調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)

第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)4.1調(diào)速系統(tǒng)分類(lèi)和系統(tǒng)指標(biāo)調(diào)速即速度控制，指在傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中人為或自動(dòng)地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械對(duì)不同轉(zhuǎn)速的要求。從機(jī)械特性上看，就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法米改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變它與工作機(jī)械特性的交點(diǎn)，改變電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度。調(diào)速指令通過(guò)人工設(shè)置或經(jīng)上級(jí)控制器設(shè)置，調(diào)速系統(tǒng)按設(shè)定值改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。4.1.1調(diào)速的分類(lèi)4.1.1.1開(kāi)環(huán)調(diào)速和閉環(huán)調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速給定被設(shè)置后不能自動(dòng)糾正轉(zhuǎn)速偏差的調(diào)速方式稱為開(kāi)環(huán)調(diào)速；具有自糾偏能力，能根據(jù)轉(zhuǎn)速給定和實(shí)際值之差自動(dòng)校正轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載、電網(wǎng)波動(dòng)及環(huán)境溫度變化而變化的調(diào)速方式稱為閉環(huán)調(diào)速。4.1.1.2無(wú)級(jí)調(diào)速和有級(jí)調(diào)速無(wú)級(jí)調(diào)速又稱為連續(xù)調(diào)速，指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以平滑調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)為轉(zhuǎn)速變化均勻，適應(yīng)性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)調(diào)速自動(dòng)化，因此在工業(yè)裝置中被廣泛應(yīng)用。有級(jí)調(diào)速又稱為間斷調(diào)速或分級(jí)調(diào)速。它的轉(zhuǎn)速只有有限的兒級(jí)，調(diào)速范圍有限，且不易實(shí)現(xiàn)調(diào)速自動(dòng)化。數(shù)字控制的調(diào)速系統(tǒng)，由于速度給定被量化后是間斷的，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)屬有級(jí)調(diào)速，但由于級(jí)數(shù)非常多，級(jí)差很小，仍認(rèn)為是無(wú)級(jí)調(diào)速。4.1.1.3向上調(diào)速和向下調(diào)速在額定工況(施加額定頻率的額定電壓、帶額定負(fù)載)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)速，也稱為基本轉(zhuǎn)速或基速。從基速向提高轉(zhuǎn)速方向的調(diào)速稱為向上調(diào)速，例如直流電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速；從基速向降低轉(zhuǎn)速方向的調(diào)速稱為向下調(diào)速，例如直流電動(dòng)機(jī)的降壓調(diào)速。4.1.1.4恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速在調(diào)速過(guò)程中，在流過(guò)固定電流(電動(dòng)機(jī)發(fā)熱情況不變)的條件下，若電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)短維持恒定值不變，則稱這種調(diào)速方式為恒轉(zhuǎn)短調(diào)速。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的功率與轉(zhuǎn)速成正比。在流過(guò)周定額定電流的條件下，若電動(dòng)機(jī)輸出的功率維持額定值不變，則稱這種調(diào)速方式為恒功率調(diào)速。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比.以直流電動(dòng)機(jī)為例，忽略電動(dòng)機(jī)電樞內(nèi)阻壓降后，近似認(rèn)為電動(dòng)機(jī)電壓U=C.n,電動(dòng)φ是磁通；1足電樞電流)。若調(diào)速時(shí)維持磁通為額定值不變，通過(guò)改變電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，則額定電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也維持額定值不變，功率與轉(zhuǎn)速成正比，這種調(diào)速方式是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；若調(diào)速時(shí)維持電壓不變，通過(guò)改變磁通調(diào)速，則磁通與轉(zhuǎn)速成反比，相應(yīng)額定電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率不變，這種調(diào)速方式是恒功率調(diào)速。第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)281恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速方式的選擇應(yīng)與生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載類(lèi)型相配合，參見(jiàn)第2章2.1節(jié)。如果恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式用于恒功率類(lèi)型的負(fù)載，電動(dòng)機(jī)功率需按最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速之積來(lái)選擇，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)功率比負(fù)載功率大許多倍(恒功率負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在最低速，高轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩最小，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積遠(yuǎn)小于最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速之積)。如果電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍和負(fù)載要求的恒功率范圍-致，電動(dòng)機(jī)容量最小。如果負(fù)載要求的恒功率范圍大，電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍受到機(jī)械和電氣條件的限制不能滿足時(shí)，只能適當(dāng)放大電動(dòng)機(jī)容量，增大調(diào)速系統(tǒng)的恒功率調(diào)速范圍。4,1.2.1穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度是轉(zhuǎn)速給定值n與實(shí)際值n之差△n的相對(duì)值(%),其基值為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速ng。在計(jì)算△n時(shí)，要考慮三個(gè)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變化的因素：(1)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化(從空載至額定轉(zhuǎn)矩T);(2)環(huán)境溫度變化(±10℃);(3)供電電網(wǎng)電壓變化(-5%～+10%)。4.1.2.2靜差率和調(diào)速范圍靜差率又稱為轉(zhuǎn)速變化率，是指在某一設(shè)定轉(zhuǎn)速下，負(fù)載由空載(≤0.1Tm)到額定負(fù)載(T、)變化時(shí)，空載轉(zhuǎn)速n。與額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速n之差的相對(duì)值(%),其基值足n(見(jiàn)圖4-1)。靜差率與調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越??；另外，靜差率還與工作轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大。調(diào)速范圍又稱為調(diào)速比，是指在符合規(guī)定的靜差率條件下，電動(dòng)機(jī)從最高轉(zhuǎn)速nm到最低轉(zhuǎn)速n的轉(zhuǎn)速變化倍數(shù)(見(jiàn)圖4-2)。調(diào)速范圍和靜差率兩項(xiàng)指標(biāo)不是相互孤立的，必須同時(shí)提出才有意義。4.1.2.3穩(wěn)速精度穩(wěn)速精度足指在規(guī)定的電網(wǎng)質(zhì)量和負(fù)載擾動(dòng)條件下，按給定轉(zhuǎn)速在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間T內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，每隔一定時(shí)間間隔t。測(cè)量一次轉(zhuǎn)速平均值，取其中的最大值n.和最小值nu,穩(wěn)速精度值(%)按下式計(jì)算(見(jiàn)圖4-3):282電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)4.1.2.4轉(zhuǎn)速分辨率在數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速設(shè)定值被量化后，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)調(diào)速是有級(jí)的。轉(zhuǎn)速分辨率是指相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速設(shè)定之差△n’的相對(duì)值(%),其基值是最高轉(zhuǎn)速設(shè)定值n,即轉(zhuǎn)速分辨率取決于數(shù)字控制器的位數(shù)。4.2模擬控制和數(shù)字控制調(diào)速裝置的控制系統(tǒng)分兩大類(lèi)：模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。模擬控制系統(tǒng)基于模擬控制器件，在這類(lèi)控制系統(tǒng)中，所有控制量的采集(采樣)、各功能塊之間的信息交換，以及它們的計(jì)算、控制、輸出等功能的執(zhí)行都是連續(xù)的、并行進(jìn)行的，故又稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。數(shù)字控制系統(tǒng)基于數(shù)字控制器件，其核心是處理器，在這類(lèi)控制系統(tǒng)中，一個(gè)處理器要完成人量的任務(wù)，在一定時(shí)間內(nèi)又只能做一件事，所以這些任務(wù)必須分時(shí)中行執(zhí)行，把原本是連續(xù)的任務(wù)間斷成每隔一定時(shí)間(周期)執(zhí)行一次，故又稱為離散控制。早期的控制系統(tǒng)都是模擬系統(tǒng)，近年來(lái)隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)正逐步取代模擬系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)的特點(diǎn)是：(1)精度高，速度快、存儲(chǔ)量大，有強(qiáng)大的計(jì)算、調(diào)節(jié)和邏輯判斷功能，可以實(shí)現(xiàn)許多過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高級(jí)復(fù)雜的控制方法，獲得快速、精密的控制效果。(2)可以設(shè)計(jì)統(tǒng)…的硬件電路和基礎(chǔ)軟件，由應(yīng)用者編寫(xiě)應(yīng)用軟件來(lái)滿足不同的控制系統(tǒng)要求，既標(biāo)準(zhǔn)，又靈活，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、升級(jí)提供方便，可靠性高。(3)有強(qiáng)大的診斷、報(bào)警、數(shù)據(jù)處理及數(shù)字通信功能.為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、集中控制和中央計(jì)算機(jī)調(diào)度管理提供了條作。兩種控制系統(tǒng)的原理、環(huán)節(jié)和框圖基本相同，本手冊(cè)在論述各種調(diào)速方法的原理時(shí)，不特指是模擬還是數(shù)字系統(tǒng)，但在介紹調(diào)速方法的實(shí)現(xiàn)時(shí)，則以數(shù)字系統(tǒng)為主。本節(jié)介紹從模擬控制過(guò)渡到數(shù)字控制的-些共性問(wèn)題，各類(lèi)數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的具體問(wèn)題將在隨后章節(jié)中介紹。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，把原本是連續(xù)的任務(wù)間斷成每隔一定時(shí)間(周期)執(zhí)行…次，稱之為離散。每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)都先采集輸人信號(hào)，這個(gè)周期稱為采樣周期。原本是連續(xù)變化的系統(tǒng)被離散后，每個(gè)周期只能在采樣瞬間被測(cè)量和控制，其他時(shí)間不可控，這樣必然給系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)帶來(lái)影響，合理選擇采樣周期是數(shù)字控制的關(guān)鍵之…。采樣周期分為兩類(lèi)：固定周期采樣和變周期采樣。采樣周期T為固定值的均勻采樣是固定周期采樣。數(shù)字控制系統(tǒng)一般都采用周定周期采樣。采樣周期越長(zhǎng)，處理器就能做更多的事，但對(duì)系統(tǒng)性能影響越大。采樣周期的選擇應(yīng)該第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)283是在不給性能帶米大影響的前提下，選擇盡可能長(zhǎng)的時(shí)間。采樣時(shí)間T與系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系受采樣定理的約束。香農(nóng)采樣定理：如果采樣時(shí)間T小于系統(tǒng)最小時(shí)間常數(shù)的1/2,那么系統(tǒng)經(jīng)采樣和保持后，可恢復(fù)系統(tǒng)的特性。采樣定理告訴我們，要想采樣信號(hào)能夠不失真地恢復(fù)原來(lái)的連續(xù)信號(hào)，必須使采樣頻率f(f=1/T)大于系統(tǒng)頻譜中最高頻率的兩倍。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能可用開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性M(dB)=f(w)來(lái)表征。由于控制對(duì)象存對(duì)應(yīng)的頻率范圍通常稱之為頻帶寬，再高的頻率對(duì)系統(tǒng)的影響可忽略。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于2倍最大頻率，即f≥wma/π(4-6)式中wmx--M≥-3dB或-6dB所對(duì)應(yīng)的頻率。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際αa不知道，f按預(yù)期的wm,選取，一個(gè)處理器要處理的任務(wù)很多，它們變化的快慢相差很大，如果按變化最快的變量來(lái)選取采樣頻率，將極大地浪費(fèi)處理器的能力，所以通常為一個(gè)處理器規(guī)定幾種采樣周期，以適應(yīng)變化快慢不同的任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)方便，這些采樣周期按2*倍選取(N=0,1,2,3…,正整數(shù))。在圖4-4中示出不同周期任務(wù)的工作情況，最基本的周期是To,處理器每隔T,接收一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，最快的任務(wù)選用T?=T,周期，它被優(yōu)先執(zhí)行；在T任務(wù)執(zhí)行完后，空余的時(shí)間里執(zhí)行選用T?=2T。周期的任務(wù)；依此類(lèi)推，在選用T,、T?周期的任務(wù)執(zhí)行完后，再執(zhí)行選用T?=4T。周期的任務(wù)。為不既誤某些緊急任務(wù)(例如故障、警告等)的執(zhí)行，處理器在接到中斷信號(hào)后，馬上中斷正在進(jìn)行的周期性任務(wù)，優(yōu)先執(zhí)行該中斷任務(wù)。電力變流器中的器件(晶閘管、IGBT等)都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，只有開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻是可控的，其他時(shí)問(wèn)不可控；數(shù)字控制器也是斷續(xù)工作的，如果它發(fā)出控制信號(hào)的時(shí)間不合適，恰好在器件已完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作之后，器件對(duì)控制的響應(yīng)將推遲一個(gè)周期，帶來(lái)附加滯后。為避免附加滯后，希望采樣周期與器件工作周期同步，且在軟件設(shè)計(jì)時(shí)把控制安排在輸出觸發(fā)脈沖之前。有些變流器的工作周期是變化的，例如常用的6脈波相控整流，穩(wěn)態(tài)時(shí)工作周期固定為300Hz,但在暫態(tài)，周期則是變化的，觸發(fā)延遲角前移時(shí)，周期縮短，后移時(shí)，則加長(zhǎng)。這樣的系統(tǒng)若還采用固定周期采樣，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步，帶來(lái)附加滯后，因此都改用變周期采樣，用觸發(fā)脈沖作為采樣周期啟動(dòng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同步。4.2.2連續(xù)變量的量化系統(tǒng)中，許多被控量都是連續(xù)變化的連續(xù)變量，例如電壓、電流、轉(zhuǎn)速等。在數(shù)字系統(tǒng)中，需要先將它們量化為不連續(xù)的數(shù)字量，才能進(jìn)行計(jì)算和控制。連續(xù)量的量化也是數(shù)字控制與模擬控制的重要區(qū)別之一。量化時(shí)，兩個(gè)相鄰數(shù)之間的信息被失去，影響系統(tǒng)精度。如 何合理量化，使失去的信息最少，對(duì)精度影響最小，是數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的又一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在選定處理器和存儲(chǔ)器硬件后，二進(jìn)制數(shù)字量的位數(shù)就確定了，現(xiàn)在一般為16位或32位，以后可能64位。合理量化就是如何合理選擇變量當(dāng)量，即規(guī)定數(shù)字量“1”代表變量的什么值。當(dāng)量的選取要考慮兩個(gè)因素：(1)使系統(tǒng)中所有變量都有相同的精度，都能充分利用數(shù)字量位數(shù)資源。(2)盡量減少控制和計(jì)算中由當(dāng)量選取帶來(lái)的變換系數(shù)。從上述原則出發(fā)，在通用的數(shù)字控制器中，當(dāng)量都按百分?jǐn)?shù)(%)規(guī)定，百分?jǐn)?shù)基值(分母)為該變量的最大值，例如額定電壓、最大工作過(guò)載電流、最高轉(zhuǎn)速等。為充分利用數(shù)寧量位數(shù)資源，規(guī)定去掉一個(gè)符號(hào)位的數(shù)為200%(留100%調(diào)節(jié)裕量),這樣100%為“位數(shù)-2”對(duì)應(yīng)的數(shù)。以16位數(shù)為例，100%對(duì)應(yīng)2“=16384,全部數(shù)的范圍是±200%,對(duì)應(yīng)±25=±32768。在系統(tǒng)計(jì)算中，使用相對(duì)值時(shí)無(wú)計(jì)量單位，并可去掉許多公式中的比例系數(shù)。按上述方法規(guī)定當(dāng)量，同時(shí)使用相對(duì)值，將使控制和計(jì)算中的變換系數(shù)最少，也不容易出錯(cuò)。有些設(shè)計(jì)者選取當(dāng)量往往從方便記憶和換算出發(fā)，喜歡選較整的值作為當(dāng)量，輕易規(guī)定“1”代表多少“V”、“A”或“r/min”,結(jié)果給控制和計(jì)算增添了許多變換系數(shù)，還使數(shù)字量的位數(shù)資源得不到充分利用，所以用測(cè)量值定義當(dāng)量是不可取的。為適應(yīng)上述標(biāo)定方法，在控制器的輸人端都有信號(hào)標(biāo)定模塊(增益可標(biāo)定的放大器),把從傳感器來(lái)的基值信號(hào)都變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓(10V或5V),再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入數(shù)字控制器，在控制器中，將不再出現(xiàn)帶計(jì)量單位的量。數(shù)字控制的調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和角位置等量主要用增量式脈沖編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器(Re-solver)來(lái)測(cè)量。編碼器適用范圍廣泛，在數(shù)字調(diào)速控制裝置中，通常都設(shè)有編碼器信號(hào)輸入1t,在裝置中經(jīng)硬件和軟件將這連續(xù)變化信號(hào)量化，本節(jié)介紹編碼器信號(hào)的量化方法。旋轉(zhuǎn)變壓器主要用于伺服系統(tǒng)，它的量化用專(zhuān)用集成電路實(shí)現(xiàn)，在本章4.4.2.3節(jié)中介紹。編碼器信號(hào)接1不一定都接編碼器，有時(shí)其他信號(hào)，例如鎖相信號(hào)等，也利用這個(gè)接口輸入，它們的量編碼器與電動(dòng)機(jī)軸相連，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)、便發(fā)出定數(shù)量的脈沖，數(shù)字控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖的頻率和周期進(jìn)行測(cè)量，便可算出轉(zhuǎn)速值。編碼器的輸出有A、R兩組互差90°的方波脈沖(見(jiàn)圖4-5)、用以判別旋轉(zhuǎn)方向：正轉(zhuǎn)時(shí)，位置角λ增大，在脈沖B前沿出現(xiàn)時(shí)，A=1轉(zhuǎn)速值為正；反轉(zhuǎn)時(shí)，位置角λ減小，在脈沖B前沿出現(xiàn)時(shí)，A=0,轉(zhuǎn)速為負(fù)。把一組脈沖前后沿微分，再通過(guò)或門(mén)合成，可獲得2倍頻脈沖，把2組都微分再經(jīng)或門(mén)綜合得4倍頻，見(jiàn)圖4-6。每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，測(cè)量精度越高，編碼器制造越麻煩，因此在控制器的編碼器輸入端通常都接有倍頻電路，以減少每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)而獲取較高的精度，倍頻倍數(shù)為1、2或4任選。用編碼器脈沖信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)速有三種方法：測(cè)頻法(M法),測(cè)周期法(T法),測(cè)頻率和周期法(M/T法)。M法通過(guò)用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一個(gè)采樣周期中的編碼器脈沖個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速值，低速時(shí)，一個(gè)采樣周期中的編碼器脈沖個(gè)數(shù)少，精度差。T法通過(guò)用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)兩個(gè)編碼器脈沖之間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速值，高速時(shí)，兩個(gè)編碼器脈沖之間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)少，精度也差。單獨(dú)使用上述兩法中的任何一種方法都不能滿足高精度要求，只有同時(shí)使用方向信姆方向信姆兩種方法才能在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都獲得高精度，這就是M/T法。M/T法用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)計(jì)數(shù)器(N?)計(jì)數(shù)一個(gè)采樣周期T中的編碼器脈沖個(gè)數(shù)m,,同時(shí)通過(guò)用另一個(gè)計(jì)數(shù)器(N?)計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)的方法算出m.個(gè)編碼器脈沖持續(xù)的時(shí)間T=m?T,(T。為編碼器脈沖周期),然后用T?代替采樣周期T計(jì)算轉(zhuǎn)速，從而獲得高精度。第k周期的轉(zhuǎn)速為f:——標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率；mzx—與T對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘脈沖個(gè)p——倍頻后的編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(脈沖數(shù)/r)。為了使轉(zhuǎn)速采樣與系統(tǒng)采樣同步，在每個(gè)采樣周期開(kāi)始時(shí)能算出上一周期的轉(zhuǎn)速值。安計(jì)數(shù)器N,在第k周期開(kāi)始時(shí)清零，到周期結(jié)束時(shí)有mx個(gè)編碼器脈沖被計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器N?在每個(gè)編碼器脈沖來(lái)時(shí)清零，到第k-1周期結(jié)束、第k周期開(kāi)始時(shí)(t=kT),有△m?x-,個(gè)時(shí)鐘脈沖被計(jì)可以證明，只要m?r≥21?,則轉(zhuǎn)速分辯率△n%≤1/2'?(二進(jìn)制14位分辨率)。M/T法存在最低轉(zhuǎn)速限制，限制條件為：在一個(gè)采樣周期T中，至少有一個(gè)碼盤(pán)脈沖(m?≥1),最低轉(zhuǎn)速m(r/min)為pe——未倍頻的編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(p=xp。)。286電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)nan,必須加大p.或T。4.2.3.2角位置測(cè)量則nma=7.5r/min;當(dāng)n<nmu時(shí)，測(cè)量輸出為0。若想降低把M/T法中每個(gè)周期測(cè)得的m;值累加起來(lái)，便得角位置信號(hào)mi.x——第k周期的m,值。(1)λ值應(yīng)在-π~+π之間，若按式(4-111)算出的值超出這個(gè)范圍，就要加或減2π;(2)在開(kāi)始計(jì)數(shù)前設(shè)置初始位置角λ?;(3)為避免誤差積累，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，當(dāng)編碼器同步脈沖信號(hào)7脈沖出現(xiàn)時(shí)，需將原算出的λ值清除，重新設(shè)置λ值，再按式(4-11)累加。4.2.4電壓、電流等模擬量的量化在數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)中，需要測(cè)量電壓、電流等量。把由傳感器測(cè)得的連續(xù)變化的模擬量變換成數(shù)字量的量化方法有兩類(lèi)：瞬時(shí)值法和平均值法。4.2.4.1瞬時(shí)值法每個(gè)采樣周期采樣模擬量一次，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(ADC),得到采樣時(shí)刻的數(shù)字量。在調(diào)速系統(tǒng)中，通常有多個(gè)模擬量需要采集和量化，可用一個(gè)主要由多路轉(zhuǎn)換電子開(kāi)關(guān)(MUX)、采樣保持器(S/H)和A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成的模擬量采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖4-8,根據(jù)采集模擬信號(hào)的數(shù)量，MUX的輸入通道數(shù)可為4、8或16等。號(hào)，再經(jīng)ADC量化成數(shù)字量。模擬信號(hào)4N的離散和量化過(guò)程見(jiàn)圖4-9。整個(gè)采集系控制二邏輯統(tǒng)可做在一個(gè)集成芯片上，某些控制用信號(hào)二控制處理器芯片本身就帶有這類(lèi)采集系統(tǒng)，瞬時(shí)值采樣方法簡(jiǎn)單，但只適用于模擬量比較平滑場(chǎng)合。如果模擬量信號(hào)圖4-8模擬量采集系統(tǒng)中含有較大的紋波，所測(cè)瞬時(shí)值不能代表實(shí)際電壓、電流的大小；若信號(hào)采集前先用濾波器濾去紋波，將帶來(lái)滯后，并導(dǎo)致交流量相移?，F(xiàn)有A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)已達(dá)16位、20位或更高，但受走線、溫度變化及環(huán)境電磁場(chǎng)的影晌，通用工業(yè)數(shù)字控制器的A/D轉(zhuǎn)換的精度一般只能做到0.1%~0.05%,即只有10或11位二進(jìn)制數(shù)字有效，后面幾位都是噪聲。盡管數(shù)字處理器的位數(shù)可能是16位或32位，它使得使用模擬最作為設(shè)定和反饋的數(shù)字控制系統(tǒng)的精度只有0.1%～0.05%。4.2.4.2平均值法A/D轉(zhuǎn)換器輸出值為被測(cè)量值在一個(gè)采樣周期T中的平均值。這類(lèi)轉(zhuǎn)換多用于采集含有第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)287時(shí)，誤差最小，故這類(lèi)轉(zhuǎn)換器常與電力變流器同步工作。實(shí)現(xiàn)平均俏采樣的方法有…種：1.多次采樣用快速中多次采樣和量化，在每個(gè)采樣周期求一次平均值。若多次采樣和量化的操作由主CPU控制和完成，太占時(shí)間資源，通常用專(zhuān)門(mén)硬件或子處理器來(lái)2.V/F/D變換法先用V/F變換，把模擬信號(hào)變換為頻率與輸入電壓成比例的脈沖信號(hào)(V/F變換),出數(shù)寧量(F/D變換),它對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣周期的平均值，V/F/D變換的另一特點(diǎn)是易實(shí)現(xiàn)被測(cè)電為了能反映模擬信號(hào)A的極性，給V/F變換規(guī)定一個(gè)中心頻率f,在f=f?,例如規(guī)定f?=60kHz,則圖4-10V/F/D變換電路范圍時(shí)，應(yīng)使最低輸出頻率遠(yuǎn)大下信號(hào)中的紋波頻率V/F/D變換中的F/D變換用本章4.2.3.1節(jié)中介紹的M/T法，只要計(jì)數(shù)器的位數(shù)夠，就如何實(shí)現(xiàn)高精度V/F變換，是整個(gè)V/F/D變換的關(guān)鍵，它的精度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖的精度，在通常的Y/F變換器中，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖來(lái)自單穩(wěn)觸發(fā)器，受電阻、電容精度限制，雖電阻精度可高達(dá)0.1%～0.01%;但電容精度低，要達(dá)到1%已難做到。在V/F/D變換中，宜使用同步V/F變換器，以時(shí)鐘脈沖作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖，精度高，例如采用AD652芯片，它的變換精度與電容無(wú)關(guān)。3.E/△變換法≥△變換法的核心是2/△調(diào)制器。它的輸出是一串0和1的方波脈沖，在-…個(gè)測(cè)量周期中，1脈沖的總寬度與測(cè)量周期T之比(平均占空比)和輸人的模擬量成比例見(jiàn)圖4-11,再用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一個(gè)周期中的1脈沖的總寬度，得到這個(gè)周期被測(cè)模擬量平均圖4-11三/△調(diào)制器的輸入和輸出S/△變換原理框圖見(jiàn)圖4-12。它主要出△調(diào)制器和同步計(jì)數(shù)器兩部分組成。/△調(diào)制器是一個(gè)由積分器1,和I?、比較器及!位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。288電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)X:.X:.C器-N—N2圖4-12E/△變換器原理框圖1位D/A轉(zhuǎn)換器輸出X?的波形與≥△調(diào)制器輸出Xs相同，是一串0和1方波，但1信號(hào)的幅值被限定為+5V。若某時(shí)刻X?=OV<X(t)(模擬輸入),X?>0,積分器I,輸出增大，X?>0,積分器I?輸出X,增大，到X?>Um及時(shí)鐘脈沖(CLK)來(lái)時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出X?由0變1,相應(yīng)X?也由0V變?yōu)?5V,導(dǎo)致X?<0和X?<0,X?減小，到X?<Umm及時(shí)環(huán)，使輸出X?變成一串方波。如果測(cè)量周期T>>時(shí)鐘脈沖周期T,積分器l?和I?的輸入X?和X、在一個(gè)測(cè)量周期T中的平均值應(yīng)等于OV,所以輸出Xs和X?的平均占空比與輸入模擬量成比例。同步計(jì)數(shù)器按照時(shí)鐘脈沖和信號(hào)Xs的狀態(tài)工作，每當(dāng)時(shí)鐘脈沖米時(shí)，若Xs=1,則計(jì)數(shù)器加1,若Xs=0,則不加，到周期結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器中的數(shù)代表了輸人模擬量在該周期的平均值。信號(hào)X,是方波脈沖信號(hào)，易通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)隔離。4.2.5模擬和數(shù)字調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，用以實(shí)現(xiàn)特定的傳遞函數(shù)運(yùn)算。常用的調(diào)節(jié)器有三種：比例積分(PI)調(diào)節(jié)器(含比例P調(diào)節(jié)和積分I調(diào)節(jié))、慣性比例(PT)調(diào)節(jié)器和慣性微分(DT)調(diào)節(jié)器。本節(jié)介紹它們的傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及模擬和數(shù)字實(shí)現(xiàn)。模擬實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)算放大器，數(shù)字實(shí)現(xiàn)基于處理器的實(shí)時(shí)運(yùn)算。4.2.5.1比例積分(PI}調(diào)節(jié)器P5調(diào)節(jié)器應(yīng)用最廣泛，它由輸入信號(hào)綜合、比例(P)、積分(I)及限幅四部分組成，實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)運(yùn)算、框圖及動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形見(jiàn)式(4-11)和圖4-13。b)圖4-13PI調(diào)節(jié)器的框圖及動(dòng)態(tài)響應(yīng)第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)289PI調(diào)節(jié)器的模擬實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖4-14,由圖4-17得圖4-18是一個(gè)完整的數(shù)字PT調(diào)節(jié)器框圖。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PI調(diào)節(jié)功能用下式計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)：式中KP——調(diào)節(jié)器比例系數(shù)輸入量(KP設(shè)定值);T——調(diào)節(jié)器積分時(shí)問(wèn)常數(shù)輸入量(T、設(shè)定值);k——第k周期的計(jì)算值；T——采樣周期；W1、W2—-給定量；X1、X2——反饋量。除完成1:述計(jì)算功能外，一個(gè)完整的數(shù)字調(diào)節(jié)器還有一些其他的輔助輸入、輸出量和二進(jìn)制控制功能門(mén)，見(jiàn)圖4.15。圖中的輔助輸入、輸出量門(mén)是：YP一比例調(diào)節(jié)輸出最；YI—積分調(diào)節(jié)輸出量；QU和QL—Y達(dá)到限幅值的狀態(tài)輸出信號(hào)(二進(jìn)制);SV—積分初始值輸入量，注：圖中引腳符號(hào)(W1、W2、Y、YI、…),當(dāng)用正體表示時(shí)為端子符號(hào)，當(dāng)用斜體表示時(shí)為物理量符號(hào)。圖中的二進(jìn)制控制功能口為：290電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)EN——使能(調(diào)節(jié)器投入或停止工作);S——設(shè)置積分初始值(YI=SV);IC——去掉比例，調(diào)節(jié)器變?yōu)?調(diào)節(jié)器；HI——去掉積分，調(diào)節(jié)器變?yōu)镻調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器輸出都需要限幅，注意必須對(duì)總輸出Y和積分輸出YT都限幅，有的設(shè)計(jì)者不注意，只對(duì)Y限幅，對(duì)Y!不限幅，這樣有可能出現(xiàn)Y雖限制住，但Y7超出限幅的情況，導(dǎo)致在退出飽和時(shí)，比例縮小，響應(yīng)滯后，影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。PI調(diào)節(jié)器達(dá)到限幅時(shí)的輸出對(duì)輸入的響應(yīng)見(jiàn)圖4-16。從圖中可看出，若YI不限幅，在退飽和時(shí)出現(xiàn)比例減小、響應(yīng)滯后x時(shí)間的現(xiàn)象。4.2.5.2慣性比例(PT)調(diào)節(jié)器PT調(diào)節(jié)器是一階慣性環(huán)節(jié)，主要用于平滑和濾波，它實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)運(yùn)算見(jiàn)式(4-15)、框圖和動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形見(jiàn)圖4-17a、b,byby式中T——慣性時(shí)問(wèn)常數(shù)。b)PT調(diào)節(jié)器的模擬實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖4-18。由圖可得在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PT調(diào)節(jié)功能用下式計(jì)算實(shí)現(xiàn)：式中k——第k周期的計(jì)算值；T——采樣周期。4.2.5.3慣性微分(DT)調(diào)節(jié)器微分(D)能加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程，但容易把噪聲和擾動(dòng)放大，很少使用；如果要用，也需在前面加一個(gè)慣性濾波，構(gòu)成一個(gè)DT調(diào)節(jié)器。它實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)運(yùn)算、框圖及動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形見(jiàn)式(4-17)和圖4-19a、h。第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)291式中T——慣性時(shí)間常數(shù)；T?——微分時(shí)間常數(shù)。DT調(diào)節(jié)器的模擬實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖4-20。圖可得山b)在數(shù)字控制系統(tǒng)中，DT調(diào)節(jié)功能用下式計(jì)算實(shí)現(xiàn)：式中k-——第k周期的計(jì)算值；T——采樣周期。a)框圖b)動(dòng)態(tài)響應(yīng)4.2.6模擬和數(shù)字斜坡給定(給定積分)斜坡給定(RFG)用于給定回路，限制給定信號(hào)的變化率，又常稱為給定積分。把它用丁轉(zhuǎn)速給定時(shí)，將限制電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)的轉(zhuǎn)速變化率，從而限制加減速動(dòng)態(tài)電流；若把它用于轉(zhuǎn)矩給定，將限制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率，保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)。與固定斜率的給定信號(hào)發(fā)生器不同，RFG對(duì)輸出Y變化率的限制僅在輸人X的變化率超出設(shè)定值時(shí)才起作用，若X變化率沒(méi)有超過(guò)設(shè)定值，則Y緊跟X變化，且無(wú)滯后。在給定問(wèn)路加Pr環(huán)節(jié)，也能限制給定信號(hào)的變化率，但與RFG的作用不同，見(jiàn)圖4-21。圖4-21a為RFG斜坡給定。山圖可看出，輸入大小不同的階躍X值，RFG輸出Y的斜率一樣，但響應(yīng)時(shí)間不同，X小，響應(yīng)時(shí)間短；圖4-21b為PT方式，對(duì)于不同X值，其響應(yīng)時(shí)間一樣，但Y的斜率不同，X小，Y斜率也小。若它們位于某閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，在討論該環(huán)穩(wěn)定性時(shí)，RFG對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)無(wú)影響，而PT對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)有影響，因?yàn)榉€(wěn)定問(wèn)題研究的是小信號(hào)，信號(hào)越小，RFG帶來(lái)滯后越小。4.2.6.1普通RFG普通RFG;的原理在很多教科書(shū)中都有介紹，這里不再重復(fù)，只介紹它的模擬與數(shù)字的實(shí)現(xiàn)。(1)普通模擬RFG見(jiàn)圖4-22在圖4-25中，R>>R。(第一級(jí)放大倍數(shù)圖4-21RFG和PT的響應(yīng)a)RFG響應(yīng)h)PT響應(yīng)>>1),由0到限幅值的積分時(shí)間T=R?C,Y、=dY/dt(輸出Y的一階微分信號(hào))。用RFG產(chǎn)生轉(zhuǎn)速給定信號(hào)時(shí)，往往希望加減速斜率不同，這就要在正反轉(zhuǎn)時(shí)切換正負(fù)限幅值，模擬實(shí)現(xiàn)不方便，故模擬RFG一般設(shè)計(jì)成加減速斜率一樣(正負(fù)限幅一樣)。普通數(shù)字RFG的框圖及響應(yīng)見(jiàn)圖4-23。普通數(shù)字RFG的離散算法是292電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)數(shù)字KFG,除輸出斜坡信號(hào)Y外，還輸出很干凈的一階微分信號(hào)YA,用于前饋計(jì)算，加快系統(tǒng)響應(yīng)，改善跟隨性能，見(jiàn)木章4.2.7節(jié)。模擬RFG也輸出Y、信號(hào)，但含有很大的噪聲，不好用。4.2.6.2帶圓角的RFG大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械希望轉(zhuǎn)速給定Y不僅是一個(gè)斜坡，而H要求在斜坡的起始和終結(jié)部分是圓角，即要求加速度Y、是梯形波，它的變化率也受到限制，見(jiàn)圖4-28。因?yàn)樵诩訙p速時(shí)機(jī)械受到的沖擊，不只和加減速動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值有關(guān)，而且和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的變化率有關(guān)，變化率越大機(jī)械受損害越嚴(yán)重，特別是當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在彈性及間隙時(shí)。帶圓角的RFG產(chǎn)生滿足上述第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)293帶圓角的RFG框圖及晌應(yīng)曲線分別見(jiàn)圖4-24和圖4-25。下面以正向加速過(guò)程為例說(shuō)明工作原理。設(shè)定K=2T?/Tm,K。=T/當(dāng)t=t,時(shí)，突加輸入X,A?飽普通RFG內(nèi)環(huán)(與圖4-23a相同),這時(shí)A,也飽和，輸出Yg=TY?m.μ/T沿二次曲線上升，形294電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)若Y>0,且Y>X,正向減速；Y<0,HY<X,反向減速，則K?=2T,/Tm,K=T?/除帶圓角斜坡信號(hào)Y外，這種數(shù)寧RFG還可輸出下凈的-階微分信號(hào)Y、及二階微分信在模擬控制系統(tǒng)中，所有檢測(cè)和控制環(huán)節(jié)都連續(xù)并行工作，來(lái)自給定和反饋的信號(hào)能很快通過(guò)控制環(huán)節(jié)影響被調(diào)量，響應(yīng)快。數(shù)字控制系統(tǒng)的工作模式是離散的、串行的，必然帶來(lái)滯后，其響應(yīng)比模擬系統(tǒng)慢。數(shù)字控制系統(tǒng)中，第k個(gè)周期初采樣的給定量及反饋量由各環(huán)節(jié)一步步串行處理，算出電力變流器的控制量，到第k+1周期初，才送至變流器的觸發(fā)電路。另外，當(dāng)反饋量中含有大紋波，需用平均值采樣時(shí)，在第k個(gè)周期初，采樣到的反饋量是第k-1個(gè)周期的平均值，又滯后了半個(gè)采樣周期。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)，廣泛使用開(kāi)環(huán)前饋補(bǔ)償(頂控)技術(shù)來(lái)加快響應(yīng)。數(shù)字控制裝置計(jì)算功能強(qiáng)、精度高，也為預(yù)控的應(yīng)用提供了條件。開(kāi)環(huán)前饋補(bǔ)償(頂控)是根據(jù)給定量及系統(tǒng)參數(shù)估算出控制對(duì)象所需的控制量，繞過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)器直接作用于控制對(duì)象。在這種開(kāi)、閉環(huán)復(fù)合的系統(tǒng)中，被調(diào)量對(duì)給定的跟隨主要靠開(kāi)環(huán)，而閉環(huán)用來(lái)解決穩(wěn)定和精度問(wèn)題。下面以直流調(diào)速系統(tǒng)為例介紹預(yù)控的配置，見(jiàn)圖4-系統(tǒng)中有兩個(gè)預(yù)控環(huán)節(jié)：1.電流預(yù)控(CPC)環(huán)節(jié)根據(jù)電流給定i、電動(dòng)機(jī)參數(shù)R和L以及電動(dòng)勢(shì)e、功率放大器A的放大系數(shù)K計(jì)算得出電流預(yù)控環(huán)節(jié)CPC輸出為u;功率放大器A的控制電壓為式中△u.——電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出2.轉(zhuǎn)速預(yù)控(NPC)環(huán)節(jié)根據(jù)轉(zhuǎn)速給定n'及機(jī)械慣性時(shí)間常數(shù)T.,計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制環(huán)第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)295轉(zhuǎn)速預(yù)控環(huán)節(jié)輸出式中dn*/dt——來(lái)自RFG的信號(hào)。采用預(yù)控后，數(shù)字控制系統(tǒng)可以獲得和模擬控制系統(tǒng)同樣的響應(yīng)，兩種系統(tǒng)的6脈波品閘管變流器的電流響應(yīng)時(shí)間都可做到10ms。上面介紹的是利用預(yù)控加快系統(tǒng)對(duì)給定的響應(yīng)。預(yù)控也能加快系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)，但需用擾動(dòng)觀測(cè)器檢測(cè)擾動(dòng)量，數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)秀計(jì)算性能為觀測(cè)器設(shè)計(jì)提供了條件。調(diào)速裝置用控制器分為兩大類(lèi)：模擬控制器和數(shù)字控制器。模擬控制器精度差、特性分散、調(diào)試麻煩、標(biāo)準(zhǔn)化困難、它的應(yīng)用逐步減少。近年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的數(shù)字控制器已成為現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)中控制器的主要形式，故本章只介紹數(shù)字控制器。數(shù)字控制器主要由處理器、輸人和輸出接口、通信接口、外圍設(shè)備和控制電源等部分組4.3.1.1處理器處理器的核心是微處理器，另外還有一些支持它工作的器件，例如存儲(chǔ)器件(ROM、E2ROM和IRAM)、輸入/輸出(I/O)端口、模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、專(zhuān)用集成電路(ASIC)或可編程門(mén)陣列(FPGA)等，它們的任務(wù)是完成運(yùn)算、控制、判斷等工作。對(duì)處理器的要求是：(1)CPU指令集豐富；(2)速度快，即系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率高及指令執(zhí)行周期短；(3)資源豐富，包括E2ROM、RAM、I/O、A/D和D/A、中斷等。ROM和E2ROM用于存放程序和常數(shù)，RAM用于存放變量和中間結(jié)果；(4)集成度高、體積小、功耗低。4.3.1.2輸入和輸出接口處理器的[/0、A/D和D/A不能直接與外部相連，需通過(guò)控制器的輸入和輸出接口和外部聯(lián)系，要求數(shù)字控制器有下列輸入、輸出接CI:(1)一定數(shù)量的模擬輸入接口，為處理器A/D提供信號(hào)(模擬量瞬時(shí)值采樣);(2)增量式編碼器脈沖信號(hào)輸入接H;(3)V/F/D或E/△變換信號(hào)輸入接口(不是所有控制器都有);(4)一定數(shù)量的模擬輸出接11,用于外部?jī)x表測(cè)量或波形顯示，可通過(guò)編程選擇被測(cè)量；(5)一定數(shù)量的數(shù)字量輸人/輸出接口。為了提高數(shù)字量輸入和輸出接口的利用率，這些接日可被設(shè)計(jì)為雙向工作，通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)決定它的工作方式(輸入還是輸出)。4.3.1.3通信接口具有強(qiáng)大的通信能力是數(shù)字控制的重要優(yōu)點(diǎn)之一。為此，要求數(shù)字控制器設(shè)置一定數(shù)量的通信接11,用于實(shí)現(xiàn)本處理器與其他處理器(本調(diào)速裝置的編程和顯水等外圍設(shè)備、工藝控制器、遠(yuǎn)程終端、其他調(diào)速裝置的控制器、上級(jí)挖制計(jì)算機(jī)或可編程序控制器等)的信息296電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)交換。通信接口有并行和串行兩類(lèi)，信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)是通信電纜和光纖、電纜又有多芯或扁平電纜、雙絞電纜和同軸電纜等類(lèi)型，根據(jù)所要求的傳輸速度和數(shù)據(jù)量、傳輸距離、抗干擾并行通信的位信號(hào)傳輸同時(shí)在數(shù)條線上進(jìn)行，連接并行通信接口需要多芯或扁平電纜及連接器，并在處理器上設(shè)雙口RAM。并行通信速度快，但傳輸距離短，通常用于多處理器結(jié)構(gòu)中連接各個(gè)微處理器或在本裝置中連接處理器模塊和工藝控制模塊或接口模塊等。串行通信的位信號(hào)按約定的通信協(xié)議規(guī)則排列，構(gòu)成串行數(shù)據(jù)流，以約定的頻率發(fā)送和接收。串行通信的傳輸介質(zhì)是雙絞電纜、同軸電纜或光纖，-對(duì)電纜和光纖就能傳輸大量數(shù)據(jù)，傳輸距離遠(yuǎn)，多個(gè)發(fā)送和接收點(diǎn)還可通過(guò)介質(zhì)接成-個(gè)通信網(wǎng)，彼此交換信息，故串行通信應(yīng)用極廣。通信協(xié)議是串行通信的基礎(chǔ)，常用的通信協(xié)議有Profibus、CAN等，另外許多通信任務(wù)外圍設(shè)備主要指鍵盤(pán)、顯示及打印等設(shè)備，它們不屬于控制器本身，是支持控制器工作必不可少的設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)人-機(jī)聯(lián)系。外圍設(shè)備與控制器之間通常經(jīng)中行通信進(jìn)行連接。鍵盤(pán)和顯示器用于對(duì)調(diào)速裝置進(jìn)行設(shè)定和操作，例如電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、加減速時(shí)間、開(kāi)停機(jī)等，還用于對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄，例如電流，電壓、轉(zhuǎn)速、報(bào)警及故障的種類(lèi)及時(shí)問(wèn)等。打印設(shè)備用于打印程序和歷史信息，供保存和目后分析用。控制電源用以向控制器提供所需的各種規(guī)格的電源，一般使用開(kāi)關(guān)電源。對(duì)控制電源的要求，除滿足電源精度和負(fù)載能力外，還需有強(qiáng)大的抑制干擾能力。控制器的干擾主要來(lái)自電源，為保證控制器正常工作，在電源的輸入端都需接電源濾波器。4.3.2常用微處理器和控制芯片微處理器是調(diào)速控制器的核心，它的選用直接影響系統(tǒng)的控制功能和效果。適合用于調(diào)速系統(tǒng)使用的芯片很多，性能和結(jié)構(gòu)下差萬(wàn)別，升級(jí)換代很快，本章介紹幾種目前常用的芯單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)(SingleChipMicrocompuler)的簡(jiǎn)稱。它在…塊芯片上集成了中央處理單元(CPL:)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、1/0接口、可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等，有的其至包含有A/D轉(zhuǎn)換器，一塊芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。調(diào)速系統(tǒng)中常用的是MCS-96系列單片機(jī)，其中典型芯片80C196的指標(biāo)是：指令執(zhí)行時(shí)間：125ms,16位×16位為1.75μs,32位這類(lèi)單片機(jī)有豐富的硬件資源和軟件資源，適合用于實(shí)時(shí)控制，但用于大量數(shù)據(jù)處理或運(yùn)算則略有遜色，進(jìn)…步提高運(yùn)算速度有困難。數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor——DSP)是一種高速專(zhuān)用微處理器，采取了一系列措施提高運(yùn)算速度，包括改變集成電路結(jié)構(gòu)、提高時(shí)鐘頻率、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、采用指令列排隊(duì)方式提高運(yùn)行效率等等，特別是DSP集成了硬件乘法器，使乘除法運(yùn)算也能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。這是它區(qū)別于其他通用微處理器的主要特征。早期的DSP只用作提高運(yùn)算速度的協(xié)處理器，本身的接口很少，不適合單獨(dú)作為控制器的單片機(jī)使用。近年來(lái)，隨著產(chǎn)品性能的提高，控制能力逐步擴(kuò)大，把I/O接口、編碼器脈沖接口、PWM通道及A/D轉(zhuǎn)換等都集成到芯片中，已成為一類(lèi)高速的單片機(jī)。DSP種類(lèi)很多，調(diào)速系統(tǒng)常用的有兩類(lèi)：TMS320C3×:特點(diǎn)是32位浮點(diǎn)運(yùn)算，速度快，指令執(zhí)行時(shí)間為60ns(含乘法),適用于計(jì)算量大、精度要求高的場(chǎng)合。它的不足是接日少，沒(méi)有A/D轉(zhuǎn)換、PWM及編碼器接口，需要另加轉(zhuǎn)換芯片及接1芯片(例如可編程門(mén)陣列FPGA)等。TMS320C24×:它是專(zhuān)門(mén)為電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)的DSP,特點(diǎn)是調(diào)速系統(tǒng)所需的資源豐富，有28個(gè)針可獨(dú)立編程的通用I/O口、10位A/D轉(zhuǎn)換、12路脈寬調(diào)制(PWM)通道、編碼器脈沖輸入通道等。它是16位定點(diǎn)運(yùn)算，指令執(zhí)行時(shí)間為50ns精減指令集計(jì)算機(jī)(ReducedInstructionSetComputer——RISC)在20世紀(jì)80年代后期問(wèn)批，是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上的一次革命。以前微處理器的進(jìn)步往往靠改進(jìn)集成電路硬件T.藝來(lái)提高時(shí)鐘頻率和處理器速度，RISC則把著眼點(diǎn)敢在經(jīng)常使用的基本指令的執(zhí)行效率上，依靠硬件和軟件的優(yōu)化組合來(lái)提高速度。在RISC中，揚(yáng)棄了某些運(yùn)算復(fù)雜而用處不大的指令，省出這些指令占用的硬件資源，提高簡(jiǎn)單指令的運(yùn)行速度和軟件運(yùn)行總體效率。此外，RISC是一種矢量(超標(biāo)量)處理器，在一個(gè)給定周期內(nèi)，能并行執(zhí)行多條指令，因而不能再簡(jiǎn)單地用指令執(zhí)行時(shí)間來(lái)衡量運(yùn)算速度，而改用“每秒百萬(wàn)條指令”(MIPS)來(lái)衡量。RISC已經(jīng)在通用控制器中得到應(yīng)用，例如Siemens公司在其SYMADYN-D通用控制器中使用了RISC芯片，64位，時(shí)鐘主頻為128MHzc并行計(jì)算機(jī)概念的提出已有多年，直到近年來(lái)才成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)個(gè)處理器同時(shí)運(yùn)行。多處理器結(jié)構(gòu)要求具有高速通信能力的微處理器作為模塊化組件。并行處理器(Transputer)是一種專(zhuān)為并行處理而設(shè)計(jì)的器件，具有片內(nèi)存儲(chǔ)器及通信鏈。Tl公司最近推出的TMS320C40型器件，是一種并行32位浮點(diǎn)DSP,帶6條高速通信接口，供并行處理用。分散式存儲(chǔ)器的多指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適合于電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，因?yàn)榭刂乒δ芸梢苑峙渲猎S多組件內(nèi)并行運(yùn)算。在這種結(jié)構(gòu)中，處理器間的通信任務(wù)很繁重，故處理器必須配備數(shù)個(gè)高速通信接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?；谶@類(lèi)并行器件的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究己有不少報(bào)導(dǎo)，但產(chǎn)品尚末見(jiàn)到，也許不久后會(huì)問(wèn)世。專(zhuān)用集成電路(AdvancedSpecializedIntegratedCircuit——ASIC)指為某特殊用途專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和構(gòu)造的集成電路。ASIC的使用可以簡(jiǎn)化控制器、縮小體積、降低成本、提高可靠性及有助于維護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，特別是某些計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)固化后，可大大減少處理器的負(fù)擔(dān)、改善整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和性能。能完成某些特定功能的初級(jí)專(zhuān)用集成電路早已商品化，例如變頻用的HEF4752(英國(guó)Mullard公司產(chǎn)品)和SLE4520(Siemens公司產(chǎn)品)SPWM序列波發(fā)生器、AD2S110矢量變換專(zhuān)用芯片(美國(guó)AD公司產(chǎn)品)、直流電動(dòng)機(jī)及直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)用的HCTI-1000通用數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制集成電路(美國(guó)HP公司產(chǎn)品)等?，F(xiàn)代高級(jí)專(zhuān)用集成電路的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出完成一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)任務(wù)，往往能包括…種特定的控制系統(tǒng)，例如德國(guó)1AM(應(yīng)用微電子研究所)于1994年椎出的VECON,是一個(gè)交流伺服系統(tǒng)的單片矢量挖制器，它包含控制器、完成矢量運(yùn)算的DSP、298電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)PWM定時(shí)器以及其他外圍接口電路等?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)是一類(lèi)特殊的ASIC,它是一種邏輯塊陣列，可按不同的設(shè)計(jì)要求對(duì)上萬(wàn)個(gè)門(mén)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)特定的功能，有助于控制器硬件的標(biāo)準(zhǔn)化，它還可以在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)編程修改功能，大大降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。FPGA已得到廣泛應(yīng)用，它常與DSP配合使用，補(bǔ)充DSP的輸入、輸出功能.完成某些實(shí)時(shí)性要求高的控制任務(wù)?？删幊踢壿嬈骷?PLD)是AND和OR邏輯門(mén)的非獨(dú)立陣列，若有選擇性地安排門(mén)電路間的內(nèi)部連接，則可實(shí)現(xiàn)特定的功能，若用E2PROM或SRAM編程，它也有重復(fù)編程能力。和用，且沒(méi)有不能回收的工程費(fèi)用。流行的PID的規(guī)模大致等效丁8000個(gè)門(mén)電路，速率可達(dá)4.3.3專(zhuān)用數(shù)字控制器和通用數(shù)字控制器數(shù)字控制器有專(zhuān)用和通用兩大類(lèi)。4.3.3.1專(zhuān)用數(shù)字控制器它針對(duì)特定的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如針對(duì)晶閘管直流調(diào)速的控制器、PWM變頻調(diào)速的控制器等。出于專(zhuān)用、任務(wù)明確，控制器可以做得較簡(jiǎn)單、緊湊、價(jià)格低廉，但是靈活性不足。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求的多樣性，這類(lèi)控制器在滿足基本調(diào)速功能前提下，還增設(shè)一定數(shù)量的可白由編程的功能塊(例如運(yùn)算、邏輯、輸入/輸出等功能塊)和工藝調(diào)節(jié)器，由現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求自行組態(tài)。現(xiàn)在調(diào)速系統(tǒng)用控制器中的絕大多數(shù)都是這類(lèi)控制器。它不針對(duì)特定的調(diào)速系統(tǒng)，可用于直流調(diào)速、各種交流調(diào)速、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及基礎(chǔ)自動(dòng)化等多種系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是通用性強(qiáng)、軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化程度高、組合靈活，但較復(fù)雜、價(jià)高，一般用于大功率、控制復(fù)雜的場(chǎng)合，對(duì)于在那些場(chǎng)合應(yīng)用的控制器來(lái)說(shuō)，性能是主要的，而價(jià)格在總成本中占的比例很小。常用的通用控制器有：Siemens公司的SIMADYN通用控制器的硬件采用多處理器總線結(jié)構(gòu)，主要由下列幾部分組成：(1)機(jī)箱(含電源和并行總線);(2)處理器模板(含微處理器和一定數(shù)量的輸入/輸出接「I);(3)系統(tǒng)支持模板(總線通信緩沖模板、數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模板、串行通信模板等)(4)接口模塊(模板上不好裝端子，不能直接對(duì)外接線，需經(jīng)接口模塊轉(zhuǎn)換才能與外界連接，模塊裝在控制柜中，不在機(jī)箱中，模板和模塊間靠控制電纜及其連接器相連接)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者根據(jù)任務(wù)選取所需的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、模板和模塊，自行組合，構(gòu)成控制器。機(jī)箱中每個(gè)處理器完成各自的任務(wù)，各處理器模板都通過(guò)雙ITRAM與機(jī)箱背面的并行通信總線相連接，相互交換信息。根據(jù)任務(wù)不同，各處理器的采樣模式(周定周期或變周期)及采樣周期長(zhǎng)短不同，它們之間的信息交換只能采用異步方式，見(jiàn)圖4-27。與并行總線相連的，除處理器PM1、PM2、PM3、…、PMn外，還有·個(gè)通信緩沖模塊(CBM)。處理器之間不直接交換信息，而是都和CBM交換倍息，所有通信信息都存在CBM中，各處理器工作時(shí)去那里取信息，處理完后再放回那里，并刷新原信息，所有處理器的優(yōu)先權(quán)相同，誰(shuí)先來(lái)執(zhí)行第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)299每個(gè)提供通用控制器的公司都有自己的基礎(chǔ)編程軟件，例如Siemens公司的STEP7/HW圖形編程軟件和CFC軟件，在這些軟件中有大量標(biāo)準(zhǔn)功能塊，每個(gè)功能塊實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)運(yùn)算、調(diào)節(jié)、邏輯、變換、控制、輸人/輸出、通信/信息、服務(wù)/診斷等任務(wù)，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者根據(jù)任務(wù)調(diào)用這些功能塊，用類(lèi)似于畫(huà)框圖那樣的圖形編程方法把一總線一總線它們連接起來(lái)，構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)用軟件。在實(shí)際應(yīng)用中，常把完成某些特定任務(wù)(例如轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等)的功能塊事先連接好.組成·個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大功能塊(或稱功能包),用時(shí)整體調(diào)4.4調(diào)速系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè)本節(jié)介紹電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)本身常用的電壓、電流和轉(zhuǎn)速、位置等信號(hào)的檢測(cè)方法和傳感器。有時(shí)調(diào)速系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)保護(hù)和工藝控制，還會(huì)用到溫度、壓力、流量等信號(hào)，它們的檢測(cè)不在這里介紹。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大多是通過(guò)閉環(huán)進(jìn)行控制的，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，先要將被控量(例如電流、電壓、轉(zhuǎn)速等)檢測(cè)出來(lái)，與設(shè)定量比較后，系統(tǒng)根據(jù)偏差來(lái)修正控制量，故系統(tǒng)的可靠性及精度直接取決于檢測(cè)的可靠性及精度。4.4.1電流、電壓測(cè)量4.4.1.1取樣電阻直接檢測(cè)法取樣電阻直接檢測(cè)法就是從接于主電路中的分流器(電流檢測(cè))或分壓器(電壓檢測(cè))電阻上直接測(cè)取電流或電壓信號(hào)，這類(lèi)電阻稱為取樣電阻。這種方法簡(jiǎn)單、直接，但使用時(shí)必須解決下面幾個(gè)問(wèn)題：1.電壓匹配電流檢測(cè)(分流器)的信號(hào)只有幾十毫伏，電壓檢測(cè)的信號(hào)為兒百伏，而控制系統(tǒng)所需電壓為幾伏，需用放大器匹配信號(hào)電壓；2.電位匹配分流器和分壓器直接接入主電路，在主電路一端接地時(shí)，它對(duì)地的電位有兒百伏，與控制電路的電位(一般是地電位)不同，必需采取匹配措施；3.阻抗匹配主電路是強(qiáng)電，挖制電路是弱電，直接測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)隔離，為安全、可靠，要求強(qiáng)弱電路間有兆歐級(jí)的電阻阻隔。上述匹配問(wèn)題用差分放大器解決。電壓直接檢測(cè)見(jiàn)圖4-28,圖中的取樣電阻可以不接，將差分放大的輸入端直接接至被測(cè)母線。差分放大器輸出電壓差分放大器允許的共模電壓，也是允許的被測(cè)主電路電壓為式中U—運(yùn)算放大器芯片A本身允許的共模電壓，若A的電源是±15V,則Uca可取10300電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)取輸入電阻R>JMΩ,就滿起了阻抗匹配的要求。根據(jù)被測(cè)主電路的電壓，按式(4-23)和式(4-24)算出電阻R。,便可滿足電壓匹配和電壓匹配要求。高時(shí)，受放大器在高放大倍數(shù)條件下精度的限制，電流直接檢測(cè)比較難以同時(shí)滿足電壓匹配和電位匹配要求，所以應(yīng)用較少，個(gè)可用的電路見(jiàn)圖4-29。差分放大器輸出電壓為差分放大器允許的共模電壓，也是允許的被測(cè)主電路電壓為本已很小的輸人信號(hào)經(jīng)第一級(jí)后又被縮小；為滿足電壓匹配要求，獲得需要的電壓，要求第二級(jí)放大倍數(shù)很大、電阻Rc?>>Rg,所以電流直接檢測(cè)僅用于主電路電壓250V以下，且精隔離放大器的輸入信號(hào)也來(lái)自接于主電路的取樣電阻(分流器或分壓器),經(jīng)隔離放大器隔離后輸出，實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離，無(wú)電位匹配和阻抗匹配問(wèn)題。按照隔離的于段不同，分兩大類(lèi)：脈沖變壓器隔離類(lèi)和電容隔離類(lèi)。1.用脈沖變壓器膈離的隔離放大器它的工作原理基于調(diào)制(MOD)和解調(diào)(DEMOD),先在MOD中用電子開(kāi)關(guān)把直流或較慢變化的交流輸入信號(hào)調(diào)制成幅值等于輸入信號(hào)，而頻率為幾十千赫的方波交流信號(hào)，經(jīng)脈沖變爪器隔離，然后用DEMOD中的由電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成的相敏整流器解調(diào)，復(fù)原成一個(gè)和輸人一樣的信號(hào)輸出。常用的這類(lèi)隔離放大器有AD202/AD204和AD289。AD202/AD204的電源電壓為±15V,輸入信號(hào)范圍為±5V,輸出電壓范圍為5V,輸入-輸出間最大隔離電壓為1500V(交流有效值)。AD289的電源電壓為24V,輸入信號(hào)范圍為±10V,輸出信號(hào)范圍為±10V,輸入-輸出間最大隔離電壓為2000V(交流有效值)。AD202/AD204的框圖見(jiàn)圖4-30。為滿足電平匹配要求，在MOD前設(shè)有一個(gè)前置運(yùn)算放大器，配適當(dāng)輸入和反饋電阻后，放大倍數(shù)可在1~100間任意設(shè)置，小放大倍數(shù)用于電壓檢測(cè)，火放大倍數(shù)用于電流檢測(cè)。在這個(gè)器件內(nèi)，還有一個(gè)振蕩電源，由它產(chǎn)生25kHz方波電源，經(jīng)另一脈沖變壓器隔離、整流和濾波，產(chǎn)生一組±7.5V的浮空直流電源，供前置運(yùn)算放大器用，這個(gè)25kHz方波電源還用來(lái)控制MOD和DEMOD中電予開(kāi)關(guān)的工作。2.用電容隔離的隔離放大器它也由調(diào)制和解調(diào)兩部分組成，只不過(guò)隔離介質(zhì)是電容器。由于沒(méi)有磁性元件，體積很小，可封裝在一片集成電路芯片中，價(jià)格也低。常用的這類(lèi)隔離放大器為JSO124,其框圖見(jiàn)圖4-31,整個(gè)放大器封裝于一個(gè)16個(gè)引腳雙列直插芯片巾，電源電壓為±15V,輸人、輸出電壓范圍為±10V,輸入一輸出間坡大隔離電壓為1500V(交流有效值)。ISO124芯片內(nèi)無(wú)前置放大器，它本身的電壓增益固定為1(即輸出等于輸入),當(dāng)它用于電流檢測(cè)時(shí)，需外加前置放大器、另外芯片中調(diào)制部分所需的浮空±15V電源也需片外另供(通常需增設(shè)…塊DC/DC;電源)、圖4-31ISO124框圖交流互感器交流互感器是傳統(tǒng)的檢測(cè)交流電壓、電流的傳感器。交流電壓氣感器能檢測(cè)電壓、頻率按比例變化的交流電壓信號(hào)，但不能工作在太低的頻率，因?yàn)榈皖l時(shí)，互感器鐵心易飽和，不能正常工作。交流電流互感器只能檢測(cè)額定頻率的交流電流信號(hào)，因?yàn)樽冾l電路中頻率降低時(shí)電流并不減小，鐵心會(huì)飽和，在使用中應(yīng)注意此問(wèn)題。交流互感器一次、二次側(cè)是隔離的，無(wú)電位及阻抗匹配問(wèn)題，電壓匹配可以通過(guò)改變一次、二次繞組的匝比來(lái)實(shí)現(xiàn)。電壓互感器常用來(lái)檢測(cè)三相交流電壓的幅值，這時(shí)在互感器后需配接一組三相整流橋輸出直流的交流電壓幅值信號(hào)。若電壓幅值變化范圍較寬，整流橋中二極管正向?qū)ㄌ匦缘姆蔷€性對(duì)測(cè)量精度的影響大時(shí)，可用圖4-32電路來(lái)克服這種影響，利用運(yùn)算放大器的高放大倍數(shù)來(lái)消除非線性。電流身感器常用來(lái)檢測(cè)三相交流電流的幅值，這時(shí)互感器后也需配接一組二相整流橋輸出直流的交流電流幅值信號(hào)，見(jiàn)圖4-36。注意：在互感器二次側(cè)、整流橋之前、不能并聯(lián)電阻，因?yàn)殡娏骰ジ衅魇请娏髟?，它可以克服警流橋中二極管非線性影響，即使互感器一次電流很小，二次電流也一定按匝數(shù)比流出，而不管輸出電阻如何變化，若并聯(lián)了電限，耳感器輸出就變成電壓源，電流小時(shí)電壓低，非線性影響大。如果怕電流互感器二次側(cè)開(kāi)路，可加裝非線性過(guò)電壓保圖4-32圖4-32無(wú)二極管非線性影響的交流信號(hào)整流電路中，通過(guò)測(cè)量交流進(jìn)線電流來(lái)得到整流后直流電302電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)流I的信號(hào)，見(jiàn)圖4-33.這時(shí)檢測(cè)輸出電壓為式中N?、N?——.感器一次、二次繞組的師數(shù)；公式中沒(méi)有整流系數(shù)，因?yàn)橹髡鳂蚝蜋z測(cè)整流橋的整流系標(biāo)準(zhǔn)電流五感器額定二次電流為5A,電流太大，不利于選配檢測(cè)整流橋，同時(shí)允許輸出的電壓也太低(<3V),為控制電路使用方便，希望額定：次電流為0.1A,相應(yīng)輸出電壓也可增至10V。有兩種方法解決：如果主電路電流不大，宜選用專(zhuān)為控制設(shè)計(jì)的額定二次電流為0.1A的一級(jí)互感器；如果主電路電流大，仍采用·級(jí)變換，互感器二次繞組匝數(shù)太多，不好制造，宜用兩級(jí)變換，第一級(jí)變到5A,第二級(jí)從5A變到0.1A,某些互感器制造廠已將這兩級(jí)互感器封裝在一個(gè)整體中，從外表看是…個(gè)互感器，其實(shí)里而霍爾傳感器可用來(lái)檢測(cè)直流和任意波形的交流佯號(hào)，并可實(shí)現(xiàn)隔離。1.直接檢測(cè)式霍爾傳感器直接撿測(cè)式霍爾傳感器的工作原理見(jiàn)圖4-34。將霍爾元件置十聚磁環(huán)的氣隙磁場(chǎng)中(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B),在該元件另一側(cè)通以恒流電流1,則在元件第三面的兩端將輸出一個(gè)電壓信號(hào)t。=B1?,磁感應(yīng)強(qiáng)度B由聚磁環(huán)一次繞組電流1,產(chǎn)生，而恒流電流I,又是常數(shù)，所以輸出電壓霍爾元件輸出的電壓是毫伏級(jí)的，需用測(cè)量放大器放大成直接檢測(cè)式霍爾傳感器雖有系列產(chǎn)品，但由于受霍爾芯片本身特性線性度、聚磁環(huán)中的B和1。間關(guān)系的線性度、恒流電流1。精度及測(cè)量放大器的精度等因素影響，檢測(cè)精度不高應(yīng)用很少。2.磁平衡式(或稱為磁補(bǔ)償式)霍爾傳感器磁平衡式應(yīng)用，它的工作原理見(jiàn)圖4-35。磁平衡式錐爾傳感器由一次電路、聚做環(huán)、霍爾元件、二次線圈、放大電路等組成，其工作原理基于磁場(chǎng)平衡，即一次電流1,產(chǎn)生的磁場(chǎng)H,,與流過(guò)二次線圈的電流1,產(chǎn)生的磁場(chǎng)H、相抵消，使霍爾元件始終處于零做場(chǎng)(B=0)工作狀態(tài)。一次電流1,的任何變化都會(huì)破壞磁平衡，當(dāng)Ⅱ,≠H,時(shí)，霍爾元件就有信號(hào)輸出，經(jīng)放大器放大后，立即有相應(yīng)的二次電流1,流過(guò)二次線圈，抵消H。的變化，直至再次磁平衡，這平衡過(guò)程很快，小于1μs,因此可以認(rèn)為二次安距在任何時(shí)候都等于一次安匝，即式中N。和N?——一次和二次線圈匝數(shù)。在二次線圈中串接一個(gè)電阻R。,則可從該電阻上取出比例于被測(cè)電流1,的輸出電壓Ua,第4章調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)303得到由于磁平衡式霍爾傳感器只工作在零磁場(chǎng)一個(gè)工作點(diǎn)，且放大器又工作在閉環(huán)狀態(tài)(經(jīng)磁路閉環(huán)),所以直接檢測(cè)式霍爾傳感器的兒個(gè)缺點(diǎn)都被克服。使用磁平衡式霍爾傳感器時(shí)需注意下列幾個(gè)問(wèn)題：(1)負(fù)載電阻R。不能取得太大，以避免傳感器中的放大器飽和，破壞磁平衡關(guān)系；(2)負(fù)載電阻R。需選用高精度電阻，電阻誤差不影響等安匝關(guān)系，但影響輸出電壓；(3)在-次電流I,不為零時(shí)，不能切斷傳感器電源，否則由于磁平衡關(guān)系破壞，導(dǎo)致磁路受到強(qiáng)磁化，留下永久性剩磁，降低精度。霍爾傳感器使主電路與控制電路隔離，不存在電位匹配及阻抗匹配問(wèn)題，電壓匹配可通過(guò)調(diào)整一次和_二次線圈間的雨數(shù)比來(lái)實(shí)現(xiàn)，用霍爾傳感器測(cè)電壓時(shí)，應(yīng)選用高匝比(N,多1。小)的傳感器。在…次繞組電路中，串人高阻值電阻，然后接至被測(cè)電壓，可實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量、現(xiàn)在已有測(cè)量電壓的霍爾傳感器系列產(chǎn)品(IV系列)。4.4.1.5基于2/△變換的電壓、電流檢測(cè)器前面介紹的幾種檢測(cè)方法的輸出都是模擬量，用于數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)，還需經(jīng)轉(zhuǎn)換器把模擬量變成數(shù)字量(量化)、這里介紹的基于2/△變換的電壓、電流檢測(cè)器的輸出是·串方波脈沖，它在一個(gè)采樣周期中的平均占空比(在…個(gè)周期中的總脈沖寬度與周期之比)與輸人的被測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期中的平均值成比例，這脈沖信號(hào)經(jīng)光纖傳輸?shù)綌?shù)字控制器后，用同步計(jì)數(shù)器變換成數(shù)字量。浮空電源浮空電源概極張動(dòng)電路電壓電流傳感器凋制器調(diào)制器時(shí)鐘R,用2/△變換實(shí)現(xiàn)模擬量量化的原理已在本章2.2.4.2節(jié)中介紹過(guò)，這里介紹基于這種原理制成的傳感器。E△電壓電流檢測(cè)器的檢測(cè)電路見(jiàn)圖4-36。Siemens公司制造的檢測(cè)器(…個(gè)檢測(cè)器中裝一個(gè)電流檢測(cè)單元和·個(gè)電壓檢測(cè)單元)的外形見(jiàn)圖4-37。來(lái)自取樣電阻(分流器或分壓器)的模擬電壓信號(hào)送至檢測(cè)器后，先經(jīng)前置放大器放大至±2.5V,再經(jīng)偏置變成0~5V,送至E/△調(diào)制器變換成方波脈沖信號(hào)，通過(guò)光纖輸出。檢測(cè)器的電子板裝在…個(gè)銅盒中，這個(gè)銅盒木身就是分流器的一部分，直接接入被測(cè)母線。電路板的電源取自相同電位的電力電子器件(IGBT或IGCT)控制極驅(qū)動(dòng)浮空電源，既簡(jiǎn)單又實(shí)現(xiàn)了與控制電路隔離。Z/△電壓電流檢測(cè)的特點(diǎn)是：(1)通過(guò)浮空電源和光纖實(shí)現(xiàn)隔離，效果好，耐壓高；(2)用銅盒屏蔽及經(jīng)光纖輸出，不怕大功率裝置母線附近強(qiáng)電磁場(chǎng)十?dāng)_(3)在數(shù)字控制器中得到的量化信號(hào)是一個(gè)采樣周期的平均值，消除了信號(hào)中的紋波對(duì)檢測(cè)速發(fā)電機(jī)是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器，隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，用得越來(lái)越少。測(cè)速發(fā)電機(jī)分真流測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類(lèi)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出已和主電路隔離，在使用該信號(hào)時(shí)，不必再隔離。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出是與轉(zhuǎn)速成比例的直流電壓，且其極性反映轉(zhuǎn)向，用4.4.1.1節(jié)中介紹的電壓直接檢測(cè)方法便可輸出與轉(zhuǎn)速成比例的電壓信號(hào)。交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出是三相交流電壓，其幅值與轉(zhuǎn)速成比例，使用時(shí)要先經(jīng)二極管整流橋變換成直流電壓。由于一極管整流電壓的極性固定，變換出的電壓極性不反映旋轉(zhuǎn)方向所以交流測(cè)速機(jī)多用丁檢測(cè)單方向旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。若想輸出極性反映轉(zhuǎn)向，需要判別相序，較麻煩；另外，當(dāng)輸出電壓低時(shí)，二極管的導(dǎo)通非線性會(huì)影響檢測(cè)精度，所以應(yīng)用很少。編碼器是用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速和位置最常用的傳感器，它分增量式編碼器和絕對(duì)值編碼器兩大1.增量式編碼器增量式編碼器裝于被測(cè)電動(dòng)機(jī)或機(jī)械的軸上，每轉(zhuǎn)一圈便發(fā)出一定數(shù)日的方波脈沖，通常有三組脈沖輸出：A、B和2,其中A和B為一組正交脈沖(相位互差π2,見(jiàn)圖4-5),Z為同步脈沖，(1個(gè)脈沖/r)。從脈沖列A和B判別旋轉(zhuǎn)方向和算出轉(zhuǎn)速的方法，以及同步脈沖乙的作用，已在本章4.2.3節(jié)中介紹過(guò)，這里只介紹編碼器的原理及應(yīng)用。電源電壓，4-38h為光柵碼盤(pán)，p。為光柵碼盤(pán)上光柵條紋敏晶體管。當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)光柵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈，V接收端將接受到p.個(gè)光脈沖信號(hào)，從而在輸出端輸出p.個(gè)電脈沖信號(hào)，脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成比例。除光電增量式編碼器外還有一種磁性增量式編碼器(美國(guó)Lakeshare公司產(chǎn)品),結(jié)圖4-38增量式編碼器原理 構(gòu)類(lèi)似，只是旋轉(zhuǎn)的部件是磁鼓，接收端是磁敏探頭。磁性增量式編偶器比光電增量式編碼器更結(jié)實(shí)一些，價(jià)格差不多。在選用增量式編碼器時(shí)應(yīng)注意下列問(wèn)題；(1)光柵板材質(zhì)光電增量式編碼器光柵板的材質(zhì)有三種：玻璃、塑料和金屬。玻璃板易碎，盡量避免選用。(2)軸的形式編碼器有兩種軸：實(shí)心軸和中空軸。實(shí)心軸經(jīng)彈性連軸器與被測(cè)機(jī)械軸相連，適用于軸向?qū)弰?dòng)較小的場(chǎng)合；巾空軸套在被測(cè)機(jī)械軸(或被減小了直徑的機(jī)械延長(zhǎng)軸)上，編碼器外殼通過(guò)拉桿與地或機(jī)座固定，適用于軸向竄動(dòng)較大的場(chǎng)合。(3)輸出電路形式編碼器的輸出電路有四種常見(jiàn)形式(見(jiàn)圖4-39):電壓輸出、OC輸出、推挽輸出和長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)輸出。前兩種輸出在輸出1電平時(shí)，處于高阻狀態(tài)，易受平憂，只能用于信號(hào)傳輸距離很短的