电气传动控制系统
寻物启事-
电气传动控制系统
1
电气传动控制系统
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。<
/p>
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
< br>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
1
电气传动控制系统
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。
< br>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
2
电气传动控制系统
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
,<
/p>
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：
< br>（
1
）晶闸管（
SCR
）
,
（
2
）
GTR
和
GTO
，
（
3
）
IGBT
。目前，市场上能够广泛供应的
IGBT<
/p>
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
G
TO
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
< br>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。
3
电气传动控制系统
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；
（
< br>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。
4