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摘要:

通過對“運動控制”課程設(shè)計教學(xué)的研究與實踐，提出了交流電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計的新方法。將矢量控制的理論模型與變頻器實際的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進行對比分析，研究變頻器的矢量控制和工藝流程PID控制器所包含模塊的參數(shù)設(shè)置，綜合運用現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信與PLC編程技術(shù)、人機界面與組態(tài)軟件技術(shù)，完成具有實際工程背景的課程設(shè)計。豐富了運動控制課程設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容，促進了學(xué)生的理論知識與現(xiàn)代工程技術(shù)密切結(jié)合。

關(guān)鍵詞:

課程設(shè)計;交流調(diào)速系統(tǒng);矢量控制;變頻器

“運動控制系統(tǒng)”教學(xué)容易出現(xiàn)重視理論分析和傳統(tǒng)教學(xué)實驗，輕視實際控制系統(tǒng)中先進技術(shù)應(yīng)用的分析;“運動控制課程設(shè)計”又經(jīng)常成為理論上的設(shè)計，或控制系統(tǒng)理論模型的仿真驗證。受實踐教學(xué)環(huán)境限制，選題一般是雙閉環(huán)模擬直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試，或是數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真。交流調(diào)速課程設(shè)計一般是基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的SPWM變頻技術(shù)、V/f協(xié)調(diào)控制方式、單閉環(huán)無靜差數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真;變頻電源硬件電路包括三相電壓源型變頻電源主電路、保護電路、單片機的檢測、控制電路和驅(qū)動電路設(shè)計。從開關(guān)器件、控制電路的參數(shù)計算到軟件的設(shè)計編程，內(nèi)容豐富、時間緊湊。雖然對系統(tǒng)的整體設(shè)計訓(xùn)練有很大幫助，但與實際工程應(yīng)用現(xiàn)狀差距很大。提高變頻電源的效率在硬件電路上要求盡可能提高功率器件的開關(guān)頻率、采用軟開關(guān)技術(shù)、完善的功率器件驅(qū)動電路和緩沖電路的設(shè)計;軟件上還得考慮改進正弦調(diào)制波等［1－2］。而兩周的課程設(shè)計時間要完成類似這種交流調(diào)速系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，更進一步從變頻電源到采用矢量控制理論的數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及仿真，會有很大難度。考慮到無論采用什么數(shù)學(xué)模型處理交流電動機變頻調(diào)速問題，變頻電源硬件電路基本上是一樣的或是通用的。因此可以考慮在“電力電子技術(shù)”課程中布置大作業(yè)或開設(shè)“電力電子技術(shù)課程設(shè)計”，完成數(shù)字交、直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的交流電動機矢量控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在中、高檔變頻器中得到廣泛應(yīng)用。因此課程設(shè)計的選題應(yīng)該覆蓋矢量控制技術(shù)，采取有效措施加強理論教學(xué)和實際工程先進技術(shù)應(yīng)用的結(jié)合。深刻理解矢量控制理論在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用;如何利用變頻器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng);如何采用工業(yè)現(xiàn)場總線、PLC，將變頻器集成在大型復(fù)雜控制系統(tǒng)中。為此實驗室做了“運動控制課程設(shè)計”的教學(xué)改革研究，并設(shè)計了異步電動機協(xié)調(diào)控制的綜合實驗平臺。

1矢量控制數(shù)學(xué)模型

交流調(diào)速的教學(xué)往往是數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多、仿真也僅限于課堂教學(xué)演示。學(xué)生缺少相關(guān)的訓(xùn)練，對電機數(shù)學(xué)模型及各種控制方法難以理解，更不清楚矢量控制理論在實際系統(tǒng)中如何實現(xiàn)［3－4］。所以課程設(shè)計開始要引導(dǎo)學(xué)生對教材中各種矢量控制系統(tǒng)模型特點進行分析總結(jié)，并對西門子MM440變頻器的各種控制結(jié)構(gòu)圖［5］進行對比分析，找出理論上與實際交流調(diào)速系統(tǒng)最接近的控制模型，深刻理解矢量控制技術(shù)在實際系統(tǒng)中如何具體實現(xiàn)。相關(guān)文獻［6－8］有多種矢量控制理論的異步電動機控制模型。按照轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)、根據(jù)其對磁鏈處理方法不同又分為間接矢量控制系統(tǒng)和直接矢量控制系統(tǒng)，后者模型一般包括速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器，甚至包括三相電流調(diào)節(jié)器。其中，逆變器采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的異步電動機直接矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)與實際變頻器中的矢量控制模型比較接近。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖都設(shè)置了轉(zhuǎn)速和磁鏈兩個閉環(huán)子系統(tǒng)，但實際系統(tǒng)沒有設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，而是通過勵磁電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器實現(xiàn)解耦控制。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速獲取方法不同又分為不帶編碼器(SLVC)的和帶編碼器(VC)的矢量控制模型;兩個模型根據(jù)控制系統(tǒng)給定值不同，又都具有轉(zhuǎn)速控制及轉(zhuǎn)矩控制兩種方式。但這里的轉(zhuǎn)矩控制是指變頻器的控制方式，區(qū)別于理論上同樣基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。圖2中速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器及關(guān)于轉(zhuǎn)子磁場定向角辨識的3個模塊都含有可設(shè)定參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運行可以精確調(diào)試，或者采用變頻器默認(rèn)參數(shù)值。磁鏈閉環(huán)子系統(tǒng)的不同是實際系統(tǒng)與理論模型的主要差別:磁鏈子系統(tǒng)中磁化曲線模塊的輸出，作為勵磁電流調(diào)節(jié)器的給定值。因此實際操作中，預(yù)先通過變頻器參數(shù)設(shè)定環(huán)節(jié)測量電動機的磁化曲線顯得非常重要。通過模型分析，學(xué)生不僅深入了解矢量控制理論在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，而且容易理解變頻器有關(guān)矢量控制參數(shù)的物理意義以及設(shè)置。

2工業(yè)過程閉環(huán)控制

西門子MM440矢量變頻器的控制方式按照電動機的數(shù)學(xué)模型可以分為兩大類:基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的V/f特性控制和基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的矢量控制［9］。前者又細(xì)分為V/f線性的、帶有電壓提升的、滑差補償?shù)膸追N方式，但都是電機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制;而后者是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。為了滿足實際控制系統(tǒng)的要求，變頻器提供了工藝流程PID控制器。以節(jié)能為主要目的的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)一般只需要平滑調(diào)速，對動態(tài)性能要求不高，適合采用V/f特性控制方式，如變頻供水和通風(fēng)系統(tǒng)。課程設(shè)計題目要求學(xué)生設(shè)計由PLC、變頻器和兩臺電機組成的“一拖多”變頻供水系統(tǒng)。完成從變頻器的控制方式、閉環(huán)控制系統(tǒng)的給定、反饋通道和反饋信號等變頻器有關(guān)參數(shù)設(shè)置，到PLC的簡單控制程序。熟悉系統(tǒng)的PID控制器默認(rèn)參數(shù)及調(diào)節(jié)范圍，并在最后實驗過程中運行調(diào)試。硬件電路包括接觸器、PLC的控制電路，還有從實驗平臺數(shù)字電壓表箱取出負(fù)載發(fā)電機輸出電壓信號，模擬供水壓力反饋信號給變頻器的模擬輸入端子。

3工業(yè)現(xiàn)場總線

現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)很少是單臺變頻器(電機)運行，往往是數(shù)臺變頻器協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)中還有各種數(shù)據(jù)采集及其他智能終端設(shè)備。矢量變頻器在復(fù)雜系統(tǒng)中僅僅是一個高智能的電機驅(qū)動器，依靠其擴展通訊模塊集成到工業(yè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中。課程設(shè)計典型題目—多電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，要求學(xué)生設(shè)計卷繞機械裝置驅(qū)動控制系統(tǒng)。這里不僅要控制卷材的張力還要協(xié)調(diào)兩臺電機的運行速度［10］，兩臺電機分別采用轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制。變頻器適合采用無脈沖編碼器的矢量控制(SLVC)方式。SLVC的控制性能取決于變頻器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置以及電動機數(shù)據(jù)測量的精度，因此，系統(tǒng)調(diào)試前必須用變頻器對電動機所有參數(shù)進行自動檢測。主、從電動機協(xié)調(diào)控制實驗平臺采用低成本的集成方式。采用西門子PLC200SMART可編程控制器和兩臺MM440變頻器，通訊采用485總線、USS通訊協(xié)議，因此不需要額外的現(xiàn)場總線通訊模塊。PLC200作為主站控制變頻器，按照系統(tǒng)的設(shè)計要求設(shè)置變頻器的控制參數(shù)，控制電動機的啟動、停止，控制方式的切換，運行速度的協(xié)調(diào)等;并采集每臺電動機的運行數(shù)據(jù)傳送到工作站。除了交流調(diào)速系統(tǒng)外，典型的直流電機雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)、機器人［11－12］及車輛控制等作為課程設(shè)計題目具有豐富的研究內(nèi)容，所以要不斷地為學(xué)生創(chuàng)造相應(yīng)的實踐教學(xué)環(huán)境。

4結(jié)語

“運動控制”課程設(shè)計的教學(xué)過程具有綜合性、實踐性和創(chuàng)新性的特點，課程設(shè)計過程要啟發(fā)學(xué)生以掌握的理論知識去分析先進工程技術(shù)實際模型。這里特別要注重矢量控制結(jié)構(gòu)圖中理論與實際的差距，掌握變頻器參數(shù)設(shè)置及工藝流程PID控制器的應(yīng)用，以及現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)、人機界面與組態(tài)軟件技術(shù)的綜合應(yīng)用。

作者：徐江寧 單位：大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部

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