變頻調(diào)速典型控制系統(tǒng)（三）

馬小亮

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

第3講 工藝調(diào)速的典型轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)［1－3］

工藝調(diào)速（含車(chē)輛牽引和船舶推進(jìn)調(diào)速）指因工藝要求而調(diào)速，不調(diào)速便不能工作的系統(tǒng)，不能像節(jié)能調(diào)速那樣“旁路變頻器”。它們的控制目標(biāo)主要有3類：轉(zhuǎn)速控制、張力控制和位置控制。本講和第4講介紹轉(zhuǎn)速控制，在第5講和第6講中分別介紹張力控制和位置控制。工藝調(diào)速傳動(dòng)又分單電機(jī)傳動(dòng)和多電機(jī)傳動(dòng)2大類。單電機(jī)傳動(dòng)指一個(gè)生產(chǎn)機(jī)械或一個(gè)工藝區(qū)段只有1臺(tái)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，或雖然有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)但它們的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，彼此間沒(méi)有相互約束。多電機(jī)傳動(dòng)指一個(gè)生產(chǎn)機(jī)械或一個(gè)工藝區(qū)段中有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，它們的運(yùn)動(dòng)不獨(dú)立，彼此之間存在約束，例如存在機(jī)械軸或通過(guò)被加工物體連在一起（另一種機(jī)械聯(lián)系），有的彼此間無(wú)機(jī)械聯(lián)系但工藝要求同步。本講介紹單電機(jī)傳動(dòng)和多電機(jī)傳動(dòng)中單個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，多電機(jī)傳動(dòng)中各電動(dòng)機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制在第4講中介紹。

絕大多數(shù)工藝調(diào)速系統(tǒng)都基于第1講第1.4節(jié)介紹的高性能基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)，它們的內(nèi)環(huán)（轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL）全一樣，在隨后的介紹中不再討論，認(rèn)為它能使電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩T快速、精確地跟蹤其給定值T＊。針對(duì)不同工藝要求設(shè)計(jì)的不同調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別僅在于轉(zhuǎn)速環(huán)，后續(xù)討論只聚焦于轉(zhuǎn)速環(huán)及轉(zhuǎn)矩給定。

3.1 一般調(diào)速系統(tǒng)

這是一類量大面廣的調(diào)速系統(tǒng)，生產(chǎn)機(jī)械針對(duì)不同的產(chǎn)品品種或規(guī)格，要求有相應(yīng)的不同運(yùn)行速度，運(yùn)行過(guò)程中往往要求保持恒速，對(duì)轉(zhuǎn)速精度和調(diào)速范圍要求不高，對(duì)加減速等動(dòng)態(tài)性能也沒(méi)有特殊要求。這類系統(tǒng)可以采用無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器的基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)或V／f控制的標(biāo)量控制系統(tǒng)。

3.2 穩(wěn)速系統(tǒng)

穩(wěn)速系統(tǒng)的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載平穩(wěn)，但要求在各種擾動(dòng)（負(fù)載、電網(wǎng)、溫度等擾動(dòng)）條件下保持較高的穩(wěn)速精度長(zhǎng)期運(yùn)行。這類系統(tǒng)的典型應(yīng)用是：風(fēng)洞、橡膠壓延機(jī)、造紙機(jī)等傳動(dòng)。對(duì)于風(fēng)洞，風(fēng)速不穩(wěn)測(cè)量數(shù)據(jù)就不準(zhǔn)確；對(duì)于造紙機(jī)，速度不穩(wěn)則紙張定量偏差大，易斷頭。它們著眼于長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，不要求很高的調(diào)速范圍及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

在調(diào)速系統(tǒng)采用模擬控制的時(shí)代，這類系統(tǒng)很難做，因?yàn)樾枰呔群透叻€(wěn)定度的給定電源及測(cè)速裝置。進(jìn)入數(shù)字控制時(shí)代，采用數(shù)字給定、數(shù)字反饋及基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速要求已不困難。數(shù)字給定和數(shù)字反饋量不受溫度影響，無(wú)轉(zhuǎn)速靜差的基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)使得穩(wěn)態(tài)反饋量等于給定量，從而消除了溫度變化對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，緩慢的溫度變化也不會(huì)引起動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。電網(wǎng)波動(dòng)的影響已在轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL中被抑制。穩(wěn)速系統(tǒng)負(fù)載平穩(wěn)，它的緩慢變化不影響無(wú)轉(zhuǎn)速靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。

穩(wěn)速系統(tǒng)宜用有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)，無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速觀測(cè)結(jié)果受轉(zhuǎn)子電阻變化影響，精度不高。

3.3 寬調(diào)速系統(tǒng)

寬調(diào)速系統(tǒng)要求100以上的寬調(diào)速范圍，在最低速時(shí)仍能保持一定靜差率平穩(wěn)運(yùn)行（靜差率又稱轉(zhuǎn)速變化率，是指在某一設(shè)定轉(zhuǎn)速下負(fù)載由空載到額定負(fù)載變化時(shí)，空載轉(zhuǎn)速n0與額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速n之差的相對(duì)值（%），其基值是n；調(diào)速范圍又稱調(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nmax到最低轉(zhuǎn)速nmin的轉(zhuǎn)速變化倍數(shù)）。這類系統(tǒng)的典型應(yīng)用是機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，在退刀及空走時(shí)要快，在接近期望尺寸時(shí)要慢。寬調(diào)速類和穩(wěn)速類都要求靜差率小，但寬調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)低速性能。

寬調(diào)速系統(tǒng)也采用基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)，有幾個(gè)問(wèn)題需注意。

1）寬調(diào)速系統(tǒng)宜采用有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)，因?yàn)闊o(wú)轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)在低速時(shí)調(diào)速精度差。

2）有轉(zhuǎn)速傳感器的基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)在低速時(shí)電動(dòng)機(jī)模型從電壓模型過(guò)渡到電流模型，受轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)變化影響，調(diào)速精度降低（矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都一樣），寬調(diào)速系統(tǒng)最好使用有轉(zhuǎn)子電阻溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)的變頻器。

3）基于編碼器＋脈沖／數(shù)字變換的數(shù)字轉(zhuǎn)速檢測(cè)存在最低轉(zhuǎn)速限制條件在1個(gè)采樣周期中至少有1個(gè)編碼器脈沖。寬調(diào)速系統(tǒng)必須按最低轉(zhuǎn)速公式來(lái)選擇轉(zhuǎn)速采樣周期長(zhǎng)度T和編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)pe

式中：x為倍頻數(shù)，x＝1，2，4；p為倍頻后的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。

4）如果最低轉(zhuǎn)速太低，單靠基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足要求，可以在極低速段把轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)改造成位置跟蹤控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速給定經(jīng)數(shù)字積分變成轉(zhuǎn)角位置給定信號(hào)，位置跟蹤控制系統(tǒng)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角跟隨給定信號(hào)運(yùn)行，這樣的調(diào)速系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是鎖相系統(tǒng)。

3.4 頻繁加減速、正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)

有些生產(chǎn)機(jī)械，需要頻繁啟制動(dòng)、加減速、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，它的生產(chǎn)率取決于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的快速性。這類系統(tǒng)的典型應(yīng)用是可逆軋鋼機(jī)、龍門(mén)刨床等傳動(dòng)。它們對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求是：

1）由于頻繁快速制動(dòng)，制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量巨大，如果通過(guò)電阻能耗來(lái)吸收，太浪費(fèi)能源，希望能把制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)，變頻器4象限運(yùn)行；

2）對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速給定的響應(yīng)要快，要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間＜10～20ms，轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間與電動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)械的慣量有關(guān)，如果不帶機(jī)械（電動(dòng)機(jī)空載），希望轉(zhuǎn)速對(duì)小階躍給定信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間100 ms左右（在調(diào)節(jié)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR不飽和）。

常用的4象限變頻器有3種：晶閘管交－交變頻器；整流／回饋電源＋電壓型直－交逆變器；PWM整流電源（有源前端AFE）＋ 電壓型直－交逆變器（簡(jiǎn)稱“雙PWM變頻器”）。對(duì)于大功率傳動(dòng)（＞2MW），主要采用交－交變頻器或三電平雙PWM變頻器。這2種變頻器的性能差不多，都能滿足生產(chǎn)要求，二者的差別是：交－交變頻器技術(shù)較成熟，更可靠，變頻器本身便宜，但需要輔以龐大的電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波吸收裝置及它們需要的建筑場(chǎng)地；三電平雙PWM變頻器較貴，但不需要電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波吸收裝置，變頻器本身增加的成本可以從供電設(shè)備和土建節(jié)約的成本中得到補(bǔ)償，所以它得到越來(lái)越多的應(yīng)用。對(duì)于中功率和中小功率傳動(dòng)（＜2MW），AFE太貴，雙PWM變頻器較少采用，整流／回饋電源＋電壓型直－交逆變器用的較多。由于在電網(wǎng)異常降低時(shí)，晶閘管整流／回饋電源可能逆變顛覆，因此這種電源不適合用于電網(wǎng)可靠性不高的場(chǎng)合。在這種場(chǎng)合，逆變器的電源只好用不可控整流電源＋制動(dòng)單元和電阻，把制動(dòng)能量消耗在電阻中，或用IGBT整流／回饋電源。如果在一個(gè)工作面或1條生產(chǎn)線上有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)需要變頻調(diào)速，宜采用公共直流母線供電方式，即由1套大的整流電源向多套逆變器供電，在某一臺(tái)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，它的制動(dòng)能量可以經(jīng)公共直流母線轉(zhuǎn)移到其他處于電動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)中去，不必回饋電網(wǎng)，從而大大減少回饋功率和設(shè)備容量。有關(guān)上述幾種變頻器和電源的簡(jiǎn)介參見(jiàn)第1講第1.3節(jié)。

由于這類系統(tǒng)要求快速加減速和正反轉(zhuǎn)，有些文獻(xiàn)在介紹它的啟制動(dòng)過(guò)程時(shí)按突加給定來(lái)考慮，施加突加給定后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和（進(jìn)入限幅區(qū)），電動(dòng)機(jī)按最大轉(zhuǎn)矩（一般設(shè)定為2～2.5倍額定轉(zhuǎn)矩）來(lái)加、減速，在轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，ASR退出飽和，經(jīng)微小超調(diào)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值。這種控制方法曾用于機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)，那時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)百ms，給被拖動(dòng)機(jī)械帶來(lái)的沖擊小。由于轉(zhuǎn)矩上升和下降時(shí)間長(zhǎng)，在整個(gè)啟制動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩停留在最大值的時(shí)間很短，平均啟制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比最大轉(zhuǎn)矩小很多，為快速啟制動(dòng)必須把最大轉(zhuǎn)矩用到極限。采用電力電子控制后，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間縮短到小于10～20ms，如果還按最大轉(zhuǎn)矩來(lái)啟制動(dòng)，被拖動(dòng)機(jī)械承受不了，因?yàn)闄C(jī)械中的齒輪箱和聯(lián)軸器中通常都存在間隙，這么猛烈的頻繁沖擊會(huì)打壞它們，沖擊帶來(lái)的振動(dòng)也會(huì)影響機(jī)械安全，這種機(jī)械事故曾多次發(fā)生。轉(zhuǎn)矩上升和下降時(shí)間縮短后，啟制動(dòng)平均轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩之差減小，適當(dāng)減小最大啟制動(dòng)轉(zhuǎn)矩同樣可以滿足生產(chǎn)要求。為給機(jī)械的靜負(fù)載留有余量，調(diào)速系統(tǒng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（ASR的限幅值）仍按2～2.5倍設(shè)置，啟制動(dòng)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩不用到那么大，而是按期望的啟制動(dòng)時(shí)間來(lái)控制。這樣設(shè)置后，啟制動(dòng)時(shí)ASR一般不飽和，除非靜負(fù)載特別大。為減小對(duì)機(jī)械的沖擊，除了降低啟制動(dòng)轉(zhuǎn)矩外，還要求限制轉(zhuǎn)矩變化率。上述控制要求通過(guò)在轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)矩給定通道中增設(shè)斜坡給定環(huán)節(jié)（RFG）實(shí)現(xiàn)。

RFG的特點(diǎn)是限制給定信號(hào)的變化率：當(dāng)RFG輸入信號(hào)的斜率高于其設(shè)定值時(shí)，RFG的輸出按設(shè)定的變化率追趕輸入，等到輸出趕上輸入后，維持輸出等于輸入；當(dāng)RFG輸入信號(hào)的斜率低于其設(shè)定值時(shí)，RFG輸出無(wú)滯后的跟隨輸入，維持輸出等于輸入。有2種RFG：普通RFG和帶圓角RFG。普通RFG常用于轉(zhuǎn)矩給定通道，限制轉(zhuǎn)矩變化率，其框圖示于圖1a，它的輸入x（轉(zhuǎn)矩給定ASR的輸出）和輸出y（變化率被限制后的轉(zhuǎn)矩給定轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的輸入）響應(yīng)曲線示于圖1b，圖1中輸出yA是輸出y的一階微分信號(hào)（yA＝dy／dt）。

圖1 普通RFG

帶圓角RFG常用于轉(zhuǎn)速給定通道，限制轉(zhuǎn)速變化率及轉(zhuǎn)矩變化率。與普通RFG不同，它的輸出y（轉(zhuǎn)速給定n＊ASR輸入）不僅是一個(gè)斜坡，而且要求在斜坡的起始和終結(jié)部分是圓角，即要求加速度yA（yA＝dy／dt＝dn＊／dt）是梯形波，其變化率也受到限制。這類RFG有時(shí)又稱S曲線給定。帶圓角RFG的框圖及響應(yīng)曲線分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 帶圓角RFG框圖

圖3 帶圓角RFG的響應(yīng)曲線

兩種RFG的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)［1，3－4］。普通RFG中轉(zhuǎn)矩給定變化率的設(shè)置范圍為0～20ms／額定轉(zhuǎn)矩變化。帶圓角RFG中啟制動(dòng)時(shí)間按生產(chǎn)要求設(shè)置，由于靜負(fù)載對(duì)啟動(dòng)和制動(dòng)的影響不同，所以啟動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)時(shí)間往往設(shè)的不一樣。

引入RFG后，啟動(dòng)過(guò)程實(shí)際轉(zhuǎn)速n對(duì)轉(zhuǎn)速給定n＊的跟蹤波形示意圖繪于圖4a，在啟動(dòng)過(guò)程大部分時(shí)間里n幾乎無(wú)差的跟隨給定n＊上升，只是在啟動(dòng)之初和結(jié)束時(shí)段n滯后n＊，帶來(lái)跟蹤誤差。

圖4 有RFG的轉(zhuǎn)速跟蹤波形示意圖

某些生產(chǎn)線對(duì)前后機(jī)械的協(xié)調(diào)要求高，希望有更好的轉(zhuǎn)速跟蹤性能，引入轉(zhuǎn)速預(yù)控環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)這目標(biāo)。轉(zhuǎn)速預(yù)控框圖示于圖5，來(lái)自RFG的加速度給定信號(hào)yA（yA＝dy／dt＝dn＊／dt）乘電動(dòng)機(jī)和機(jī)械的機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，得到轉(zhuǎn)速預(yù)控信號(hào)附加轉(zhuǎn)矩給定T＊，它等于加減速所需動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩之給定

ΔT＊和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)T＊相加，一起作為轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的輸入。在加減速時(shí)，從預(yù)控通道來(lái)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩給定，經(jīng)ATL產(chǎn)生加減速所需的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速開(kāi)始加減速，從而減小轉(zhuǎn)速跟蹤誤差。無(wú)預(yù)控通道時(shí)，要等到轉(zhuǎn)速偏差出現(xiàn)，ASR輸出變化，才能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩給定，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的滯后導(dǎo)致轉(zhuǎn)速跟蹤誤差大。引入轉(zhuǎn)速預(yù)控環(huán)節(jié)后的啟動(dòng)波形繪于圖4b，與圖4a相比轉(zhuǎn)速跟蹤性能有很大改善。良好的跟蹤性能使得啟制動(dòng)時(shí)間和行程得到很好控制，且受靜負(fù)載影響小，為生產(chǎn)線中前后生產(chǎn)機(jī)械的協(xié)調(diào)和配合帶來(lái)許多方便，有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。轉(zhuǎn)速預(yù)控不只用于頻繁加減速、正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)，也用于對(duì)轉(zhuǎn)速跟蹤有要求的其他類型典型轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速預(yù)控框圖見(jiàn)圖5。

圖5 轉(zhuǎn)速預(yù)控框圖

3.5 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)也是一種可逆系統(tǒng)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)提升和下放重物。這類系統(tǒng)的典型應(yīng)用是礦井卷?yè)P(yáng)，鉆機(jī)的鉆桿提升，各種起重設(shè)備，電梯等。

提升系統(tǒng)和前節(jié)介紹的快速正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)都要求正反轉(zhuǎn)，但二者的負(fù)載性質(zhì)不同?？焖僬崔D(zhuǎn)系統(tǒng)的負(fù)載是阻力性負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向總是和運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙運(yùn)動(dòng)。提升系統(tǒng)的負(fù)載是位勢(shì)性負(fù)載，在提升重物（重物的重量大于平衡重的重量）時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)工作，在下放重物時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)動(dòng)方向相同，電動(dòng)機(jī)再生工作。若提升和下放輕物（輕物的重量小于平衡重的重量），情況則相反，提升時(shí)電動(dòng)機(jī)再生工作，下放時(shí)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)工作。許多提升設(shè)備的提升距離很長(zhǎng)，幾十米、幾百米、甚至幾千米，再生能量非常大，最好能把它回饋電網(wǎng)，變頻器4象限工作。和快速正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)一樣，大功率提升機(jī)（＞2MW）采用交－交變頻器或三電平雙PWM變頻器。對(duì)于中功率和中小功率傳動(dòng)（＜2MW），晶閘管或IGBT整流／回饋電源＋電壓型直－交逆變器用的較多，在某些對(duì)電網(wǎng)諧波要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，例如高樓的電梯，為避免變頻器干擾樓中其他電子和通信設(shè)備工作，有時(shí)用兩電平雙PWM變頻器，盡管AFE價(jià)高。某些提升設(shè)備，例如鉆機(jī)，它的供電電網(wǎng)容量小，可靠性差，還有些移動(dòng)設(shè)備，它的供電通過(guò)滑道輸入，偶爾會(huì)因滑道和電刷接觸不良而斷電，它們都不適合采用整流／回饋電源或AFE，因?yàn)樵陔娫磾嚯姇r(shí)它們會(huì)產(chǎn)生逆變顛覆或回饋通道斷路故障，逆變器停止工作，不能把再生能量從直流回路回饋到電網(wǎng)，導(dǎo)致重物拖著電動(dòng)機(jī)自由下滑，僅靠緊急抱閘來(lái)防止事故，非常危險(xiǎn)。對(duì)于這些電網(wǎng)可靠性不高的設(shè)備，最好用不可控整流電源＋制動(dòng)單元和電阻，把制動(dòng)能量消耗在電阻中。注意，如果再生工作時(shí)間長(zhǎng)，要按長(zhǎng)期工作制選取制動(dòng)單元和電阻容量，這時(shí)逆變器的控制電源需靠不停電電源維持工作。也可以再生能量吸收裝置和回饋電源都裝設(shè)，電網(wǎng)正常時(shí)用回饋電源，電網(wǎng)異常時(shí)用制動(dòng)單元和電阻，既安全又節(jié)能，只是初期投資略大。

提升系統(tǒng)和快速正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)控制的要求相近，但側(cè)重點(diǎn)不同，快速正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)加減速的快速性，提升系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)加減速的平穩(wěn)性。它們都要求用帶圓角RFG產(chǎn)生S形轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，但提升系統(tǒng)需設(shè)定較長(zhǎng)的加減速時(shí)間和圓角時(shí)間。由提升負(fù)載性質(zhì)決定，提升系統(tǒng)沒(méi)有基速以上的恒功率弱磁調(diào)速要求。

為把物體運(yùn)送到正確位置，提升系統(tǒng)有準(zhǔn)確停車(chē)要求，在物體快到位時(shí)先從提升速度降至爬行速度，等爬行到接近停車(chē)位置時(shí)再?gòu)呐佬兴俣冉抵亮闼?，然后用抱閘抱住，為此需要用位置檢測(cè)及計(jì)算行程的方法來(lái)確定開(kāi)始減速時(shí)刻及開(kāi)始停車(chē)時(shí)刻。

在提升初始松開(kāi)抱閘時(shí)，通常電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩差的作用下將出現(xiàn)“溜車(chē)”問(wèn)題。為避免“溜車(chē)”，要求在松開(kāi)抱閘前，給基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的輸入施加1個(gè)附加轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。為此要求在提升機(jī)械上裝設(shè)稱重設(shè)備，計(jì)算附加轉(zhuǎn)矩給定量。為準(zhǔn)確控制該附加轉(zhuǎn)矩，調(diào)速系統(tǒng)最好釆用有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)，因?yàn)樵诘退俸投罗D(zhuǎn)時(shí)無(wú)轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制誤差大。

3.6 抗負(fù)載擾動(dòng)系統(tǒng)［2，3］

調(diào)速系統(tǒng)受到的擾動(dòng)主要有負(fù)載波動(dòng)、電網(wǎng)波動(dòng)和溫度變化。采用數(shù)字控制后轉(zhuǎn)速給定和反饋量都是數(shù)字量，不受溫度影響，無(wú)轉(zhuǎn)速靜差的基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)使得穩(wěn)態(tài)反饋量等于給定量，從而消除了溫度變化對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，緩慢的溫度變化也不會(huì)引起動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。電網(wǎng)波動(dòng)的影響已在轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL中被抑制。剩余的擾動(dòng)是對(duì)調(diào)速系統(tǒng)影響最大的負(fù)載擾動(dòng)，本節(jié)討論如何抗負(fù)載擾動(dòng)。

抗負(fù)載擾動(dòng)系統(tǒng)和前面介紹的快速正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)都要求調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，但側(cè)重點(diǎn)不同，快速正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)要求對(duì)給定響應(yīng)快，抗負(fù)載擾動(dòng)系統(tǒng)要求抗負(fù)載擾動(dòng)性能好?？关?fù)載擾動(dòng)系統(tǒng)的典型應(yīng)用是連續(xù)軋鋼機(jī)主傳動(dòng)。工作時(shí)鋼材在幾個(gè)機(jī)架中同時(shí)被軋制，各機(jī)架主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速按秒流量原則設(shè)定，使得在正常軋制時(shí)各機(jī)架間的鋼材既不受拉，也不堆積。問(wèn)題出在咬鋼期間，例如某一時(shí)刻第N機(jī)架咬入鋼材，受突加負(fù)載影響，該機(jī)架轉(zhuǎn)速要先下降一下，再逐漸恢復(fù)，這時(shí)前一架的轉(zhuǎn)速已恢復(fù)，仍按照原來(lái)設(shè)定的速度供料，導(dǎo)致在第N機(jī)架和N－1機(jī)架之間鋼材堆積，堆積量的大小比例于調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)中的動(dòng)態(tài)偏差當(dāng)量Am，即受突加負(fù)載擾動(dòng)后在恢復(fù)時(shí)間tre內(nèi)轉(zhuǎn)速與給定值差的積分－偏差面積。受突加負(fù)載擾動(dòng)后的轉(zhuǎn)速波動(dòng)示意圖繪于圖6，圖6中σm（%）是動(dòng)態(tài)波動(dòng)量相對(duì)值（基值是），tre是恢復(fù)時(shí)間。動(dòng)態(tài)偏差當(dāng)量為

圖6 突加負(fù)載擾動(dòng)后轉(zhuǎn)速波動(dòng)示意圖

減小動(dòng)態(tài)偏差當(dāng)量Am最有效的措施是引入負(fù)荷觀測(cè)器，其框圖示于圖7。圖7中的調(diào)速系統(tǒng)是基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)，由斜坡轉(zhuǎn)速給定RFG、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL組成。負(fù)荷觀測(cè)器的任務(wù)是根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速實(shí)際值n和轉(zhuǎn)矩實(shí)際值T（對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，T是轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器的反饋信號(hào)；對(duì)于矢量控制系統(tǒng)，T是定子電流轉(zhuǎn)矩分量與磁鏈值Ψ的乘積），計(jì)算和輸出電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)值TL.ob.I，它是 A TL的附加轉(zhuǎn)矩給定，與ASR輸出的轉(zhuǎn)矩給定T＊相加，共同產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。沒(méi)有負(fù)荷觀測(cè)器時(shí)，克服靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩所需之電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩要在轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速偏差n＊－n出現(xiàn)后，經(jīng)ASR的PI作用，使T＊增大才能得到，這個(gè)過(guò)程較慢。有負(fù)荷觀測(cè)器后，在轉(zhuǎn)速降低和轉(zhuǎn)矩增加雙重因素作用下，觀測(cè)器很快輸出靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)值，送給ATL，使轉(zhuǎn)矩迅速增大，σm，tre和Am減小。這時(shí)ASR的輸出不再承擔(dān)提供靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定的任務(wù)，只承擔(dān)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩給定和補(bǔ)償負(fù)荷觀測(cè)誤差任務(wù)，變化范圍大大減小，穩(wěn)態(tài)時(shí)T＊≈0。

圖7 負(fù)荷觀測(cè)器框圖

負(fù)荷觀測(cè)器由負(fù)荷觀測(cè)調(diào)節(jié)器LOR（比例P和積分I分離的PI調(diào)節(jié)器）和模擬電動(dòng)機(jī)的積分器LI組成，LI的積分時(shí)間常數(shù)等于電動(dòng)機(jī)和機(jī)械的機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm。在負(fù)荷觀測(cè)器里，轉(zhuǎn)速觀測(cè)值

在實(shí)際的電動(dòng)機(jī)里，轉(zhuǎn)速

負(fù)荷觀測(cè)調(diào)節(jié)器LOR是PI調(diào)節(jié)器，在觀測(cè)器內(nèi)小閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)束后，LOR的輸入nob－n＝0，則

由上式知，在觀測(cè)器內(nèi)小閉環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，LOR的輸出TL.ob等于電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，條件是調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩T計(jì)算準(zhǔn)確和LI積分時(shí)間常數(shù)確實(shí)等于電動(dòng)機(jī)和機(jī)械的機(jī)電時(shí)間常數(shù)（Tm測(cè)量準(zhǔn)確）。

通常LOR的比例系數(shù)VR.ob很大，積分時(shí)間常數(shù)Tob較小，輸出信號(hào)TL.ob中容易含有較大噪聲，若把它作為附加轉(zhuǎn)矩給定送到ATL，會(huì)給調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)干擾。用LOR中的I輸出（積分器輸出）TL.ob.I代替PI總輸出TL.ob作為附加轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)（見(jiàn)圖7），能解決噪聲問(wèn)題。在觀測(cè)器內(nèi)小閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)束nob－n＝0時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的總輸出等于其I輸出，所以 TL.ob.I和 TL.ob一樣 ，也等于電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩。TL.ob.I是積分器的輸出，波形平滑，噪聲小。

觀測(cè)器內(nèi)小閉環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖示于圖8。數(shù)字控制的采樣開(kāi)關(guān)通常用零階保持器來(lái)描述，在用頻率法分析系統(tǒng)時(shí)可以用一個(gè)時(shí)間常數(shù)為σsam＝Tsam／2（Tsam為調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)采樣周期）的小慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似。小閉環(huán)內(nèi)除調(diào)節(jié)器（LOR）外，還有1個(gè)積分環(huán)節(jié)（LI）和1個(gè)小慣性環(huán)節(jié)（采樣），根據(jù)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法（見(jiàn)文獻(xiàn)［3，5］），調(diào)節(jié)器宜采用PI調(diào)節(jié)器，可以按典型Ⅱ型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)。取h＝5，則

注意，在計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，小時(shí)間常數(shù)σsam中，除Tsam／2外，還應(yīng)包括環(huán)內(nèi)所有濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

調(diào)試時(shí)有時(shí)遇到按此式算出的VR.ob較大，噪聲大，影響系統(tǒng)工作情況，這時(shí)需適當(dāng)減小VR.ob，加大Tob。

圖8 觀測(cè)器內(nèi)小閉環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

3.7 多質(zhì)量系統(tǒng)（彈性負(fù)載系統(tǒng)）［2－3，6］

前面所有對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的分析，都把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和生產(chǎn)機(jī)械看成一個(gè)整體，它們的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角相同，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是2個(gè)分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和，這樣的系統(tǒng)稱之為單質(zhì)量系統(tǒng)或剛性負(fù)載系統(tǒng)，這條件在大多數(shù)情況下成立。若電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械間的機(jī)械連接軸細(xì)長(zhǎng)，它的彈性影響不能忽略，為了把負(fù)載轉(zhuǎn)矩從電動(dòng)機(jī)傳遞到生產(chǎn)機(jī)械，機(jī)械軸需要扭轉(zhuǎn)一定角度，這時(shí)轉(zhuǎn)子和機(jī)械的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角將不相同，不能再把它們看成一個(gè)整體，這樣的系統(tǒng)稱之為多質(zhì)量系統(tǒng)或彈性負(fù)載系統(tǒng)。彈性負(fù)載會(huì)帶來(lái)軸扭振，影響運(yùn)行平穩(wěn)性，甚至損壞機(jī)械。多質(zhì)量系統(tǒng)的典型實(shí)例是大型軋機(jī)主傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和軋輥（含軋件）經(jīng)彈性軸連在一起，構(gòu)成一個(gè)2質(zhì)量傳動(dòng)系統(tǒng)，若轉(zhuǎn)子和軋輥間還有齒輪機(jī)座，則為3質(zhì)量傳動(dòng)系統(tǒng)。我國(guó)曾發(fā)生過(guò)多起扭壞主軸的重大事故，因此分析軸扭振產(chǎn)生機(jī)理和了解抑制方法對(duì)大功率調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試非常重要。

軋機(jī)主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子M和軋輥（含軋件）R經(jīng)彈性軸S連在一起，構(gòu)成一個(gè)2質(zhì)量傳動(dòng)系統(tǒng)，示意圖見(jiàn)圖9。圖9中T1和ω1是電機(jī)M的轉(zhuǎn)矩和角速度，T2和ω2是負(fù)載R的轉(zhuǎn)矩和角速度，J1和J2分別是電機(jī)轉(zhuǎn)子和軋輥（含軋件）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θ和K是軸扭轉(zhuǎn)角和彈性系數(shù)，各變量都是測(cè)置值。

圖9 兩質(zhì)量系統(tǒng)示意圖

式中：TL是R的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，認(rèn)為它是常數(shù)；dTL／dt＝0。

用微分算子s□代替d□／dt（□為變量名），由式（8）得：

則

代入式（9）

經(jīng)整理得從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩到角速度的傳遞函數(shù)GL（s）為

式中：CJ為J1在（J1＋J2）中占的比例，CJ＝J1／（J1＋J2）。

若機(jī)械軸S是短粗的剛性軸，彈性系數(shù)K＝∞，

這時(shí)GL（s）是單質(zhì)量系統(tǒng)從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩到角速度的傳遞函數(shù)積分環(huán)節(jié)，積分時(shí)間常數(shù)為（J1＋J2），其對(duì)數(shù)幅頻特性M（ω）是斜率為－20dB／dec的直線并在ωcL＝1／（J1＋J2）處穿越0dB線，相頻特性Φ（ω）為－90°的直線。

若機(jī)械軸S是細(xì)長(zhǎng)的彈性軸，它的GL（s）（式（11））基本上也是同樣的積分環(huán)節(jié)，但 M （ω）和Φ（ω）在兩處有突變：在附近，M（ω）突降至－∞dB，它不影響穩(wěn)定；在（ωu＞ωd）附近，M（ω）突升至＋∞db，它對(duì)穩(wěn)定有影響，稱ωu為軸系固有振蕩頻率。

上述分析基于軸系質(zhì)量都集中在M和R兩處的理想情況，實(shí)際上軸系質(zhì)量不完全集中，而是沿軸線分布，另外中間還有接手等質(zhì)量，所以實(shí)際的M（ω）和Φ（ω）與理想結(jié)果略有區(qū)別，在ωd和ωu的M（ω）值不是－∞dB和＋∞dB，而是有限值，此外在比ωu更高頻率處還有幾個(gè)幅值較小的振蕩頻率，由于它們頻率高、幅值小，一般不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)有害影響。某實(shí)際軸系實(shí)際的M（ω）和Φ（ω）示于圖10。

圖10 某實(shí)際軸系的M（ω）和Φ（ω）

多質(zhì)量調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖示于圖11a，其中ASR和ATL是基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩環(huán)，GL（s）是從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩到角速度（在采用相對(duì)值計(jì)算時(shí)，角速度ω1＝轉(zhuǎn)速n）的傳遞函數(shù)，BSF是陷波濾波器（band－stop filter）。經(jīng)ASR的PI調(diào)節(jié)器校正后，無(wú)BSF時(shí)的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性示于圖11b。從圖11b中看到，在軸系固有振蕩頻率ωu處開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性值突然升高，若該值大于0dB，轉(zhuǎn)速環(huán)就可能出現(xiàn)振蕩，產(chǎn)生軸扭振。軸彈性系數(shù)K越小，ωu越低；系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的穿越頻率ωc越高。這兩個(gè)因素都使ωu和ωc越接近，在ωu處的幅頻值越高，越容易產(chǎn)生軸扭振。

注意：圖11a框圖中，各變量（n＊，n，nf，T＊，T，TL）都是相對(duì)值，而式（11）中的GL（s）是按測(cè)量值算出其傳遞函數(shù)，把它放入本結(jié)構(gòu)框圖時(shí)，本應(yīng)加入變換系數(shù)，由于本圖僅用來(lái)說(shuō)明產(chǎn)生扭振原因，并不真的根據(jù)它計(jì)算，所以圖11a中沒(méi)標(biāo)出變換系數(shù)。

圖11 轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和對(duì)數(shù)幅頻特性

在轉(zhuǎn)速反饋通道中引入陷波濾波器BSF是抑制扭振的有效措施。BSF是選頻濾波環(huán)節(jié)，它阻止某個(gè)預(yù)先選定頻率（陷波頻率）的信號(hào)通過(guò)，而對(duì)其他頻率信號(hào)的通過(guò)無(wú)影響。陷波濾波器BSF框圖示于圖12，圖12中：Ta和Tb為積分器時(shí)間常數(shù)；Vp為比例系數(shù)；w和z為可調(diào)系數(shù)（調(diào)節(jié)范圍0～1）；a，b，c，d，e，f，g為所處位置的信號(hào)。

圖12 BSF框圖

由圖12可得：

由式（14）得：

BSF的輸出

將式（15）代入式（16），經(jīng)整理得BSF的傳遞函數(shù)

用jω置換傳遞函數(shù)中的s，得BSF的頻率特性

由該頻率特性可知：

1）若z＝1，則F（ω）＝1，nf＝n，BSF不起濾波作用，相當(dāng)于無(wú)BSF環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速n直接反饋到ASR；

2）滿足w－TaTbω2＝0條件的頻率是陷波頻率ωf

陷波頻率值用可調(diào)系數(shù)w設(shè)定；

3）在ω＝ωf時(shí)，

陷波頻率信號(hào)衰減程度用可調(diào)系數(shù)z設(shè)定；

4）在低頻段｜TaTbω2－jωVp（1－w）Ta｜?w及高頻段TaTbω2?｜w＋jωVp（1＋w）Ta｜時(shí)，F(xiàn)（ω）＝1，nf＝n，BSF不起濾波作用；

5）比例系數(shù)Vp越小，式（18）分子和分母二次多項(xiàng)式中一次項(xiàng)的系數(shù)Vp（1＋w）Ta越小，陷波頻帶寬度越窄。

BSF的對(duì)數(shù)幅頻特性示于圖13，在設(shè)定的陷波頻率處對(duì)數(shù)幅頻值突然下降，而在其他頻率處對(duì)數(shù)幅頻值＝0（幅頻值＝1）。

圖13 BSF的對(duì)數(shù)幅頻特性

把BSF的陷波頻率選在軸系固有振蕩頻率ωu處，能減小調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性在ωu處的幅值，使之小于0dB，從而抑制振蕩，另一方面它不影響該幅頻特性其它頻率段，不降低穿越頻率ωc值，不影響系統(tǒng)快速性（如果ωu和ωf較低，離穿越頻率ωc近，BSF也會(huì)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能有影響）。以某7000kW同步電動(dòng)機(jī)軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)為例：沒(méi)有陷波濾波前，轉(zhuǎn)速實(shí)際值波動(dòng)約為1%，轉(zhuǎn)矩電流波動(dòng)7.5%；加入陷波濾波后，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)減小到0.35%，轉(zhuǎn)矩電流波動(dòng)減小到1%。

陷波濾波器BSF除了插入在轉(zhuǎn)速反饋通道中外，還可插入在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL之間，效果一樣。對(duì)于2個(gè)以上質(zhì)量系統(tǒng)，危險(xiǎn)的軸系固有振蕩頻率不止一個(gè)，可以在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置幾個(gè)BSF，每個(gè)BSF抑制一個(gè)振蕩頻率。

調(diào)試時(shí)，令調(diào)速系統(tǒng)加減速，記錄轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩電流波形，若發(fā)現(xiàn)波形上疊加有固定頻率的脈動(dòng)，則表明存在扭振。測(cè)量脈動(dòng)頻率，把BSF的陷波頻率設(shè)定為該脈動(dòng)頻率值（調(diào)w），通過(guò)調(diào)正系數(shù)z改變陷波頻率衰減程度及通過(guò)調(diào)Vp改變陷波頻帶寬度，使脈動(dòng)幅值降到最小。

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