电气传动控制系统

内容摘要 随着自动化技术的飞速发展 ，电气传动控制系统也日新月异，电气传动控制系统的概念从出现以来，电气传动控制系统又有了新的发展。电气传动控制系统是近年来引起人们很大兴趣的一个领域：它的研究目标是用机器，通常为传动控制系统、电脑等，尽可能地代替人的体力活动，并且争取在这些方面最终改善并超出人的能力；其研究领域及应用范围十分广泛、例如，自动控制、人工智能、PLC控制系统、智能机器人等等。电气传动控制系统的研究是通过他的原理及其应用而为人类社会的进步作出贡献。 关键词：传动控制，自动控制，PLC控制，智能控制，信息化，电气传动，数字控制。 1.1 电气传动自动控制系统优化设计方法研究概述 电气传动系统又称电力拖动系统,是以电动机作为原动机的机械系统的总称。其目的是为了通过对电动机合理的控制,实现生产机械的起动,停止,速度、位置调节以及各种生产工艺的要求。随着技术的进步及社会对环保、节能要求的日渐严格,电气传动系统在社会各方面的使用越来越广泛。如何优化、设计电气传动系统,以实现更低廉的成本、更好的性能就具有十分重要的意义。 近年来许多新理论新策略应用于电气传动系统中,并获得了良好的效果。但对大部分系统而言,其基本的闭环控制结构、利用调节器对控制对象进行校正以使系统符合要求的方法基本未变。所以,我国电气传动系统设计领域的权威专家陈伯时教授总结出的调节器的“工程设计方法”,目前在实际设计中仍然是主流设计方法。如何设计出优秀的调节器依然是电气传动系统优化设计的主要内容。因此借鉴了“工程设计方法”的基本思想,以电气传动系统的优化设计为目的,在现有的调节器“工程设计方法”基础上,采用其采用少量典型系统、分步设计的基本设计思路,以系统闭环幅频特性峰值、调节时间最小为最优化原则,分别针对典型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型系统研究出一套更能满足实际工程需要的设计方法。并总结出了便于设计者使用的参数、性能指标值计算公式及图表。针对交流电机矢量控制系统鲁棒性差的问题则进行了研究并提出了优化方案。 利用MATLAB编程和SIMULINK仿真对所设计的系统进行验证,结果表明针对典型Ⅰ、Ⅱ型系统的设计方法所设计出的系统性能指标及设计灵活性均好于“工程设计方法”;针对典型Ⅲ型系统的设计方法则是“工程设计方法”所未涉及而又实际需要的,故填补了“工程设计方法”的空白;在交流电机矢量控制系统中引入复合磁链观测器及双层模糊控制器后,系统的鲁棒性及性能得到了提高。 1.2 信息化时代的电气传动技术 ???? 当前世界上正处于信息化的时代，而我国工业化尚未完成，以信息化带动工业化是我们的重要任务。电气传动是工业化的重要基础。正如人体，信息技术好比大脑和神经，生产机械好比四肢，电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与骨骼，大脑再聪明，如果肌肉与骨骼不灵，人体也只能瘫痪。当然电气传动也要适合信息化时代的需要而发展。信息化时代的电气传动技术包含三方面的主要内容：（1）数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段，（2）电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口，（3）可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实。 ??????? 当前，世界这艘航船正行驶在信息化的海洋中，信息技术已成为推动生产力发展的重要动力。我国在生产力特别是科学技术方面总体上虽然还比较落后，但在党中央的英明领导下，正迎头赶上信息化的浪潮，信息产业及其应用正在蓬勃发展，成为覆盖现代化建设全局的战略举措。然而，许多先进的工业国家是在完成了工业化的历史任务后向信息化的时代迈进的，他们开发信息产业具有雄厚的基础。而我国还是以农业为主的国家，根据去年第5次人口普查的统计，乡村人口还占总人口的63.91%,我国的工业化尚未完成，基础工业还比较薄弱。所以必须在发展信息化的同时，特别强调“以信息化带动工业化”，才能“发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展”（《中共中央十五届五中全会公报》）。 ??? 所谓电气传动，是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的物品。自从人类发明并掌握各种机械帮助自己劳动以来，就需要有推动机械的原动力，除人力本身外，最初使用的是畜力、水力和风力，后来又发明了蒸汽机、柴油机、汽油机，19世纪才发明电动机。由于（1）电机的效率高，运转比较经济，（2）电能的传输和分配比较方便，（3）电能容易控制，因此现在电气传动已经成为绝大部分机械的传动方式，成为工业化的重要基础。 ??? 在信息化浪潮中，信息技术带动着先进生产力的发展，这是无可争辩的事实。因此，人们多热中于通信、计算机以及软件等行业，电气传动技术多少有些受到冷淡。但必须注意的是，电气传动是工业化的重要基础，信息本身并不能直接让机器转动，信息技术必须通过电气传动才能带动工业化。正如在人体中，信息技术好比是大脑和神经，生产机械好比是四肢，电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与骨骼。大脑再聪明，如果肌肉和骨骼不灵，人体也只能是瘫痪的。当然，电气传动技术也必须在信息技术的推动下，适应信息化时代的需要而向前发展，才能真正成为以信息化带动工业化的关键环节。 ??? 1 数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段 ??? 最早的自动控制手段是机械控制，后来逐步让位于电气控制和电子控制。近代的电气传动控制手段几乎都是电子控制，常用的电子控制方法有两种：模拟控制和数字控制。自20世纪70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电子控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。目前，常用的微处理器有：单片机（SCP）、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)和包含微处理器的高级专用集成电路(ASIC)。 ??? 由于计算机除一般的计算功能外,还具有逻辑判断和数值运算的能力，因此数字控制和模拟控制相比有两个突出的优点：（1）数字控制器能够实现模拟控制无法实现的各种比较复杂的控制策略，（2）数字控制系统能够完成故障的自诊断，提高诊断过程的智能化。 ??? 2 电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口 ??? 电力电子技术是信息流与物质/能量流之间的重要纽带，如果没有电力电子变换，没有弱电控制强电的接口，则信息始终就是信息，不可能真正用来控制物质生产。现在，电力电子技术的发展正处于壮年期，新的电力电子器件和变换技术仍在不断涌现出来。 ??? 电力电子器件的发展已经经历过三个平台：（1）晶闸管（SCR）,（2）GTR和GTO，（3）IGBT。目前，市场上能够广泛供应的IGBT其电压和电流容量有限，一般只够中、小容量的低压电气传动使用。容量再大时，还得采用GTO，而GTO的可靠性总是不能令人满意的。于是世界上很多电力电子企业和研究所都在努力开发新型的高压功率开关器件，已经问世的有IGCT,IEGT以及3300-6000V的IGBT等，可供中压、大容量电气传动使用。电力电子器件的进一步发展方向是；模块化和集成化、高频化、改善封装、采用新材料（如SiC）等。 ??? 在电力电子变换器中，用于控制直流电机的主要是由全控器件组成的斩波器或PWM变换器，以及晶闸管相控整流器。用于控制交流电机的主要是变压变频器，其中中、小容量的多为PWM变换器。常用的交流PWM控制技术有： ??? （1）基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制； ??? （2）基于消除指定次数谐波的HEPWM控制； ??? （3）基于电流滞环跟踪的CHPWM控制； ??? （4）电压空间矢量控制（SVPWM控制），或称磁链轨迹跟踪控制。 ??? 在以上4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。显然第4种的效果最好，而且是直接控制功率器件的开关状态，算法简单，故应用最广。 ??? 随着电力电子变换器的日益普及，谐波和无功电流给供电电网造成的“电力公害”越来越值得重视。解决这个问题的办法有二：（1）采用有源滤波和无功补偿装置，（2）开发“绿色”电力电子变换器。后者要求功率因数可控，各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度，显然这是一种治本的办法。 ??? 目前已经应用的绿色变换器有：双PWM交-直-交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等。受到普遍重视还在开发的有：交-交矩阵式变换器，它具有输入电流和输出电压都接近正弦波、能量传输可逆、可省去直流滤波电容等优点，但主电路略嫌复杂，如果能成功地开发出双向IGBT模块，则结构可大为简化。 ??? 3 可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实 ??? 直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的可控性能，高性能可调速传动一般都用直流电机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电机，这种分工在当时已成为举世公认的格局。直到20世纪70年代，由于采用电力电子变换器的高效交流变频传动开发成功，结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、效率高、转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领域，一直被认为天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。此后，交流调速传动主要沿着下述三个方向发展和应用：（1）一般性能的节能调速和工艺调速，（2）高性能交流调速系统，（3）特大容量、极高转速的交流传动。 ??? 交流电机主要分异步电机和同步电机两大类。异步电机调速传动种类繁多，以其转差功率的去向来区分有三大类：（1）转差功率消耗型调速——如降电压调速、绕线电机转子串电阻调速；（2）转差功率回馈型调速——如绕线电机串级调速、内馈斩波调速、双馈调速；（3）转差功率不变型调速——如变压变频调速、变极对数调速。各种调速方法各有其用途，目前应用最普遍的是笼型转子电机变压变频调速。同步电机没有转差功率，故其调速只能是转差功率不变（恒等于0）型的，只能靠变压变频调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法。