交流电机转速单闭环调压调速系统设计刘迪.docx
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交流电机转速单闭环调压调速系统设计刘迪
湖南文理学院课程设计报告
课程名称：
交流调压调速控制系统设计
系部：
电气与信息工程学院
专业班级：
自动化08102班
学生姓名：
刘迪
指导教师：
敖章洪
完成时间：
2011-12-29
报告成绩：
评阅意见：
（四号宋体）
评阅教师日期
第1章交流调压调速系统概述
1.1交流调速系统
直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。
在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。
交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。
直到20世纪60-70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。
1.2交流调速系统的应用领域
交流调速系统的应用领域主要有三个方面：
（1）一般性能的节能调速；
（2）高性能的交流调速系统和伺服系统；（3）特大容量、极高转速的交流调速。
（1）一般性能的节能调速
在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。
如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20-30%以上的电能，效果是很可观的。
但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。
（2）高性能的交流调速系统和伺服系统
许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。
但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。
20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。
其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。
（3）特大容量、极高转速的交流调速
直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW·r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。
交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。
1.3交流调速系统的分类
（1）转差功率消耗型
这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。
在三类交流电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
（2）转差功率馈送型
在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多。
无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。
（3）转差功率不变型
在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高。
其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。
1.4调压调速系统
变压调速是交流电机调速方法中比较简便的一种。
由电力拖动原理可知，当交流电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。
目前，交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。
图1.1Y形连接
第2章交流电机转速双闭环调压调速系统设计
2.1交流电机转速双闭环变压调速电路
交流电机转速双闭环变压调速是一种典型的转差功率消耗型调速系统。
图2.1为交流电机转速双闭环变压调速的电路。
图2.1交流电机转速双闭环变压调速电路
交流电机转速双闭环变压调速系统硬件主电路图如下。
图2.2交流电机转速双闭环变压调速硬件主电路
调压电路以晶闸管为开关信号，采用晶闸管交流调压器（TVC）,图2.3为TVC硬件电路，图2.4为TVC的变压控制方式。
图2.3晶闸管交流调压器硬件电路
（a）相位控制
（b）周期控制电压在零点时同步导通
图2.4TVC的变压控制方式
2.2交流电机改变电压时的机械特性
根据电机学原理，在下述三个假定条件下：
忽略空间和时间谐波，
忽略磁饱和，
忽略铁损。
交流电机的稳态等效电路示于图2.5。
图2.5交流电机稳态等效电路
其中，
、
——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；
、
——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；
——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；
、
——定子相电压和供电角频率；
s——转差率。
由图2.5可以推导出
（2-1）
式中，
（2-2）
在一般情况下，
>>
，则C1≈1,这相当于将上述假定条件的第③条改为忽略铁损和励磁电流。
这样，电流公式可简化成
（2-3）
令电磁功率
同步机械角转速
式中
——极对数，则交流电机的电磁转矩为
（2-4）
式（2-4）就是交流电机的机械特性方程式。
它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。
这样，不同电压下的机械特性便如图2.6所示，图中，
表示额定定子电压。
图2.6交流电机不同电压下的机械特性
将式（2-4）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩
（2-5）
（2-6）
由图2.6可见，带恒转矩负载工作时，普通笼型交流电机变电压时的稳定工作点为A、B、C，转差率s的变化范围不超过0-sm，调速范围有限。
如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些。
为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图2.7。
显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。
图2.7交流力矩电机的机械特性
2.3闭环控制的变压调速系统及其静特性
采用普通交流电机的变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载变化时静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾。
为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统。
图2.8所示的是转速双闭环控制变压调速系统的静特性。
当系统带负载在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A’。
同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A’’。
图2.8系统的静特性
按照反馈控制规律，将A’’、A、A’连接起来便是闭环系统的静特性。
尽管交流力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。
如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。
改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。
交流电机转速双闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：
静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压UsN下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性。
当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。
根据图2.1所示的原理图，可以画出静态结构图，如图2.9所示。
图中，Ks=Us/Uc为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；
α=Un/n为转速反馈系数；
ASR采用PI调节器；
n=f（Us,Te）是式（2-4）所表达的交流电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。
图2.9系统静态结构原理图
稳态时，
Un*=Un=αn（2-7）
Te=TL（2-8）
根据负载需要的n和TL可由式（2-4）计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以及相应的Uc。
2.4闭环变压调速系统的近似动态结构图
对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。
由图2.8的静态结构图可以得到动态结构图，如图2.10所示。
其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有交流电机传递函数的推导须费一番周折。
图2.10系统动态结构原理图
其中，
MA——交流电机
FBS——测速反馈环节
转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为
（2-9）
晶闸管交流调压器的触发装置的输入-输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。
传递函数可写成
（2-10）
其近似条件是
（2-11）
考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成
（2-12）
交流电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。
在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。
由式（2-4）已知电磁转矩为
（2-4）
当s很小时，可以近似认为
且
后者相当于忽略交流电机的漏感电磁惯性。
在此条件下，
（2-13）
这是在上述条件下交流电机近似的线性机械特性。
设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上
（2-14）
A点附近有微小偏差时，Te=TeA+ΔTe，Us=UsA+ΔUs，而s=sA+Δs，代入式（2-13）得
（2-15）
将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则
（2-16）
从式（2-16）减去（2-14），得
（2-17）
已知转差率
，其中1是同步角转速，是转子角转速，则
（2-18）
将式（2-18）带入（2-17），得到
（2-19）
式（2-19）就是在稳态工作点附近微偏量ΔTe与ΔUs和Δ间的关系。
带恒转矩负载时的电力拖动系统运动方程式为
（2-20）
按照上述相同的方法处理,可以得到稳态工作点A附近的偏微量运动方程式为
（2-21）
将式（2-21）和（2-19）的微偏量关系画在一起，即得交流电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图2.11所示。
如果只考虑U1到之间的传递函数，可先取TL=0，图2.10中小闭环传递函数可变换成
（2-22）
图2.10忽略电磁惯性时交流电机微偏线性化的近似动态结构图
于是,交流电机的近似线性化传递函数为
（2-23）
式中，
—交流电机的传递系数，
Tm—交流电机拖动系统的机电时间常数，
由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，交流电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即
（2-24）
把得到的四个传递函数式写入图2.11中各方框内，即得交流电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构图。
2.5交流电机转速双闭环调压调速系统启动
现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（图2.12中曲线c），起动时间也短于一级降压起动。
主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。
视起动时所带负载的大小，起动电流可在（0.5-4）
之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动。
负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的脉冲电流，以缩短起动时间。
软起动的功能同样也可以用于制动，用以实现软停车。
图2.11为交流电机的启动过程与电流冲击比较。
图2.12交流电机的启动过程与电流冲击
2.6驱动电路的设计
因从CPU输出的脉冲信号特别小，固应先经过PWM8713脉冲分配器对脉冲进行分配并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动交流步进电机。
具体的连接图如2.13所示：
图2.13驱动电路
PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。
该器件采用DIP16封装，适用于二相或四相步进电机。
PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式，每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强。
在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。
PMM8713有两种脉冲输人法:
双脉冲输人法和单脉冲输人法。
2.7软件程序流程图
（1）驱动程序流程图
图2.13驱动程序流程图
（2）正反转流程图
图2.14正反转流程图
（3）转速快慢控制流程图
图2.15转速快慢控制流程图
第3章课程设计总结
回顾起此次交流调速控制系统课程设计，从选题到定稿，从理论到实践，学到了很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计,我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
通过本次课程设计我们学习到了许多书本上没有的知识，通过自己查资料和互相讨论，对系统进行整体设计后基本达到了要求，实现步进电机速度闭环控制并通过对系统控制算法的比较，综合考虑，选用了闭环的PID控制，使我们对PID的控制有了更深刻的认识，使自己将理论与实际相结合起来同时对51系列的单片机的设计及编程有了更深的了解，学会了很多。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。
同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，在此我表示感谢！
同时，对给过我帮助的同学和老师再次表示感谢！
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：
机械工业出版社，2009
[2]李华德.交流调速控制系统.北京：
电子工业出版社，2004
[3]黄立培.电动机控制.北京：
清华大学出版社，2003
[4]高景德，李发海.交流电机及其系统的分析.北京：
清华大学出版社，1993
[5]刘竞成.交流调速系统.上海：
上海交通大学出版社，1996
[6]刘纯厚.近代交流调速.北京：
冶金工业出版社，1995
[7]梅丽凤.单片机原理及接口技术.北京：
清华大学出版社，2009
附录1部分程序清单
驱动电路子程序
PUSH:
MOV R3,#NUM
PUSHA
PUSHPSW
LOOP:
SETBP1.0
ACALLDELAY1
CLRP1.0
ACALLDELAY2
DJNZR3,LOOP
POPPSW
POPA
RET
延时子程序
MOV R2,#18H
LCALL 7FEBH
RET
ORG 7FEBH ；通用延时子程序
L7FEB:
PUSH 02H ；R2存放时间常数,进栈保护
L7FED:
PUSH 02H ；R2进栈保护
L7FEF:
PUSH 02H ；进栈
L7FF1:
DJNZ R2,$ ；R2不为零等待
POP 02H ；出栈
DJNZ R2,L7FEF ； R2不为零转
POP 02H ； 出栈
DJNZ R2,L7FED ； R2不为零转
POP 02H ； 出栈
DJNZ R2,L7FEB ； R2不为零转
RET ；子程序返回
利用软件形成脉冲序列的程序
PULSE_S:
MOVR7,#NUM；设定脉冲个数
PUSHA；保护现场
PUSHPSW
LOOP:
SETBP1.0；输出高电平
ACALLDELAY1；延时
CLRP1.0；输出低电平
ACALLDELAY2；延时
DJNZR7,LOOP；R7≠0，继续输出脉冲
POPPSW；恢复现场
POPA
RET
交流步进电机控制程序
ORG0200H
STOP:
ORLP1,#0FFH；交流步进电机停止
LOOP:
JNBP3.2,FOR2；如果P3.2按下正转
JNBP3.3,REV2；如果P3.3按下反转
JNBP3.4,STOP1；如果P3.4按下停止
JMPLOOP；反复监测键盘
FOR:
MOVR0,#00H；正转到TAB取码指针初值
FOR1:
MOVA,R0；取码
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
JZFOR；是否到了结束码00H
CPLA；把ACC反向
MOVP1,A；输出到P1开始正转
JNBP3.4,STOP1；如果P3.4按下停止
JNBP3.3,REV2；如果P3.3按下反转
CAllDELAY；转动的速度
INCR0；取下一个码
JMPFOR1；继续正转
REV:
MOVR0,#05H；反转到TAB取码指针初值
REV1:
MOVA,R0
MOVDPTR,#TAB；取码
MOVCA,@A+TAB
JZREV；是否到了结束码00H
CPLA；把ACC反向
MOVP1,A；输出到P1开始反转
JNBP3.4,STOP1；如果P3.4按下停止
JNBP3.3,REV2；如果P3.3按下反转
CAllDELAY；转动的速度
INCR0；取下一个码
JMPREV1；继续反转
STOP1:
CAllDELAY；按P3.4的消除抖动
JNBP3.4,$；P3.4放开否
CAllDELAY；放开消除抖动
JMPSTOP
FOR2:
CAllDELAY；按P3.2的消除抖动
JNBP3.2,$；P3.2放开否
CAllDELAY；放开消除抖动
JMPFOR
REV2:
CAllDELAY；按P3.3的消除抖动
JNBP3.3,$；P3.3放开否
CAllDELAY；放开消除抖动
JMPREV
DELAY:
MOVR1,#40；步进电机的转速20ms
D1:
MOVR2,#248
DJNZR2,$
DJNZR1,D1
RET
TAB:
DB03H,09H,0CH,06H；正转表
DB00H；正转结束
DB03H,06H,0CH,09H；反转
DB00H；反转结束
升级会员 