畢業(yè)設計（論文）交流底盤測功機設計

1、摘 要交流調速技術經(jīng)過了幾十年的發(fā)展已經(jīng)日趨完善，從80年代起，逐漸打破了原來直流調速一統(tǒng)天下的局面。而交流變頻調速技術在各種異步電動機調速方法中效率最高，性能也最好。隨著電力電子技術，微電子技術和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻器這種成熟的產品也應運而生，在交流電機的轉速和轉矩控制中達到了非常高的精度，完全可以滿足科學研究和工業(yè)生產的要求，在這些領域中也開始發(fā)揮越來越大的作用。交流底盤測功機正是隨著交流變頻調速技術的發(fā)展完善而出現(xiàn)的，本論文對交流底盤測功機系統(tǒng)中的變頻器進行了重點的學習和研究，并且在實驗室搭建了模擬系統(tǒng)，基本上實現(xiàn)了實際交流底盤測功機系統(tǒng)的功能要求。關鍵詞：變頻器，轉速控制，轉矩控制

2、論文類型：應用研究 abstractthe 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 ef

3、ficiency 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

4、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 transd

5、ucer 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 controltype of thesis：application research 目 錄1 緒論 1.1 本論文的任務與意義4 1.2 論文的內容介紹52 交

6、流底盤測功機系統(tǒng) 2.1 測功機系統(tǒng)簡介72.2 摩托車力學分析82.3 系統(tǒng)總體要求192.4 系統(tǒng)信號流程圖及特點213 impact的應用3.1 交流變頻調速技術的回顧233.2 多環(huán)控制交流調速系統(tǒng)243.3 交流變頻調速系統(tǒng)的原理介紹253.4 impact內部的系統(tǒng)簡圖293.5 impact功能端子的使用38電源端子39控制端子40模擬量輸入端子41故障端子43 3.6 實驗室用impact搭建的模擬系統(tǒng)44系統(tǒng)簡圖44轉速信號的獲得和整形45轉矩回饋信號的獲得48三種工作方式的介紹和應用494 regen和plus的使用1 regen簡介502 regen工作方式的選擇513

7、互鎖功能的應用和接線 544 plus簡介和使用565 總結56致謝58參考文獻591第1章 緒 論1.1 畢業(yè)設計的任務和意義我國從80年代開始引進國外的直流底盤測功機系統(tǒng)，同時國內也開始致力于這方面的研究，隨著交流變頻調速技術的發(fā)展，交流底盤測功機也應運而生，但在國內交流底盤測功機仍然是一個空白的領域，我們與寶雞國家摩托車質檢中心聯(lián)合開發(fā)的交流底盤測功機有望填補這個空白。在交流底盤測功機系統(tǒng)中，不僅僅需要有轉速輸出的穩(wěn)定，而且需要有可控的轉矩輸出，還需要對風機的轉速進行控制，以便達到模擬實際車輛測試時的情況，同時要使測功機發(fā)電運行狀態(tài)時的電能能夠安全的反饋回電網(wǎng)，在我們開發(fā)的這套交流底盤測

8、功機系統(tǒng)中，我們使用了美國羅克韋爾自動化公司生產的1336impact, regen, plus三種型號的變頻器。其中impact是最核心的部分，由它構成轉速閉環(huán)系統(tǒng)和轉矩閉環(huán)系統(tǒng)，分別達到轉速和轉矩的穩(wěn)定運行，并且完成兩種系統(tǒng)的協(xié)同工作，同時還要能夠實現(xiàn)下位機通過一定的算法給出的阻力轉矩輸出；plus的功能相對于impact來說較為簡單，它主要是控制風機的轉速，控制信號由測功機的轉速測量結果給定，由于風機轉速要求不高，因此要不要構成轉速閉環(huán)對整個系統(tǒng)的性能影響不大；regen單元主要的任務是給impact和plus供電，因為電網(wǎng)的電能質量不高，為了不對變頻器的供電以及整個系統(tǒng)的工作環(huán)境造成不

9、良影響，因此本系統(tǒng)內部的變頻器采用直流供電，同時regen還要完成的任務就是當測功機工作在發(fā)電狀態(tài)時產生的電能的回饋，不能對電網(wǎng)產生不良影響。為了完成上述的各種功能要求，必須要對羅克韋爾自動化公司生產的1336impact, regen, plus這三種變頻器有比較詳細的了解，對其內部參數(shù)的設置也要進行摸索和反復的試驗，對于一些比較重要的細節(jié)方面的知識還要非常熟悉，只有這樣才能正確的發(fā)揮變頻器的功能用途，使得交流底盤測功機系統(tǒng)的精度得到保證。本論文對交流底盤測功機系統(tǒng)中的1336impact進行了重點的研究和開發(fā)，對另外的regen和plus在系統(tǒng)中的作用和功能也有了較為詳細的了解，由于上述三

10、種變頻器是羅克韋爾公司的成熟的產品，因此本人所作的創(chuàng)造性的工作不多，技術含量也不高，主要的任務是熟悉了解和使用。但是由于自己所做的工作要在實際中應用，因此不僅僅要對原理有清楚的認識，還要學會自己動手搭建變頻器工作的環(huán)境以及必要的調試，而且由于所參考的資料都是英文，所以難度還比較大，這在整個畢業(yè)設計的過程中都有一定的體現(xiàn)，出現(xiàn)過一些遇到難題停滯不前的情況，但是在老師和學長的幫助下，通過自己的努力，最后基本完成了測功機系統(tǒng)所要求的功能，對整個系統(tǒng)的進展做出了一定的貢獻。1.2 論文的內容介紹 本論文首先對交流底盤測功機系統(tǒng)進行了概括性的介紹，然后說明了交流調速系統(tǒng)的基本原理以及分類情況，這些都是為

11、后來工作的進行做一定的準備。具體所做的事情是熟悉并使用羅克韋爾實驗室內部的幾種變頻器設備，實現(xiàn)交流底盤測功機系統(tǒng)所要求的功能，并為變頻器的使用創(chuàng)造一定的條件，論文的具體內容如下：第一章是整個論文的綜合描述，是對這學期畢業(yè)設計的一個概括性介紹，以及自己所做工作的安排情況。第二章簡單介紹了交流底盤測功機系統(tǒng)，并對這個系統(tǒng)的一些特點進行了說明。這是一個實際的項目，雖然在原理上不是很復雜，但是要注意的事情非常多，比較原來的課堂講課和實驗來說還是有一定的困難。第三章是本篇論文的重點，因為impact變頻器是構成整個交流底盤測功機系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)。由于以前對這一類的設備接觸很少，而且由自己一個人獨

12、立完成，缺乏一定的交流和討論，所以在工作的過程中碰到了一些困難， 最終的解決也花費了不少的時間和精力。這章內容先介紹交流調速原理，接著具體到變頻器內部的各個功能模塊的設計和作用，然后介紹了變頻器的各排功能端子的使用情況以及在實驗室內搭建的閉環(huán)系統(tǒng)。第四章對系統(tǒng)內部的regen單元進行了簡單的介紹，因為沒有接觸到具體的設備，只是參閱了有關的資料并進行了一定的整理，但對實際系統(tǒng)功能設置還是起到了較大的作用。還有系統(tǒng)內部的風機控制部分所用到的變頻器plus的介紹，這種變頻器和impact都是使用force技術生產的，基本的功能一致，但是內部設置的參數(shù)有很大程度的不同，而且端子設置也不一樣，因此直接介

13、紹了plus的功能和使用情況。第五章是本論文的總結部分和自己在畢業(yè)設計過程中的心得體會，之后是致謝和一些參考文獻。第2章 交流底盤測功機系統(tǒng)2.1 測功機系統(tǒng)簡介 底盤測功機是進行車輛性能試驗的專用設備。其機械部分主要由測功機，轉鼓，慣性飛輪構成。測功機可以是電渦流測功機，直流電力測功機，交流電力測功機。電力測功機具有優(yōu)良的轉速轉矩特性和高昂的價格。從摩托車行業(yè)來看，八十年代引進的國外的電力測功機都是直流機。九十年代后期交流測功機開始進入中國，從我們了解的情況來看，測功機領域交流機越來越多，直流機越來越少。因此，本項目打算越過直流機直接開始交流機的開發(fā)。 本項目研制的底盤測功機是用于摩托車整車

14、臺架試驗的測試設備。由測功機轉鼓機組，冷卻風機，測功機控制柜，計算機數(shù)據(jù)采集部分，道路阻力設定器，司機助手等幾部分組成。 底盤測功機的機械部分主要有測功機和轉鼓，兩者用彈性連軸結相聯(lián)。沒有慣性飛輪組。車輛進行試驗時，前輪用夾持器固定，使車輛前后不能移動，左右不能偏倒。后輪放在轉鼓上，轉鼓被車輛后輪驅動而轉動，同時帶動測功機旋轉。測功機提供阻轉矩。摩托車后輪在轉鼓上運轉，不考慮兩者之間的滑動，認為是純滾動。車輛的速度就用轉鼓表面的線速度來表示。 底盤測功機的性能好壞與精度可以用許多參數(shù)指標來表示，但是用戶評價主要是看同一車輛在道路試驗（路試）和在底盤測功機上試驗（臺試）的成績相近程度。要想臺試與

15、路試效果一致，必要的條件是：1 車輛（主要是發(fā)動機）的熱狀態(tài)與路試一樣。2 車輛后輪驅動的轉鼓的轉速-轉矩特性與路試的速度-阻力特性一樣。為滿足第一個條件，臺試時在車輛前方安裝一臺風機，風機的出風口足夠大（國際標準規(guī)定出口面積不小于0.4平方米）；風機出口風速始終與轉鼓表面線速度相同。這樣車輛的冷卻效果就與路試一樣了。為滿足第二個條件，測功機必須能模擬車輛在道路行駛的4項阻力：滾動阻力，空氣阻力，加速阻力（也稱慣性阻力），坡度阻力。其中滾動阻力和空氣阻力是速度的函數(shù)，加速阻力是加速度的函數(shù)。為了數(shù)值直觀，在底盤測功機上轉速用轉鼓表面線速度來表示，單位km/h。轉矩用轉鼓表面切向力來表示，單位n

16、。這樣便于臺試數(shù)據(jù)與路試數(shù)據(jù)相對應?，F(xiàn)在的轉鼓直徑530.5mm。這個直徑給測量帶來一些便利，例如當轉速為1000r/min時，表面線速度正好是100.0km/h。2.2 摩托車力學分析摩托車底盤測功機是應用現(xiàn)代電測和計算機技術,利用摩托車在路面行駛中與道路的相對運動關系,將摩托車道路行駛工況(如:道路阻力狀況、行駛慣性等)有效、等量地轉移到摩托車底盤測功機上,即摩托車底盤測功機仿真模擬各項行駛阻力,使摩托車整車的道路試驗項目以及應用工況法測量摩托車排氣污染物排放量等試驗移至室內進行的專用測試設備。摩托車在道路上行駛是摩托車相對靜止的路面運動,而摩托車在底盤測功機上進行臺架動力性試驗是用滾輪(

17、亦稱轉鼓)表面取代路面,并且相對于靜止的摩托車做旋轉運動。摩托車底盤測功機行駛阻力的模擬如何實現(xiàn)、精確度如何保證則是其技術關鍵。這必須從其運動學、動力學入手加以分析。2.2.1摩托車在道路上行駛摩托車行駛在路面上,其發(fā)動機曲軸輸出扭矩,經(jīng)變速傳動系統(tǒng)傳遞給驅動輪,通過輪胎與地面的接觸(摩擦力足夠大時,視為無滑動的純滾動運動)產生驅動力,同時,還受到各種行駛阻力。受力分析如圖2.1。圖2.1摩托車道路行駛受力分析 當驅動力等于行駛阻力時,摩托車做勻速運動;當驅動力不等于(大于或小于)行駛阻力時,摩托車做變速(加速或減速)運動。2.2.1.1摩托車的驅動力摩托車的驅動力是由發(fā)動機曲軸輸出扭矩,經(jīng)離

18、合器、變速傳動系統(tǒng)(降速增扭作用)傳遞給驅動輪足夠大的驅動扭矩,其對地面產生一圓周力(切向力),地面由于附著作用給驅動輪一反作用力(當附著條件即路面接觸強度足夠大時,其與圓周力可視為大小相等、方向相反)即為推動摩托車前進的驅動力。 (n) (1.1)式中: 摩托車的驅動力,(n);驅動輪對地面產生的圓周力(圖2.1中用虛線、箭頭表示),(n);驅動輪上的驅動扭矩,(n);驅動輪工作半徑,();摩托車發(fā)動機曲軸輸出扭矩,(n);一次傳動比;變速器傳動比;二次傳動比;傳動變速系統(tǒng)總傳動效率。2.2.1.2摩托車的行駛阻力摩托車行駛時受到的各種阻力,統(tǒng)稱為行駛阻力。(1)滾動阻力摩托車車輪彈性輪胎在

19、路面上滾動時,來自路面與輪胎接觸面之間的各種阻力,統(tǒng)稱為滾動阻力。由于前、后輪的受力情況不同,故其滾動阻力則不同。在計算滾動阻力時,按整車的滾動阻力考慮。(n) (1.2)式中: 整車的滾動阻力,(n); 摩托車整車基準質量(含駕駛員質量75kg),(kg); 重力加速度,();f 整車滾動阻力系數(shù),其是路面狀況、輪胎結構、充氣壓力、車速、載荷等的函數(shù),; 從動輪的滾動阻力系數(shù);摩托車整車法向載荷,(n);從動輪的法向載荷,(n);驅動輪的滾動阻力系數(shù);驅動輪的法向載荷,(n)。(2)空氣阻力摩托車行駛時,在空氣中運動受到空氣的作用力,稱為空氣阻力。其主要由壓力阻力(即形狀阻力,迎面壓力大于后

20、部壓力)和摩擦阻力(即表面阻力,在摩托車與切向氣流摩擦表面上產生)構成。據(jù)實驗測定,空氣阻力主要是壓力阻力,即:(n) (1.3)式中: 空氣阻力,(n); 空氣阻力系數(shù); 迎風面積,即摩托車(含駕駛員)行駛方向的正投影面積,() 空氣密度,(kg/); 相對速度,(m/s),無風時為摩托車行駛速度。(3)坡度阻力摩托車沿縱向坡路上行駛時,受重力沿坡道分力的作用,稱為坡度阻力。上坡時,坡度阻力與驅動力方向相反;下坡時,兩者方向一致。(n) (1.4)式中: 坡度阻力,(n); 縱向坡度角,()。若按照公路工程技術標準,公路以坡度值即p=tan表示,并取代sin:sintan (1.5)則:=(

21、)可見,用道路的坡度值(以百分數(shù)表示)取代sin時,是在值較小(在小于17時,所帶來的誤差將不超過5%)時;若值較大,則不可如此計算。(4)慣性阻力摩托車變速行駛時,除克服上述阻力外,還需克服其本身質量變速運動的慣性力。其由兩部分組成:平移質量慣性力和旋轉質量慣性力。將其換算到車輪上的等效慣性阻力為:(n) (1.6)式中: 變速行駛,換算到車輪上的總慣性阻力,();質量換算系數(shù);摩托車加速度,();從、驅動輪轉動慣量之和,();從動輪轉動慣量,()驅動輪轉動慣量,()發(fā)動機曲軸部件的轉動慣量 , ()離合器、變速器、二次傳動裝置等旋轉部件的轉動慣量, ();除一次傳動外的傳動效率。圖2.1中

22、, 分別為從動、驅動輪產生的慣性轉矩。2.2.1.3摩托車道路行駛方程據(jù)上述各力在軸上的投影,可得到摩托車的道路變速行駛方程:(n) (1.7) 該式表明了摩托車在坡道上變速行駛時的驅動力與行駛阻力的平衡關系,亦表明了摩托車的動力性能。另外,由于滾動阻力系數(shù)與行駛速度有關,所以滾動阻力、空氣阻力均為車速的函數(shù),在任何條件下均存在,且為正值;而坡度阻力、慣性阻力與車速無關(慣性阻力為加速度的函數(shù)),且在一定條件下(即上坡或下坡、加速或減速)存在,且有正負值。2.2.2摩托車在底盤測功機上行駛摩托車在底盤測功機滾輪上行駛,前輪被夾緊固定,僅驅動輪和滾輪做相對旋轉運動,此時車輛相對滾輪是靜止的,車速

23、為零,而滾輪表面則取代了路面。受力分析如圖2.2。圖2.2摩托車在底盤測功機上行駛受力分析通過對驅動輪在滾輪上變速行駛時的受力分析,可得到摩托車在底盤測功機上的變速行駛方程:(n) (1.8) 式中: 摩托車的驅動力,(n);底盤測功機制動力,(n);底盤測功機滾輪、慣性輪及軸系總摩擦阻力,(n);驅動輪與滾輪間的滾動阻力, (n);驅動輪道路行駛的滾動阻力,(n);驅動輪和發(fā)動機曲軸部件、離合器、變速器、二次傳動裝置等旋轉部件的慣性力換算到車輪上的慣性阻力; (n);滾輪、慣性輪及軸系產生的慣性阻力, (n);滾輪、慣性輪及軸系的轉動慣量,();摩托車驅動輪工作半徑與滾輪半徑之比。2.2.3

24、 底盤測功機模擬摩托車道路行駛方程在底盤測功機上模擬摩托車道路行駛狀況,底盤測功機必須產生相當某車型在道路上行駛時所呈現(xiàn)的、與車速成函數(shù)關系的行駛阻力,即底盤測功機模擬的行駛阻力與道路行駛阻力相等。比較摩托車在道路上和在底盤測功機上的兩行駛方程式(1)和(2),則兩式右邊應相等:即為 (1.9)整理并歸并同類項: (1.10)令上式中兩邊對應項相等,得: (1.11) 由于摩托車驅動輪與滾輪相對旋轉,切點的線速度相等,則: (1.12)即當量模擬質量: (1.13)分析式(1.11)、式(1.13),可得到如下結論,并為其機械設計與程序控制提供了理論基礎:(1)從式(1.11)可見,要使底盤測

25、功機模擬摩托車道路行駛中的慣性阻力,只要使?jié)L輪同軸上所有旋轉部件(包括慣性輪、主軸、聯(lián)軸器、電機軸、扭矩儀等)產生的慣性阻力()等于摩托車整車基準質量和從動輪旋轉質量產生的慣性阻力之和即可。從式(1.12)可見,底盤測功機滾輪軸系的轉動慣量應等于受試摩托車整車基準質量與從動輪當量旋轉質量之和與滾輪半徑平方的乘積;或者講,底盤測功機的當量模擬質量應等于受試摩托車基準質量與從動輪轉動慣量的當量質量之和。(2)從式(1.13)可見,要使底盤測功機模擬摩托車道路行駛中的滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力,只要使底盤測功機的制動力等于路面行駛的滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力之和,減去底盤測功機滾輪、慣性輪及軸系

26、總摩擦阻力和驅動輪與滾輪間的滾動阻力之和即可。2.2.4底盤測功機模擬摩托車道路行駛中的能量守恒和轉換從機械能守恒及轉換考慮,摩托車道路行駛狀態(tài)一定時,就具有一定的能量,即能量是系統(tǒng)狀態(tài)的單值函數(shù)。若實現(xiàn)底盤測功機的仿真模擬摩托車的道路行駛工況,就必須有效、等量地進行能量的轉化,即必須使摩托車路面行駛具有的、并應轉化的能量與底盤測功機旋轉質量的轉動動能相等。摩托車一般采用后輪驅動,在底盤測功機上進行試驗時,后輪在滾輪上做旋轉運動,前輪被夾緊固定。這樣,試驗狀態(tài)與道路狀態(tài)則不同,即摩托車整車基準質量未做直線運動,是靜止的;前輪被夾緊固定,不能同步旋轉。其它,如后輪、發(fā)動機曲軸部件、離合器、變速器

27、、二次傳動裝置等旋轉部件與摩托車道路行駛狀態(tài)相同。這就說明,要使底盤測功機模擬摩托車道路行駛中的慣性阻力,只需將摩托車平移質量的動能、從動輪旋轉質量的轉動動能進行轉換即可。摩托車道路行駛平移質量的動能:() (1.14)摩托車道路行駛從動輪的轉動動能:() (1.15)式中: 摩托車整車基準質量,(kg); 摩托車車速,(m/s);摩托車從動輪轉動慣量,();1摩托車從動輪的角速度,(rad/s)。底盤測功機滾輪、慣性輪及軸系的轉動動能:() (1.16)式中: 滾輪、慣性輪及軸系的轉動慣量,(2);滾輪、慣性輪及軸系的角速度,(/)。據(jù)上述,則: (1.17)z (1.18)因驅動輪與滾輪切

28、點的線速度相等,則有: (1.19)代入上式并整理: (1.20)2.3 系統(tǒng)總體要求轉鼓1）尺寸 530.5*300mm2）材質 45號鋼 光滑表面3）最大載荷 200kg測功機1）形式 交流異步測功機 原始參數(shù) 參考型號 yjt200l1-6 銘牌功率 18.5kw 銘牌電流 41.5a 額定轉矩 176.6n.m2）絕緣等級 f級3）防護方式 ip444）冷卻方式 外部強制空氣冷卻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）最高轉速 1400r/min(140km/h)8）慣量模擬范圍

29、140-250kg 機械慣量（固定） 150kg 電氣慣量（可變） -10-100kg 慣量最小增量 1kg9）測功機冷卻風機 風機形式：離心式 電機功率：0.2kw 風量： 1800/h10）測功機運轉方式 轉速控制（asr） 轉矩控制（atr） 自動道路負荷（alr）控制方式：變頻轉速-轉矩控制，4象限運行，直流母線并接。報警保護類型：變頻器過電壓，欠電壓，過電流，溫度過高，超速，超負荷，缺相等。冷卻風機1） 風機形式： 離心式2） 驅動電機：型號 yjt180l-4標稱功率 22kw標稱電流 46.8a額定轉矩 140.9n.m3）最大風量： 42000/h4）出口面積： 0.4（640

30、*640mm）5）最大風速： 105km/h（出風口0.5m處）6）工作方式： 手動調節(jié)，自動跟蹤車速7）控制方式： 變頻速度控制，與測功機直流母線并接。測量顯示部分：計算機p800 ram128m hdd20gcrt：17英寸 分辨率：1280*10242.4 系統(tǒng)信號流程圖及特點 圖2.3 系統(tǒng)信號流程圖此圖為本系統(tǒng)粗略的信號圖，大體分為三大模塊：一是上位機和下位機部分，起著協(xié)調整個系統(tǒng)工作的能力，包括上位機測量結果的顯示，下位機的測量項目及對測量結果的計算和處理，上位和下位之間的通信還有對一些外部控制信號進行處理并給到相應的設備上去，可以說這一部分是整個系統(tǒng)的大腦，直接關系到整個系統(tǒng)的精

31、度。二是變頻器和信號調理電路部分，這是系統(tǒng)的主要軀干，是系統(tǒng)的執(zhí)行中樞，從下位機和plc過來的控制信號及模擬量信號在這里被執(zhí)行，帶動轉股運轉，給出精確的阻力矩，信號調理電路對信號進行處理，防止環(huán)境的干擾，提高信號的精度，這一部分工作的好壞也對整個系統(tǒng)有很重要的影響。三是控制臺和plc部分，這部分可以說是系統(tǒng)的外表，要求控制步驟簡單明了，界面可視化程度高，plc要很好的完成工作方式的轉換以及對報警信號的處理。以上針對信號流程圖簡單的介紹了系統(tǒng)各個部分的功能，每一個部分都是構成系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)，因此必須要認真細致的對待。第3章 impcat變頻器的應用隨著交流調速性能的不斷提高，原來需要精確調速的直

32、流系統(tǒng)正被逐漸的替代，而在交流調速方法中，又以變頻調速為主要的發(fā)展方向，因為變頻調速是一種轉差功率不變型的調速方法，效率高，性能好，以下內容以介紹多環(huán)控制交流調速系統(tǒng)分類以及變頻調速原理為主。3.1 交流變頻調速技術的回顧直流調速系統(tǒng)和交流調速系統(tǒng)在19世紀中先后誕生。到了 1 9世紀末，出現(xiàn)了三相電源和結構簡單、堅固耐用的交流鼠籠型電動機以后，交流電動機才在不需要調速的領域代替了直流電動機傳動裝置。隨著生產的不斷發(fā)展，速度可調成了傳動裝置的一項基本要求，并且除了滿足一定的調速范圍和連續(xù)可調的同時，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。交流調速系統(tǒng)的方案雖然早已有多種發(fā)明并得到實際應用，但其

33、性能卻始終無法與直流調速系統(tǒng)相匹敵。而直流電機雖然可以滿足這些要求，但它在容量、體積、制造、成本、運行和維護方面都不及交流電機，所以長期以來人們一直希望能開發(fā)出交流調速電動機以代替直流電動機。50年代末，隨著晶閘管 (scr)的面市，電力電子器件登上了現(xiàn)代科技舞臺，靜止可控整流直流調速成了調速系統(tǒng)中的主力軍。促進了交流調速技術的應運而生并迅速取代了直流調速，其中交流串級、變極調速等均因具有一定節(jié)電效果而得到應用。二十世紀70年代初葉，席卷世界先進工業(yè)國家的石油危機，迫使一些大的集團公司投入大量的人力和財力去研究高效高性能的交流調速系統(tǒng)，期望用它來節(jié)約能源。經(jīng)過十年左右的努力，到80年代大見成效

34、，一直被認為是天經(jīng)地義的交直流拖動的分工格局被逐漸打破，高性能交流調速系統(tǒng)應用的比重逐年上升。在各個工業(yè)部門中用可調速交流拖動系統(tǒng)已經(jīng)開始逐漸取代直流拖動系統(tǒng)。到 80年代中期，由于第三代電力電子器件如門極可關斷晶閘管 gto、巨型晶體管gtr、金屬氧化物半導體場效應晶體管mosfet、絕緣柵雙極晶體管 igbt的出現(xiàn)，研制開發(fā)出了把功率等級不同的驅動、保護、自我檢測、功率輸出集于一體的變頻調速產品，使交流電機調速技術取得了突破性進展，調速技術面貌煥然一新。近年來，由于控制理論、微電子技術和高達 1 0 0 0 0 a/ 80 0 0 v以上 scr、gto的開發(fā)以及串、并聯(lián)技術的應用，促進了

35、高壓、高功率、高精度、多功能、智能化的變頻調速產品的發(fā)展，如美國的 a- b公司已開發(fā)生產出電壓為 2 40 0 v、330 0 v、41 6 0 v、6 6 0 0 v、6 90 0 v，功率達 1 0 0 0 0 k w的 scr變頻器。此外，日本的富士、三菱、東芝、安川、日立，美國的 ge，歐洲的西門子、abb、brush等公司也都有類似產品上市。這些高精度、多功能、智能化的產品進一步擴大了變頻器的應用領域。目前，在世界范圍內變頻調速技術的發(fā)展趨勢是：多種控制策略的應用；微機數(shù)字控制；控制系統(tǒng)硬件的集成化；向高頻化大容量進軍；“綠色”電力電子變換器。3.2 多環(huán)控制交流調速系統(tǒng)一般來說，

36、采用轉速負反饋和pi調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差，但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，此時如果能充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持轉矩電流為允許的最大值，是電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又讓電流立即降低下來，是轉矩馬上與負載相平衡，從而進入穩(wěn)態(tài)運行。轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)就可以解決這個問題。雖然不能達到理想的電流波形，但相對于單環(huán)系統(tǒng)有了非常大的進步，無論是在直流還是在交流調速系統(tǒng)中都獲得了廣泛的運用。3.3 交流變頻調速系統(tǒng)的原理介紹 在多種交流調速運行方式中，變頻調速優(yōu)于

37、以往任何一種交流調速方式 (如調壓調速、變極調速、串級調速和滑差電機調速等)，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電動機調速技術。它采用微機控制技術、電力電子技術和電機傳動技術實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機的無級調速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。3.3.1 交流變頻調速的特點與優(yōu)勢交流變頻調速系統(tǒng)由電力半導體變流器、電動體、控制、檢測四部分組成。這四部分相互依存，共同作用，實現(xiàn)交流驅動的高精度、使用方便、低轉矩脈動、低噪音、無傳感器、小型化等性能指標。在現(xiàn)代的可控電氣傳動系統(tǒng)中,幾乎無一例外的要用電力電子變換器,為傳動電機提供可控的直流或交流電流，并成為用弱電控制強電的媒介

38、。在弱電的控制裝置中，也幾乎都采用微處理器數(shù)字控制。因此，微處理器-電力電子變換器-電動機便成為現(xiàn)代可控電氣傳動系統(tǒng)的典型構成。交流電機變頻調速系統(tǒng)的種類很多，從 60年代提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型、脈寬調制型等各種變頻器。目前變頻調速的主要方案有：交-交變頻調速 ,交-直-交變頻調速，同步電動機自控式變頻調速系統(tǒng)，正弦波脈寬調制(spwm)變頻調速，矢量控制變頻調速等。這些變頻調速技術的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導體器件的制造水平。隨著電力電子技術的發(fā)展，特別是可關斷晶閘管 gto、電力晶體管 gtr、絕緣門極晶體管 igbt及 mos晶閘管 mtc等具有自關斷能力全控功

39、率元件的發(fā)展，再加上控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微機控制，從而使變頻裝置的快速性、可靠性及經(jīng)濟性不斷提高。交流變頻調速的優(yōu)異特性具體表現(xiàn)如下：1 .調速時平滑性好,效率高。低速時,特性靜差率較高,相對穩(wěn)定性好。2 .調速范圍較大,精度高。3 .起動電流低,對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊,節(jié)電效果明顯。4 .變頻器體積小,便于安裝、調試、維修簡便。5 .易于實現(xiàn)過程自動化。6 .必須有專用的變頻電源,目前造價較高。7 .在恒轉矩調速時,低速段電動機的過載能力大為降低。3.3.2 交流變頻調速系統(tǒng)的控制策略除了電力電子器件制造技術的發(fā)展外，基于電力電子電路的新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代

40、控制理論向電氣傳動領域的滲透，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使交流電機變頻調速從電壓/頻率比值恒定控制法、轉差頻率控制法發(fā)展到矢量控制法，使交流電機瞬時轉矩的控制得以實現(xiàn)，它可完成加速度、速度和位置等各種控制。交流電機調速技術正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。交流變頻控制技術主要有：相位控制、vvvf（變壓變頻）控制、滑差頻率控制、pwm（脈寬調制）控制、直接轉矩控制、矢量控制、磁場定向控制和微機控制。為了取代直流調速，提高控制性能并降低成本，各種變壓變頻控制策略得到了很大的發(fā)展，新的控制策略不斷涌現(xiàn)。根據(jù)調速的要求配以各種控制技術，就可得到所需的變頻調速系統(tǒng)，目前常見的調速系統(tǒng)有

41、：l 轉速開環(huán)電壓頻率協(xié)調控制這是最簡單的變壓變頻控制策略，轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)采用恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)膮f(xié)調控制。其結構簡單，成本較低，但調速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能都不高，用于不要求快速調節(jié)、調速要求不高或沒有高動態(tài)性能要求的一般的交流調速場合，輸出能較好的跟蹤控制信號，但對負載擾動無法校正。由于它不含有電流控制，起動時必須具有給定積分環(huán)節(jié)（算法），以抑制電流沖擊，積分時間數(shù)可視具體要求來調整。l 轉速閉環(huán)轉差頻率控制轉速閉環(huán)控制能改善穩(wěn)態(tài)性能，只有對轉矩進行控制才能提高系統(tǒng)的動態(tài)品質。轉差頻率控制方式既是在氣隙磁通幅值保持恒定的條件下（基頻以下調速），通過控制轉差角頻率，達到控制轉矩的目的。

42、在動態(tài)過程中系統(tǒng)能夠以最大轉矩加、減速，保證了在允許條件下的快速性，系統(tǒng)的動態(tài)性能得以提高。轉速閉環(huán)、轉差頻率控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能較轉速開環(huán)、電壓頻率協(xié)調系統(tǒng)的性能有很大提高。但其基本控制規(guī)律仍是從電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型中得到的，保持氣隙磁通幅值恒定不變也僅在穩(wěn)態(tài)時成立。因此，其動態(tài)性能與直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)相比，仍存在一定差距。l 矢量控制自70年代初，德國人提出“感應電機磁場定向控制原理”，美國人提出“定子電壓坐標變換控制”，經(jīng)過不斷改進和完善，至今已形成高性能的矢量控制系統(tǒng)。其基本思想是：通過矢量變換和磁場定向，實現(xiàn)定子電流轉矩分量與勵磁分量的解耦，得到類似直流電機的動態(tài)數(shù)學模型，然后模擬

43、直流電機進行控制，獲得良好的動、靜態(tài)性能。目前較為成熟的方法有：定子磁場定向矢量控制，轉子磁場定向矢量控制和滑差頻率矢量控制等，其中以直接磁場定向矢量控制較為突出。但應用于無速度傳感器調速系統(tǒng)上還需從理論上和實踐上加以完善。l 無速度傳感器矢量控制原理 高動態(tài)性能的交流傳動系統(tǒng)都需要轉速閉環(huán)控制，所需要的轉速反饋信號來自與電機同軸的速度傳感器。為了獲得準確而且可靠的轉速信號，速度傳感器必須經(jīng)過精確的安裝和妥善的維護，在條件不好的工業(yè)現(xiàn)場上常常不易做到。此外，在低速時要獲得準確無干擾的轉速信號也并非易事。因此，取消速度傳感器而仍能獲得良好的控制性能，便成為眾所矚目的研究與開發(fā)課題。rockwel

44、l公司的1336 系列就屬于這種變頻器。異步機的無速度傳感器矢量控制，顧名思義是沒有速度傳感器；但該矢量控制系統(tǒng)仍能達到力矩和速度的控制性能指標。無速度傳感器矢量控制變頻器既具有矢量控制高性能的優(yōu)點，又具有通用變頻器沒有速度傳感器的長處。在進行矢量控制時如何獲得速度信號成為無速度傳感器矢量控制的技術關鍵。無速度傳感器控制系統(tǒng)的獲得速度信號的辦法是用直接計算、參數(shù)辨識、狀態(tài)估計、間接測量等手段，從電機定子邊較易測量的定子電壓、定子電流中計算出與速度有關的量，從而得到轉子速度，并將其運用到速度反饋控制系統(tǒng)之中。 圖3.1 無傳感器矢量控制原理圖1首先，在系統(tǒng)中設定了電流限，可以實現(xiàn)過載的保護功能。

45、2利用轉差估計器和指定速度，計算出指定頻率。3利用電流分解器分解電流為轉矩電流4電壓/頻率比值恒定，計算出電壓幅值；利用轉矩電流和頻率計算出電壓的相位，從而對電壓矢量進行控制，最后發(fā)出控制門極的信號給逆變器實現(xiàn)了矢量控制。在控制過程中，實現(xiàn)了以電壓/頻率方式為基礎的沒有速度傳感器的矢量控制。3.3.4 impact內部的系統(tǒng)簡圖圖3.2 impact內部系統(tǒng)簡圖impact內部是按照無傳感器矢量控制原理進行設計的，當然由于impact是一個成熟的產品，因此可以供用戶選擇工作方式，也可以工作在編碼器回饋方式下。每一個功能模塊簡單介紹如下：l 速度參考控制模塊(speed reference co

46、ntrol)在這個模塊中，有幾種不同的速度參考，分別是速度參考17（speed reference17）以及點動速度12（jog speed12）參考，可以預先設定不同的值，也可以連接不同的外部模擬量輸入，內部有邏輯狀態(tài)控制字（logic input sts）來區(qū)別。對于7種速度參考來說是靠邏輯狀態(tài)控制字的12，13，14位來區(qū)別，對于2種點動速度和7個速度參考來說是靠邏輯狀態(tài)控制字的2和6位來區(qū)別的。表3.1 速度參考選擇位通過這個模塊可以預先設置電機起動的速度（start dwell speed），也就是可以命令電機從某一個速度開始加速，而不是必須從零速起步，也可以設置電機在啟動速度上的駐

47、留時間(start dwell time)。在impact中有三種不同的停止命令：分別是滑坡（coast），電流限制（current limit），正常（normal），通過選擇邏輯狀態(tài)控制字的0，7，8位來控制，他們的區(qū)別是停止的快慢，以電流限制最快，滑坡最慢，而正常制動可以設置制動時間。在這里還涉及到制動/減速方法的選擇，對電動機來說，可以選擇動力剎車（dynamic braking）需要外部的制動設備，母線控制（bus regulator）限制由regen單元提供的母線電壓，勵磁剎車（flux braking）通過增大勵磁來增加電機的損耗，直流剎車（dc braking）通過加大直流電流

48、來增加電機的損耗，這幾種方式是在母線/制動選項（bus/brake options）參數(shù)中的位6，9，10來選擇的。 還由一些附加的功能，比如可以通過參數(shù)設置來選擇電機的旋轉方向以及正反轉的速度限制。這里需要提及的一點是雖然在試驗的過程中，我對變頻器正反轉的速度最大值進行了限制，但是由于外部的模擬量給定有時超出了范圍，電機在短時間內速度飛快提升導致超速，所以得知這個最大速度限制功能僅僅對內部的速度參考有用處，對外部的模擬量沒有控制作用。l process trim控制（process trim control）從速度參考選擇模塊出來的是速度給定信號，在到達速度pi調節(jié)器之前經(jīng)過process

49、trim模塊進行調整。按照基本原理的敘述，應該是速度參考和速度反饋直接進入pi調節(jié)模塊形成負反饋，這里的用途就我的理解來說,是利用process trim來達到給輸入量加偏置值的作用，是將一個小的閉環(huán)加在大的閉環(huán)上，這樣就相當于使未進pi調節(jié)器的輸入量給定已經(jīng)被修正了一次，可以達到更好的精度，而且這個偏置值也可以加在轉矩給定上，有一定的可選擇性。process trim原理如圖： 圖3.3 ptrim原理圖process trim是通過參數(shù)ptrim select來進行設置的，相應的位對應相應的功能：將0位置位表示修正速度參考，將1位置位表示修正轉矩參考，將6位置位表示process trim

50、過程使能。至于其他的幾種功能由于沒有使用，在這里不做過多的說明。值得介紹的是交流底盤測功機系統(tǒng)并不是把process trim作為輸入量參考的修正值來使用的，而是直接利用ptrim reference作為轉矩的參考，利用ptrim feedback作為轉矩回饋值，構成轉矩閉環(huán)，以期得到較穩(wěn)定的轉矩輸出值。因為交流底盤測功機需要兩個相互比較獨立的閉環(huán)，在兩個閉環(huán)之間還有切換，而這兩個閉環(huán)只在一個變頻器中形成，因此對于轉矩只能夠形成單環(huán)，就我的理解，精度并不是很高。在ptrim的參數(shù)中還有一個最高和最低輸出的限制，在轉矩方式下工作的時候，由于高于5ptrim output的值都很快的導致電機超速，

51、有一種原因是反饋信號比較慢，另外一種原因是ptrim內部的pi調節(jié)器參數(shù)設置的不合適，最終能夠很好的響應的數(shù)值是：表3.2 ptrim用于轉矩方式數(shù)據(jù) 參數(shù) 設置值ptrim ki(parameter 54) 0.5 ptrim kp(parameter 55) 1.0ptrim preload(parameter 53) 0 ptrim lo limit(parameter 58) -5.0%ptrim hi limit(parameter 59)5.0%l 轉速回饋控制模塊（speed feedback control）在這個模塊中主要解決的是回饋方式的選擇以及濾波器使用的問題，相對簡單一

52、些。在回饋方式的選擇上，有編碼器（encoder），無編碼器（encoderless），電機仿真（motor simulation）三種方式，由于我們目前的交流電機上自帶有羅克韋爾公司的編碼器，因此我們使用的是第一種方式。關于濾波器選擇，由于我們所作的項目對帶寬和增益沒有特殊的要求，因此我們使用的是變頻器出廠時設置的默認濾波器，對于一般的編碼器回饋信號足以滿足要求。通過fdbk filter sel參數(shù)可以選擇所使用的濾波器類型，具體見下表： 表3.3 濾波器信號表l 轉速pi調節(jié)模塊（speed pi regulator）impact變頻器把速度參考和從電機回饋的速度值進行比較，得出一個差值，然后將這個差值送入pi調節(jié)器，pi調節(jié)器用內部參數(shù)kp和ki來調整被送到電機進行控制的轉矩參考值，以期達到給定值相對應的速度，可以用下圖表示： 圖3.4 速度調節(jié)模塊圖在這個模塊中，最重要的是ki和kp參數(shù)值的選擇，要根據(jù)具體的