制系統(tǒng)的優(yōu)越性。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：三相異步電機，編碼器，西門子變頻器，S7-300</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Motor is widely used in industrial control each domain, therefore how more economy eff

22、ectively control motor for industrial automation development particularly important, dc motor speed the characteristics of simple but manufacturing is expensive and noise, and ac motor although overcame dc motor of the a

23、bove-mentioned drawback but speed is very difficult, but with ac frequency conversion technology development, through the inverter to change the frequency of the alternating current, which chang</p><p>　　Key

24、words: three-phase asynchronous motor, encoders, Siemens S7-300 transducer.</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的意義</p><p>　　在電力系統(tǒng)中，以電動機為主電力傳動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防軍事以及日常

25、生活中，其中很多場合有調(diào)速要求，如車輛、天梯、空調(diào)、機床及造紙機械等，而風(fēng)機、水泵等位了節(jié)約電能同樣也需要調(diào)速。電力傳動系統(tǒng)的控制性能和節(jié)能水平越來越被人們重視，變頻調(diào)速技術(shù)恰好能夠使電力系統(tǒng)的控制性能和節(jié)能水平有較大的幅度的提高，這一點已經(jīng)被大家所公認。在實際應(yīng)用中，電動機作為把電能轉(zhuǎn)化成機械能的主要設(shè)備，一是要具備較高的轉(zhuǎn)換效率；二是能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體要求控制和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。電動機的調(diào)速性能對提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)效率

26、和節(jié)能有著直接的關(guān)系。為了更精確和實時地控制電動機的轉(zhuǎn)速及運行，需要為電動機配上控制裝置（如PLC）和反饋裝置（如編碼器）。由電動機、控制裝置和反饋裝置就構(gòu)成了電力傳動自動控制系統(tǒng)。</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)朝智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放式結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。本設(shè)計也將把現(xiàn)場總線通信與變頻控制技術(shù)統(tǒng)一起來，對該電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行組態(tài)監(jiān)控，將推動交流電機群控制技術(shù)以及設(shè)備遠程控制技術(shù)的發(fā)展。Profibus作為一

27、種通用的現(xiàn)場總線，已經(jīng)得到很廣泛的應(yīng)用，很多廠商的工控器、plc、變頻器、智能I/O與A/D模塊具備profibus通訊接口。用Profibus總線控制電動機的調(diào)速，能更加精確的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，從而提高電動機的效率。同時，通過該設(shè)計，回顧大學(xué)知識，作為進入社會的一次實踐，提高我們對知識的應(yīng)用能力。</p><p>　　1.2 電動機調(diào)速發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　電動機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展實

28、際上是依賴電力電子技術(shù)、計算機控制、現(xiàn)代控制理論和逆變技術(shù)以及交流電動機制造技術(shù)的發(fā)展。智能控制理論的應(yīng)用和電力電子器件的技術(shù)、計算機控制技術(shù)的迅速更新是推動電機調(diào)速系統(tǒng)不斷進步的動力。電機調(diào)速是目前電力電子技術(shù)應(yīng)用的最大領(lǐng)域之一，具有極強的吸引力，同時也具有較強的挑戰(zhàn)性。它的市場大，據(jù)報道，全球大約有100億以上各種電機在工作。2006年我國空調(diào)的產(chǎn)量已達到5500萬臺，僅此一項說明市場已非常龐大；另外，其應(yīng)用領(lǐng)域及其廣泛，例如數(shù)控機

29、床、電梯、電力機車、家用電器、汽車、航空航天、船舶、造紙和紡織行業(yè)等。直流電機由于其轉(zhuǎn)矩便于控制，因此它作為調(diào)速電動機的代表在20世紀的大部分年代廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。雖然直流調(diào)速系統(tǒng)的理論和實踐應(yīng)用比較成熟，但由于電動機的單機容量、最高轉(zhuǎn)速及負載能力等主要技術(shù)指標(biāo)受機械轉(zhuǎn)向制約，限制了直流調(diào)速的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型器件和先進的控制方法在電機調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，很多場合直流電機正逐漸被交流電動機所代替，因此有的學(xué)者認為

30、，在二十一世紀，直流電機將會在電氣傳動領(lǐng)域消失，而異步電動機和其它類型的交流電動機的應(yīng)用范圍將逐步</p><p>　　從前面的敘述我們可以看出，與直流電機相比，異步電機具有適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、容易實現(xiàn)高速和大容量化等特點，因此未來電機調(diào)速傳動領(lǐng)域，將以異步電動機等交流電機為主。而我們要研究的就是如何使交流電機的轉(zhuǎn)速調(diào)速精度高、輸出性能最佳。</p><p>　　1.3 變頻調(diào)速

31、國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 國內(nèi)現(xiàn)狀</p><p>　　我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國各類在用電機中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達國家50年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統(tǒng)節(jié)能方

32、面的投入將高達500億元左右，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求?，F(xiàn)在，我國有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。隨著改革開放，經(jīng)濟高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進的產(chǎn)品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國際上先進的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用外國進口和合資企業(yè)的先進設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為

33、國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)，在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和研究上取得了很大的成績。但應(yīng)看到，由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴仍很嚴重。很多國內(nèi)生產(chǎn)制造的產(chǎn)品（如家電）還是與國外的產(chǎn)品有著一定的差距，究其原因還是我</p><p>　　1.3.2 國外現(xiàn)狀</p><p>　?。?）市場有大量需求隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應(yīng)

34、用在冶金、機械、石油、化工、紡織、造紙、食品等各個行業(yè)以及風(fēng)機、水泵等節(jié)能場合，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。  （2）功率器件發(fā)展迅速變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。近年來，高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT 以及智能模塊IPM (IntelligentPower Module) 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。  （3）控

35、制理論和微電子技術(shù)的支持在現(xiàn)代自動化控制領(lǐng)域中，以現(xiàn)代控制論為基礎(chǔ)，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新的控制理論為高性能變頻調(diào)速提供了理論基礎(chǔ)；16 位、32 位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，則為實現(xiàn)變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了硬件手段。</p><p>　　1.4 課題研究的主要工作</p><p>　?。?）本文主要研究電動機閉環(huán)

36、調(diào)速控制，根據(jù)變頻調(diào)速原理，設(shè)計控制系統(tǒng)，使電動機的調(diào)速更精確、簡單、快速。</p><p>　?。?）研究編碼器在電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計好的控制系統(tǒng)用s7-3編程實現(xiàn)控制。</p><p>　?。?）對控制方案進行組態(tài)監(jiān)控，確定其可行性和系統(tǒng)運行情況。</p><p>　　2 電動機的調(diào)速原理及方法</p><p>　　2.1 異進電

37、動機的簡介與分類</p><p>　　異步電機運行時，定子繞組接到交流電源上，轉(zhuǎn)子繞組自身短路，由于電磁感應(yīng)的關(guān)系，在轉(zhuǎn)自繞組中產(chǎn)生電動勢、電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以，異步電機又叫感應(yīng)電機。</p><p>　　異步電動機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、運行可靠、價格低、堅固耐用、運行效率較高且適用性強，缺點是功率因數(shù)較差。異步電機運行時，必須從電網(wǎng)里吸收滯后性的無功功率，它的功率因數(shù)總是小

38、于1。但電網(wǎng)的功率因數(shù)可以別的方法進行補償，所以并不妨礙異步電機的廣泛使用。目前，異步電動機的電力拖動已被廣泛地應(yīng)用在各個工業(yè)電氣自動化領(lǐng)域中。</p><p>　　異步電動機的種類很多，從不同角度看，有不同的分類。例如：</p><p>　　（1）按定子相數(shù)分，有單相、兩相、三相異步電動機。</p><p>　?。?）按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分，有繞線式異步電動機和鼠籠式異步電

39、機。其中鼠籠式異步電動機又包括單鼠籠異步電動機、雙鼠籠異步電動機及深槽式異步電動機。</p><p>　?。?）按有無換向器分，有無換向器異步電動機和換向器異步電動機。</p><p>　　2.2 三相異步電動機的工作原理</p><p>　　三相異步電動機工作原理如下分析：當(dāng)向三相定子繞組中通過入對稱的三相交流電時，就產(chǎn)生了一個以同步轉(zhuǎn)速n1沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作

40、順時針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。由于旋轉(zhuǎn)磁場以n1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始時是靜止的，故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（感應(yīng)電動勢的方向用右手定則判定）。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢方向基本一致的感生電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。電磁力對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　通過

41、上述分析可以總結(jié)出電動機工作原理為：當(dāng)電動機的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相對稱交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。</p><p>　　2.3 異步電動機調(diào)速</p><p>

42、;　　2.3.1 調(diào)速原理</p><p>　　調(diào)速即速度調(diào)節(jié)或速度控制，是通過改變電動機的參數(shù)、結(jié)構(gòu)或外加電氣量（如供電電壓、電流的大小或頻率）來改變電動機的速度，以滿足工作機械的要求。調(diào)速要靠改變電動機的特性曲線來改變。如圖2-1（a）中工作機械即負載特性曲線為線ML,通過調(diào)速裝置改變的電動機特性曲線為線M1、M2、和M3與線ML的交點分別為點1、2、3，于此相對應(yīng)的角速度為φ1、φ2和φ3，亦即電動機將有不

43、同的角速度值，實現(xiàn)調(diào)速。與此相反，不改變電動機的特性，而靠改變負載轉(zhuǎn)矩雖也可以使速度變化，如圖2-1（b）中負載轉(zhuǎn)矩由ML1增加到ML2、ML3雖也可以使電動降速，但這不是調(diào)速，而屬于擾動，一般是不希望的，并且是要實現(xiàn)穩(wěn)速所要克服的重要問題。</p><p>　?。╝）調(diào)速時的特性曲線 （b）負載變化時的特性曲線</p><p>　　2--1電動機調(diào)速變化

44、曲線</p><p>　　2.3.2 電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-2示出電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要組成部分。電動機M是以一定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速帶動工作機械運動的受控對象，其主要空置量是定子側(cè)電壓U1、電流I1、頻率f1或磁通Φ1，或者轉(zhuǎn)子側(cè)電壓U2、電流I2、頻率f2或磁通Φ2。其輸出量為轉(zhuǎn)矩M或角速度φ。變流裝置將具有一定電壓、電流和頻率的電源能量變換為具有可調(diào)電壓、可調(diào)電流或

45、可調(diào)頻率電源能量的功率裝置，起電能變換和控制作用。調(diào)節(jié)裝置用于按照一定規(guī)律控制變流裝置能量的流動，通過硬件或軟件產(chǎn)生滿足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系統(tǒng)的靜態(tài)性能。反饋裝置用以檢驗和變換反饋信號。在電動機調(diào)速系統(tǒng)中主要反饋量有電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁通和轉(zhuǎn)子位置角等。控制裝置時根據(jù)給定信號和反饋信號產(chǎn)生所需要的控制指令和偏差信號。</p><p>　　在要求不很高的場合，沒有反饋裝置而采用開環(huán)控制，但前

46、提是電機本身應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性和可調(diào)性。</p><p>　　圖 2-2 電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.3.3 三相異步電動機的調(diào)速方法</p><p>　　三相異步電動機轉(zhuǎn)速公式為： </p><p>　　n=60f/p(1-s) (2-1)

47、 </p><p>　　從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可太到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動機的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)兩種。 </p><p>　　在生產(chǎn)機械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動機的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變

48、同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對數(shù)的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無換向電動機調(diào)速等。 </p><p>　　從調(diào)速時的能耗觀點來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速指時轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動機、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法（如串級調(diào)速等）。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶

49、合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。</p><p>　　（1）變極對數(shù)調(diào)速方法 </p><p>　　這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機定子極對數(shù)達到調(diào)速目的，特點如下：</p><p>　　a具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；</p><p>

50、　　b無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速；</p><p>　　c可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。 </p><p>　　本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，如金屬切削機床、升降機、起重設(shè)備、風(fēng)機、水泵等。</p><p><b>　?。?）變頻調(diào)速方法</b&

51、gt;</p><p>　　變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點：</p><p>　　a效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；</p><p>　　b應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機； </p

52、><p>　　c調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護檢修困難。 </p><p>　　本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。</p><p>　　(3)串級調(diào)速方法 </p><p>　　串級調(diào)速是指繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉(zhuǎn)差，達到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產(chǎn)生

53、附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級調(diào)速可分為電機串級調(diào)速、機械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點為：</p><p>　　a可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機械上，效率較高；</p><p>　　b裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70％－90％的生產(chǎn)機械上；</p>

54、<p>　　c調(diào)速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產(chǎn)；</p><p>　　d晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。 </p><p>　　本方法適合于風(fēng)機、水泵及軋鋼機、礦井提升機、擠壓機上使用。</p><p>　　(4)繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 </p><p>　　繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機

55、的轉(zhuǎn)差率加大，電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級調(diào)速，機械特性較軟。</p><p>　　(5)定子調(diào)壓調(diào)速方法 </p><p>　　當(dāng)改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電

56、動機難以應(yīng)用。為了擴大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴大穩(wěn)定運行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1以上的場合應(yīng)采用反饋控制以達到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。 </p><p>　　調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點： </p&

57、gt;<p>　　a調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實現(xiàn)自動控制；</p><p>　　b調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。</p><p>　　調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機械。</p><p>　　(6)電磁調(diào)速電動機調(diào)速方法 </p><p>　　電磁調(diào)速電動機由籠型電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵磁電

58、源（控制器）三部分組成。直流勵磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵磁電流的大小。 </p><p>　　電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。電樞和后者沒有機械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動。電樞與電動機轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱主動部分，由電動機帶動；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負載軸對接稱從動部分。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時，如勵磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對N、S極性交替的磁

59、極，其磁通經(jīng)過電樞。當(dāng)電樞隨拖動電動機旋轉(zhuǎn)時，由于電樞與磁極間相對運動，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速N1，這是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速方式，變動轉(zhuǎn)差離合器的直流勵磁電流，便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電磁調(diào)速電動機的調(diào)速特點： </p><p>　　a裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運行可靠、維修方便； </p><p>　

60、　b調(diào)速平滑、無級調(diào)速； </p><p>　　c對電網(wǎng)無諧影響； </p><p>　　d速度失大、效率低。 </p><p>　　本方法適用于中、小功率，要求平滑動、短時低速運行的生產(chǎn)機械。</p><p>　　3 電動機的閉環(huán)變頻調(diào)速原理</p><p>　　3.1 電動機變頻調(diào)速技術(shù)</p>&

61、lt;p>　　20世紀70年代后，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。 </p&

62、gt;<p>　　1.交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性 </p><p>　　(1)調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。 </p><p>　　(2)調(diào)速范圍較大，精度高。</p><p>　　(3)起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。</p><p>　　(4)變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。

63、 </p><p>　　(5)易于實現(xiàn)過程自動化。 </p><p>　　(6)必須有專用的變頻電源，目前造價較高。 </p><p>　　(7)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能力大為降低。 </p><p>　　2.與其它調(diào)速方法的比較 </p><p>　　交流電動機的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和

64、變頻調(diào)速。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。這里僅就交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)做一比較。 </p><p>　　在直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于直流電動機具有電刷和整流子，因而必須對其進行檢查，電機安裝環(huán)境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。此外，也限制了電機向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。而交流電機就不存在這些問題，主要表現(xiàn)為以下幾點： </p><p>　　第一，直流電機的單機容量一般為12-1

65、4MW，還常制成雙電樞形式，而交流電機單機容量卻可以數(shù)倍于它。 </p><p>　　第二，直流電機由于受換向限制，其電樞電壓最高只能做到一千多伏，而交流電機可做到6-10kV。</p><p>　　第三，直流電機受換向器部分機械強度的約束，其額定轉(zhuǎn)速隨電機額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到一千多轉(zhuǎn)，而交流電機的達到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)。第四，直流電機的體積、重量、價格要比同等容量的交流電機大

66、。最后，特別要指出的是交流調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面有著很大的優(yōu)勢。一方面，交流拖動的負荷在總用電量中占一半或一半以上的比重，這類負荷實現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。另一方面，交流拖動本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機時往往留有一定余量，電機又不總是在最大負荷情況下運行；如果利用變頻調(diào)速技術(shù)，輕載時，通過對電機轉(zhuǎn)速進行控制，就能達到節(jié)電的目的。</p><p>　　工業(yè)上大量使用風(fēng)機、水泵、

67、壓縮機等，其用電量約占工業(yè)用電量的50%；如果采用變頻調(diào)速技術(shù)，既可大大提高其效率，又可減少10%的電能消耗。 </p><p><b>　　3.合理應(yīng)用 </b></p><p>　　交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應(yīng)用。美國有60%-65%的發(fā)電量用于電機驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了15%-20%的電量。 </p>

68、<p>　　采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個因素： </p><p>　　(1)變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。 </p><p>　　(2)電機總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 </p><p>　　(3)可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊。 </p><p>　　在采用變頻調(diào)速時

69、，需從工藝要求、節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。如果僅從工藝要求、節(jié)約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調(diào)速較有利： </p><p>　　根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)線或單臺設(shè)備需要按程序或按要求調(diào)整電機速度的。如：包裝機傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制準(zhǔn)確，并易于實現(xiàn)程序控制。 </p><p>　　用變頻調(diào)速代替機械變速。如：機床，不

70、僅可以省去復(fù)雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿足程序控制要求。 </p><p>　　用變頻調(diào)速代替用閘門或擋板調(diào)整流量適于風(fēng)機、水泵、壓縮機等。例如：鍋爐上水泵、鼓風(fēng)機、引風(fēng)機實行了變頻調(diào)速控制，不僅省去了伺服放大器、電動操作器、電動執(zhí)行器和給水閥門（或擋風(fēng)板），而且使得整個鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到了快速的動態(tài)響應(yīng)、高的控制精度和穩(wěn)定性。 </p><p><b>　　3.2變頻器&

71、lt;/b></p><p>　　3.2.1變頻器的功用及原理</p><p>　　將頻率固定（通常為工頻50Hz）的交流電（三相的或單相的）變換成頻率連續(xù)可調(diào)（多數(shù)為0～400Hz）的三相交流電源。圖3-1為三相變頻器的功能示意圖，其輸入端接至頻率固定的三相交流電源，輸出端輸出的是頻率在一定范圍了連續(xù)可調(diào)的三相交流電，直接驅(qū)動三相電動機。</p><p>　

72、　圖 3-1 變頻器的功用 </p><p>　　圖 3-2 交—直—交變頻器的主</p><p>　　此三相變頻器實質(zhì)上是一個三相的交—直—交變化器，其主電路如圖3-2，由圖可見，它有兩個部分組成：交流道直流的變換電路和再由直流回到交流的變換電路。</p><p><b>　　交—直部分：</b></p><p>　　

73、（1）整流管VD1～VD6組成三相整流橋，它將三相交流電源全波整流成脈動直流。</p><p>　?。?）濾波電容器Cf其功能是：</p><p>　　a 濾平全波整流后的電壓紋波；</p><p>　　b 當(dāng)負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。</p><p><b>　　直—交部分：</b></p>&l

74、t;p>　?。?）逆變管V3～V6組成逆變橋，它是變頻器的核心部分，它把V1～V6整流所得的直流電，再“逆變”成頻率可調(diào)的交流電。執(zhí)行時，只要用合適的控制信號分別加在V1～V6六個逆變管上，按照一定的規(guī)律來控制它們的導(dǎo)通與截止，就可以把直流電逆變成三相交流電了。而逆變后的電壓頻率，則可以在上述導(dǎo)通規(guī)律不變的前提下，通過改變控制信號的變化周期來進行調(diào)節(jié)。通過這種辦法，亦即實現(xiàn)了對的改變。</p><p>　　

75、（2）續(xù)流二極管VD7～VD12器主要功能有：a電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量VD7～VD12為無功電路返回直流電源時提供“通道”。b當(dāng)頻率下降、電動機處于再生制動狀態(tài)時，再生電流將通過VD7～VD12返回給直流電路。cV1～V6進行逆變的基本工作過程是，統(tǒng)一橋臂的兩個逆變管，處于不停地交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，也不時需要VD7～VD12提供通路。</p><p>　　3.

76、2.2變頻器容量的確定 </p><p>　　變頻調(diào)速是通過變頻器來實現(xiàn)的，對于變頻器的容量確定至關(guān)重要。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗，比較簡便的方法有三種： </p><p>　　(1)電機實際功率確定發(fā)首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。 </p><p>　　(2)公式法設(shè)安全系數(shù)取1.05，則變頻器的容量Pb為Pb=

77、1.05Pm/hm×cosy(kW) </p><p>　　式中，Pm為電機負載；hm為電機功率。 </p><p>　　計算出Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。 </p><p>　　In為第n臺電動機的額定電流，n為電機的臺數(shù)。在任何情況下，都不能在連續(xù)使用時超過額定電流I。 </p><p>　　(3)電機額定電流法變頻

78、器變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。 </p><p>　　雖然變頻調(diào)速有諸多優(yōu)點，但也有其不利因素，主要問題是電流中含高次諧波較多，除對電網(wǎng)有污染外，也使電

79、機自身增加損耗，引起電機發(fā)熱。</p><p>　　再有，變頻器價格貴、投資回收器長、技術(shù)復(fù)雜、尤其在實現(xiàn)閉環(huán)自動控制時，還需進行技術(shù)處理。 </p><p>　　此外，不是任何情況下變頻器都節(jié)電，如果電機負載變化不大，或深井泵配有水塔，節(jié)電、節(jié)水效果都不大，就不宜使用變頻調(diào)速。</p><p><b>　　3.3 編碼器</b></p&

80、gt;<p>　　3.3.1光電編碼器的介紹及分類</p><p>　　光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面我就這兩種光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。</p><p>　　1、絕對式光電編碼器</p><p>

81、　　絕對式光電編碼器如圖所示，他是通過讀取編碼盤上的二進制的編碼信息來表示絕對位置信息的。編碼盤是按照一定的編碼形式制成的圓盤。編碼盤由透光部分和不透光部分組成，透光的用“0”來表示;不透光的用“1”來表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個碼道表示二進制數(shù)的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。如果編碼盤有4個碼道，每個碼道可以表示二進制的0或1，4位二進制可形成16個二進制數(shù)，因此就將圓盤劃分16個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應(yīng)一個4位二

82、進制數(shù)，如0000、0001、…、1111。</p><p>　　按照碼盤上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤、光敏二極管和驅(qū)動電子線路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時，扇區(qū)中透光的碼道對應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。</p><p>　　2、增量式光電編碼器

83、</p><p>　　增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對脈沖進行加/減計數(shù)，以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。</p><p>　　增量式光電編碼器的工作原理是是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯開90o相位的

84、窄縫，并分別有光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時，鑒向盤不動，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差90o的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計數(shù)脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個零位脈沖，使位置角清零。利用增量式光電編碼器可以檢測電機的位置和速度。</p><p>　　3.3.2光電

85、編碼器的測量方法</p><p>　　光電編碼器在電機控制中可以用來測量電機轉(zhuǎn)子的磁場位置和機械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場和機械位置的變化速度與變化方向。下面就我就光電編碼器在這幾方面的應(yīng)用方法做一下介紹。</p><p>　　1、使用光電編碼器來測量電機的轉(zhuǎn)速</p><p>　　可以利用定時器/計數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號來測量電機的轉(zhuǎn)速。具體的測速方法有M法、T

86、法和M/T法3種。</p><p>　　M法又稱之為測頻法，其測速原理是在規(guī)定的檢測時間Tc內(nèi)，對光電編碼器輸出的脈沖信號計數(shù)的測速方法，如圖2所示，例如光電編碼器是N線的，則每旋轉(zhuǎn)一周可以有4N個脈沖，因為兩路脈沖的上升沿與下降沿正好使編碼器信號4倍頻?，F(xiàn)在假設(shè)檢測時間是Tc，計數(shù)器的記錄的脈沖數(shù)是M1 </p><p>　　圖3-3 M法測速法</p><p>

87、　　在實際的測量中，時間Tc內(nèi)的脈沖個數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個脈沖的誤差。如果要求測量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么M1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測脈沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測時間Tc單考慮到實際的應(yīng)用檢測時間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測量速度用于反饋控制，一般應(yīng)在0.01秒以下。由此可見，減小測量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。</p><p>　　M法測速適用于

88、測量高轉(zhuǎn)速，因為對于給定的光電編碼器線數(shù)N機測量時間Tc條件下，轉(zhuǎn)速越高，計數(shù)脈沖M1越大，誤差也就越小。</p><p>　　T法也稱之為測周法，該測速方法是在一個脈沖周期內(nèi)對時鐘信號脈沖進行計數(shù)的方法，如圖3所示。例如時鐘頻率為fclk,計數(shù)器記錄的脈沖數(shù)為M2，光電編碼器是N線的，每線輸出4N個脈沖。</p><p>　　圖3-4 T方法測速原理</p><p&g

89、t;　　為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測速適用于低速運行的場合。但轉(zhuǎn)速太低，一個編碼器輸出脈沖的時間太長，時鐘脈沖數(shù)會超過計數(shù)器最大計數(shù)值而產(chǎn)生溢出;另外，時間太長也會影響控制的快速性。與M法測速一樣，選用線數(shù)較多的光電編碼器可以提高對電機轉(zhuǎn)速測量的快速性與精度。</p><p>　　M/T法測速是將M法和T法兩種方法結(jié)合在一起使用，在一定的時間范圍內(nèi)，同時對光電編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1和M2

90、進行計數(shù)，則電機每分鐘的轉(zhuǎn)速為</p><p>　　實際工作時，在固定的Tc時間內(nèi)對光電編碼器的脈沖計數(shù)，在第一個光電編碼器上升沿定時器開始定時，同時開始記錄光電編碼器和時鐘脈沖數(shù)，定時器定時Tc時間到，對光電編碼器的脈沖停止計數(shù)，而在下一個光電編碼器的上升沿到來時刻，時鐘脈沖才停止記錄。采用M/T法既具有M法測速的高速優(yōu)點，又具有T法測速的低速的優(yōu)點，能夠覆蓋較廣的轉(zhuǎn)速范圍，測量的精度也較高，在電機的控制中有著

91、十分廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.4 PID控制的基本原理</p><p>　　3.4.1 PID控制概述</p><p>　　當(dāng)今的自動控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的，反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和控制系統(tǒng)的響應(yīng)，反饋理論及其在自動控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確的測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的

92、糾正與調(diào)節(jié)。</p><p>　　在過去的幾十年里，PID控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)，而且許多高級控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。</p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，它的基本原理比較簡單，基本的PID控制規(guī)律可描述為：</

93、p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　PID控制用途廣泛，使用靈活，已有系列化控制器產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（、和）即可。在很多情況下，并不一定需要三個單元，可以取其中一到兩個單元，不過比例控制單元是必不可少的。</p><p>　　在科學(xué)技術(shù)尤其是計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，雖然涌現(xiàn)出了許多新的控制方法，但PID仍因其

94、自身的優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用，PID控制規(guī)律仍然是最普遍的控制規(guī)律。PID控制器是最簡單且許多時候最好的控制器。</p><p>　　在過程控制中，PID控制也是應(yīng)用最廣泛的，一個大型現(xiàn)代化控制系統(tǒng)的控制回路可能達到二三百甚至更多，其中絕大部分都采用PID控制。由此可見，在過程控制中，PID控制的重要性是顯然的。</p><p>　　3.4.2 比例（P）控制</p><

95、p>　　比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入的誤差信號成比例關(guān)系，當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)定誤差。比例控制器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　式中，稱為比例系數(shù)或增益（視情況可設(shè)置為正或負），一些傳統(tǒng)的控制器又常用比例帶（Proportional Band，PB），來取代比例系數(shù)，比例帶是比

96、例系數(shù)的倒數(shù)，比例帶也稱為比例度。</p><p>　　P控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，它對系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上，增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但這會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，在系統(tǒng)校正和設(shè)計中，P控制一般不單獨使用。</p><p>　　具有比例控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-6所示<

97、;/p><p>　　圖3-5具有比例控制器的系統(tǒng)機構(gòu)圖</p><p>　　假定，為單位反饋，如果用MATLAB做出系統(tǒng)在不同的取值下的階躍響應(yīng)曲線，我們就能看出，隨著值的增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，超調(diào)量也隨之增加，調(diào)解時間也隨之增長，而且增大到一定值后，閉環(huán)將趨于不穩(wěn)定。</p><p>　　3.4.3 積分（I）控制</p><p>　　具有積

98、分控制規(guī)律的控制稱為積分控制，即I控制，I控制的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中稱為積分系數(shù) </p><p>　　對一個自動控制系統(tǒng)，如果進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”，積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時

99、間的增加，積分項會增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。</p><p>　　3.4.4 比例微分（PD）控制環(huán)節(jié)</p><p>　　具有比例加微分控制規(guī)律的控制稱為PD控制，PD的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-4） </b></p><p>　　其中，為比例系數(shù)，為微分常數(shù)，與兩者都是可調(diào)的參數(shù)。&

100、lt;/p><p>　　在微分控制中，控制器的輸入與輸出誤差信號的的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分控制反映誤差的變化率，只要誤差隨時間變化時，微分控制才會對系統(tǒng)起作用，而對無變化或緩慢變化的對象不起作用。因此微分控制在任何情況下不能單獨與被控對象串聯(lián)使用，而只能構(gòu)成PD或PID控制。</p><p>　　自動控制系統(tǒng)在客服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)震蕩或者不穩(wěn)定，其原因是由于存在有較大

101、慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差變化的作用“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。</p><p>　　這就是說，在控制中引入“比例”項是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有“比例+微分”的控制器，就能提前使抑制誤差的作用等于零甚至為負值，從而避免被控量的嚴重超

102、調(diào)。因此對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)性。另外，微分控制對純時控制環(huán)節(jié)不能改善控制品質(zhì)而具有放大高頻噪聲信號的缺點。</p><p>　　在實際應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)定值有突變時，為了防止由于微分控制的突跳，常將微分控制環(huán)節(jié)設(shè)置在反饋回路中，這種做法稱為微分先行，即微分運算只對測量信號進行，而不對設(shè)定信號進行。</p><p>　　3.4.5比例積分

103、微分（PID）控制</p><p>　　具有比例+積分+微分控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分控制，即PID控制，PID控制點傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)，三者都是可調(diào)的參數(shù)。</p><p>　　PI控制器與被控對象串聯(lián)連

104、接時，可以使系統(tǒng)的型別提高一級，而且還提供了兩個負實部的零點，與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)點外，還多提供了一個負實部的零點，因此在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面提供了很大的優(yōu)越性，在實際過程中，PID控制器被廣泛使用。</p><p>　　PID控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超調(diào)量，加快反應(yīng)，是綜合了PI與PD控制的長處并去除其短處的控制。從頻域角度看，PID控制通過積分作用于

105、系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p><p>　　3.5 三相異步電動機的閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理分析 </p><p>　　三相異步電機閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由西門子300PLC、變頻器、編碼器、異步電動機等構(gòu)成。通過編碼器測速原理將電機當(dāng)前的轉(zhuǎn)速采集送回給PLC，PLC將該反饋值與預(yù)設(shè)的電機轉(zhuǎn)速進行比較，輸出控制變頻器的大小，從而改變

106、異步電動機定子的頻率，從而改變電動機同步轉(zhuǎn)速，該調(diào)速系統(tǒng)基本上保持了異步電動機固有的機械特性硬度高、轉(zhuǎn)差率小的特點，同時具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑等優(yōu)點。閉環(huán)變頻調(diào)速工作原理圖如圖3-6所示。 </p><p>　　圖3-6閉環(huán)變頻調(diào)速工作原理圖</p><p>　　從原則上講，改變極對數(shù)P，改變轉(zhuǎn)差率s，改變頻率f都可以實現(xiàn)調(diào)速。對異步電機而言，以上三種方式雖都可以采用，但

107、變極對數(shù)的調(diào)速是有級調(diào)速（不能實現(xiàn)平滑調(diào)速），電磁調(diào)速、轉(zhuǎn)子變阻調(diào)速都是耗能型調(diào)速方法，所以只有變頻調(diào)速是最理想的調(diào)速方法。</p><p>　　變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其主要特點：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應(yīng)用范圍廣，可用于籠型

108、異步電動機； 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護檢修困難。</p><p>　　改變定子電源頻率可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)速。又由異步電動機的電勢公式可知外加電壓近似與頻率和磁通的乘積成正比，即</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中，c1為常數(shù)。由此有</p><p>

109、<b>　　（3-7）</b></p><p>　　所以，若外加電壓不變，則磁通隨頻率改變而改變。一般電機在設(shè)計中為了充分利用鐵心材料都把磁通Ф的數(shù)值選在接近磁飽和的數(shù)值上，因此，如果頻率從額定值（通常為50周/秒）往下降低，磁通會增加，將造成磁路過飽和，勵磁電流增加，鐵心過熱，這是不允許的。為此我們要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓能協(xié)調(diào)控制。</p><p&g

110、t;　　在電力電網(wǎng)中應(yīng)用最普遍的是標(biāo)準(zhǔn)系列的普通籠型異步電機和同步電機，這些電機使用變頻器進行變頻調(diào)速是最為合理的，因此變頻調(diào)速是交流調(diào)速中最理想的，最有發(fā)展前途的，也是發(fā)展最快的。</p><p>　　3.6 系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖3-7所示，該系統(tǒng)以PLC控制器為主控制器，通過Ethernet與計算機連接，變頻器通過自帶的通信模塊可以很方便地連接到Prof

111、ibus網(wǎng)絡(luò)上，使用s7-300軟件設(shè)計梯形圖程序，并下載到PLC控制器中，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)控制變頻器，進而實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速。其中，計算機用于系統(tǒng)的監(jiān)控、組態(tài)和編程，EtherNet負責(zé)PLC控制器與計算機之間的通信，而PLC控制器進行順序和傳動控制，通過Profibus網(wǎng)絡(luò)通信模塊將控制器命令傳達給變頻器，同時接受變頻器的狀態(tài)并實現(xiàn)實時反饋信息?？刂瞥绦?qū)⑺俣冉o定值命令信息以控制字的數(shù)據(jù)格式傳給PLC控制器，PLC再對變頻器的輸出進行