馬小亮

（天津電氣傳動設(shè)計研究所，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)速傳動又分單電機(jī)傳動和多電機(jī)傳動2大類。單電機(jī)傳動指一個生產(chǎn)機(jī)械或一個工藝區(qū)段只有1臺拖動電動機(jī)，或雖然有多臺電動機(jī)但它們的運(yùn)動各自獨(dú)立，彼此間沒有相互約束。多電機(jī)傳動指一個生產(chǎn)機(jī)械或一個工藝區(qū)段中有多臺電動機(jī)，它們的運(yùn)動不獨(dú)立，彼此之間存在約束，例如存在機(jī)械軸或通過被加工物體連在一起（另一種機(jī)械聯(lián)系），有的彼此間無機(jī)械聯(lián)系但工藝要求同步。本講介紹單電機(jī)傳動和多電機(jī)傳動中單個電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，多電機(jī)傳動中各電動機(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)為它能使電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩T快速、精確地跟蹤其給定值T＊。針對不同工藝要求設(shè)計的不同調(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)行過程中往往要求保持恒速，對轉(zhuǎn)速精度和調(diào)速范圍要求不高，對加減速等動態(tài)性能也沒有特殊要求。這類系統(tǒng)可以采用無轉(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（負(fù)載、電網(wǎng)、溫度等擾動）條件下保持較高的穩(wěn)速精度長期運(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。對于風(fēng)洞，風(fēng)速不穩(wěn)測量數(shù)據(jù)就不準(zhǔn)確；對于造紙機(jī)，速度不穩(wěn)則紙張定量偏差大，易斷頭。它們著眼于長時間穩(wěn)定性，不要求很高的調(diào)速范圍及動態(tài)性能指標(biāo)。

在調(diào)速系統(tǒng)采用模擬控制的時代，這類系統(tǒng)很難做，因為需要高精度和高穩(wěn)定度的給定電源及測速裝置。進(jìn)入數(shù)字控制時代，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穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，緩慢的溫度變化也不會引起動態(tài)轉(zhuǎn)速波動。電網(wǎng)波動的影響已在轉(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)，無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速觀測結(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，空載轉(zhuǎn)速n0與額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速n之差的相對值（%），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，在退刀及空走時要快，在接近期望尺寸時要慢。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)，有幾個問題需注意。

1）寬調(diào)速系統(tǒng)宜采用有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)，因為無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)在低速時調(diào)速精度差。

2）有轉(zhuǎn)速傳感器的基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)在低速時電動機(jī)模型從電壓模型過渡到電流模型，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)速檢測存在最低轉(zhuǎn)速限制條件在1個采樣周期中至少有1個編碼器脈沖。寬調(diào)速系統(tǒng)必須按最低轉(zhuǎn)速公式來選擇轉(zhuǎn)速采樣周期長度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，位置跟蹤控制系統(tǒng)使電動機(jī)的轉(zhuǎn)角跟隨給定信號運(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、加減速、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，它的生產(chǎn)率取決于電氣傳動系統(tǒng)的快速性。這類系統(tǒng)的典型應(yīng)用是可逆軋鋼機(jī)、龍門刨床等傳動。它們對調(diào)速系統(tǒng)的要求是：

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

2）對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速給定的響應(yīng)要快，要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間＜10～20ms，轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間與電動機(jī)和被拖動機(jī)械的慣量有關(guān)，如果不帶機(jī)械（電動機(jī)空載），希望轉(zhuǎn)速對小階躍給定信號的響應(yīng)時間100 ms左右（在調(diào)節(jié)過程中轉(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（簡稱“雙PWM變頻器”）。對于大功率傳動（＞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)無功補(bǔ)償和諧波吸收裝置及它們需要的建筑場地；三電平雙PWM變頻器較貴，但不需要電網(wǎng)無功補(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，所以它得到越來越多的應(yīng)用。對于中功率和中小功率傳動（＜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，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)可靠性不高的場合。在這種場合，逆變器的電源只好用不可控整流電源＋制動單元和電阻，把制動能量消耗在電阻中，或用IGBT整流／回饋電源。如果在一個工作面或1條生產(chǎn)線上有多臺電動機(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，在某一臺電動機(jī)制動時，它的制動能量可以經(jīng)公共直流母線轉(zhuǎn)移到其他處于電動狀態(tài)的電動機(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介參見第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)在介紹它的啟制動過程時按突加給定來考慮，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)），電動機(jī)按最大轉(zhuǎn)矩（一般設(shè)定為2～2.5倍額定轉(zhuǎn)矩）來加、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)，那時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間長達(dá)數(shù)百ms，給被拖動機(jī)械帶來的沖擊小。由于轉(zhuǎn)矩上升和下降時間長，在整個啟制動過程中轉(zhuǎn)矩停留在最大值的時間很短，平均啟制動轉(zhuǎn)矩比最大轉(zhuǎn)矩小很多，為快速啟制動必須把最大轉(zhuǎn)矩用到極限。采用電力電子控制后，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間縮短到小于10～20ms，如果還按最大轉(zhuǎn)矩來啟制動，被拖動機(jī)械承受不了，因為機(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打壞它們，沖擊帶來的振動也會影響機(jī)械安全，這種機(jī)械事故曾多次發(fā)生。轉(zhuǎn)矩上升和下降時間縮短后，啟制動平均轉(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，啟制動時的最大轉(zhuǎn)矩不用到那么大，而是按期望的啟制動時間來控制。這樣設(shè)置后，啟制動時ASR一般不飽和，除非靜負(fù)載特別大。為減小對機(jī)械的沖擊，除了降低啟制動轉(zhuǎn)矩外，還要求限制轉(zhuǎn)矩變化率。上述控制要求通過在轉(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)是限制給定信號的變化率：當(dāng)RFG輸入信號的斜率高于其設(shè)定值時，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輸入信號的斜率低于其設(shè)定值時，RFG輸出無滯后的跟隨輸入，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（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有時又稱S曲線給定。帶圓角RFG的框圖及響應(yīng)曲線分別見圖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中啟制動時間按生產(chǎn)要求設(shè)置，由于靜負(fù)載對啟動和制動的影響不同，所以啟動時間和制動時間往往設(shè)的不一樣。

引入RFG后，啟動過程實(shí)際轉(zhuǎn)速n對轉(zhuǎn)速給定n＊的跟蹤波形示意圖繪于圖4a，在啟動過程大部分時間里n幾乎無差的跟隨給定n＊上升，只是在啟動之初和結(jié)束時段n滯后n＊，帶來跟蹤誤差。

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，來自RFG的加速度給定信號yA（yA＝dy／dt＝dn＊／dt）乘電動機(jī)和機(jī)械的機(jī)電時間常數(shù)Tm，得到轉(zhuǎn)速預(yù)控信號附加轉(zhuǎn)矩給定T＊，它等于加減速所需動態(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T＊相加，一起作為轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的輸入。在加減速時，從預(yù)控通道來的動態(tài)轉(zhuǎn)矩給定，經(jīng)ATL產(chǎn)生加減速所需的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)迅速開始加減速，從而減小轉(zhuǎn)速跟蹤誤差。無預(yù)控通道時，要等到轉(zhuǎn)速偏差出現(xiàn)，ASR輸出變化，才能產(chǎn)生動態(tài)轉(zhuǎn)矩給定，動態(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時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)和配合帶來許多方便，有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。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)，通過電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來提升和下放重物。這類系統(tǒng)的典型應(yīng)用是礦井卷揚(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)動方向相反，阻礙運(yùn)動。提升系統(tǒng)的負(fù)載是位勢性負(fù)載，在提升重物（重物的重量大于平衡重的重量）時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)動方向相反，電動機(jī)電動工作，在下放重物時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)動方向相同，電動機(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，提升時電動機(jī)再生工作，下放時電動機(jī)電動工作。許多提升設(shè)備的提升距離很長，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。對于中功率和中小功率傳動（＜2MW），晶閘管或IGBT整流／回饋電源＋電壓型直－交逆變器用的較多，在某些對電網(wǎng)諧波要求嚴(yán)格的場合，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，有時用兩電平雙PWM變頻器，盡管AFE價高。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，還有些移動設(shè)備，它的供電通過滑道輸入，偶爾會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，因為在電源斷電時它們會產(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)致重物拖著電動機(jī)自由下滑，僅靠緊急抱閘來防止事故，非常危險。對于這些電網(wǎng)可靠性不高的設(shè)備，最好用不可控整流電源＋制動單元和電阻，把制動能量消耗在電阻中。注意，如果再生工作時間長，要按長期工作制選取制動單元和電阻容量，這時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)正常時用回饋電源，電網(wǎng)異常時用制動單元和電阻，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，但提升系統(tǒng)需設(shè)定較長的加減速時間和圓角時間。由提升負(fù)載性質(zhì)決定，提升系統(tǒng)沒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)確停車要求，在物體快到位時先從提升速度降至爬行速度，等爬行到接近停車位置時再從爬行速度降至零速，然后用抱閘抱住，為此需要用位置檢測及計算行程的方法來確定開始減速時刻及開始停車時刻。

在提升初始松開抱閘時，通常電動機(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”問題。為避免“溜車”，要求在松開抱閘前，給基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的輸入施加1個附加轉(zhuǎn)矩給定信號，使電動機(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)，因為在低速和堵轉(zhuǎn)時無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制誤差大。

3.6 抗負(fù)載擾動系統(tǒng)［2，3］

調(diào)速系統(tǒng)受到的擾動主要有負(fù)載波動、電網(wǎng)波動和溫度變化。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穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，緩慢的溫度變化也不會引起動態(tài)轉(zhuǎn)速波動。電網(wǎng)波動的影響已在轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL中被抑制。剩余的擾動是對調(diào)速系統(tǒng)影響最大的負(fù)載擾動，本節(jié)討論如何抗負(fù)載擾動。

抗負(fù)載擾動系統(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)具有良好的動態(tài)性能，但側(cè)重點(diǎn)不同，快速正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)要求對給定響應(yīng)快，抗負(fù)載擾動系統(tǒng)要求抗負(fù)載擾動性能好?？关?fù)載擾動系統(tǒng)的典型應(yīng)用是連續(xù)軋鋼機(jī)主傳動。工作時鋼材在幾個機(jī)架中同時被軋制，各機(jī)架主傳動的轉(zhuǎn)速按秒流量原則設(shè)定，使得在正常軋制時各機(jī)架間的鋼材既不受拉，也不堆積。問題出在咬鋼期間，例如某一時刻第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)，這時前一架的轉(zhuǎn)速已恢復(fù)，仍按照原來設(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)動態(tài)指標(biāo)中的動態(tài)偏差當(dāng)量Am，即受突加負(fù)載擾動后在恢復(fù)時間tre內(nèi)轉(zhuǎn)速與給定值差的積分－偏差面積。受突加負(fù)載擾動后的轉(zhuǎn)速波動示意圖繪于圖6，圖6中σm（%）是動態(tài)波動量相對值（基值是），tre是恢復(fù)時間。動態(tài)偏差當(dāng)量為

圖6 突加負(fù)載擾動后轉(zhuǎn)速波動示意圖

減小動態(tài)偏差當(dāng)量Am最有效的措施是引入負(fù)荷觀測器，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；對于矢量控制系統(tǒng)，T是定子電流轉(zhuǎn)矩分量與磁鏈值Ψ的乘積），計算和輸出電動機(jī)靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測值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。沒有負(fù)荷觀測器時，克服靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩所需之電動機(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，這個過程較慢。有負(fù)荷觀測器后，在轉(zhuǎn)速降低和轉(zhuǎn)矩增加雙重因素作用下，觀測器很快輸出靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測值，送給ATL，使轉(zhuǎn)矩迅速增大，σm，tre和Am減小。這時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)動態(tài)轉(zhuǎn)矩給定和補(bǔ)償負(fù)荷觀測誤差任務(wù)，變化范圍大大減小，穩(wěn)態(tài)時T＊≈0。

圖7 負(fù)荷觀測器框圖

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

在實(shí)際的電動機(jī)里，轉(zhuǎn)速

負(fù)荷觀測調(diào)節(jié)器LOR是PI調(diào)節(jié)器，在觀測器內(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，在觀測器內(nèi)小閉環(huán)的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，LOR的輸出TL.ob等于電動機(jī)靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，條件是調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩T計算準(zhǔn)確和LI積分時間常數(shù)確實(shí)等于電動機(jī)和機(jī)械的機(jī)電時間常數(shù)（Tm測量準(zhǔn)確）。

通常LOR的比例系數(shù)VR.ob很大，積分時間常數(shù)Tob較小，輸出信號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，會給調(diào)速系統(tǒng)帶來干擾。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（見圖7），能解決噪聲問題。在觀測器內(nèi)小閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)束nob－n＝0時，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。

觀測器內(nèi)小閉環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖示于圖8。數(shù)字控制的采樣開關(guān)通常用零階保持器來描述，在用頻率法分析系統(tǒng)時可以用一個時間常數(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)來近似。小閉環(huán)內(nèi)除調(diào)節(jié)器（LOR）外，還有1個積分環(huán)節(jié)（LI）和1個小慣性環(huán)節(jié)（采樣），根據(jù)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法（見文獻(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)來設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)。取h＝5，則

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

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

圖8 觀測器內(nèi)小閉環(huán)的動態(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］

前面所有對調(diào)速系統(tǒng)的分析，都把電動機(jī)轉(zhuǎn)子和生產(chǎn)機(jī)械看成一個整體，它們的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角相同，轉(zhuǎn)動慣量是2個分轉(zhuǎn)動慣量之和，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。若電動機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械間的機(jī)械連接軸細(xì)長，它的彈性影響不能忽略，為了把負(fù)載轉(zhuǎn)矩從電動機(jī)傳遞到生產(chǎn)機(jī)械，機(jī)械軸需要扭轉(zhuǎn)一定角度，這時轉(zhuǎn)子和機(jī)械的瞬時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角將不相同，不能再把它們看成一個整體，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)載會帶來軸扭振，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，電動機(jī)轉(zhuǎn)子和軋輥（含軋件）經(jīng)彈性軸連在一起，構(gòu)成一個2質(zhì)量傳動系統(tǒng)，若轉(zhuǎn)子和軋輥間還有齒輪機(jī)座，則為3質(zhì)量傳動系統(tǒng)。我國曾發(fā)生過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大功率調(diào)速傳動系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試非常重要。

軋機(jī)主傳動電動機(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2質(zhì)量傳動系統(tǒng)，示意圖見圖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)動慣量，θ和K是軸扭轉(zhuǎn)角和彈性系數(shù)，各變量都是測置值。

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GL（s）是單質(zhì)量系統(tǒng)從電動機(jī)轉(zhuǎn)矩到角速度的傳遞函數(shù)積分環(huán)節(jié)，積分時間常數(shù)為（J1＋J2），其對數(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幅值較小的振蕩頻率，由于它們頻率高、幅值小，一般不會給系統(tǒng)帶來有害影響。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）是從電動機(jī)轉(zhuǎn)矩到角速度（在采用相對值計算時，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BSF時的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)對數(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處開環(huán)對數(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)動態(tài)響應(yīng)越快，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性的穿越頻率ωc越高。這兩個因素都使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）都是相對值，而式（11）中的GL（s）是按測量值算出其傳遞函數(shù)，把它放入本結(jié)構(gòu)框圖時，本應(yīng)加入變換系數(shù)，由于本圖僅用來說明產(chǎn)生扭振原因，并不真的根據(jù)它計算，所以圖11a中沒標(biāo)出變換系數(shù)。

圖11 轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和對數(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)，它阻止某個預(yù)先選定頻率（陷波頻率）的信號通過，而對其他頻率信號的通過無影響。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。

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，

陷波頻率信號衰減程度用可調(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，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式中一次項的系數(shù)Vp（1＋w）Ta越小，陷波頻帶寬度越窄。

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

圖13 BSF的對數(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)開環(huán)對數(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也會對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能有影響）。以某7000kW同步電動機(jī)軋機(jī)主傳動系統(tǒng)為例：沒有陷波濾波前，轉(zhuǎn)速實(shí)際值波動約為1%，轉(zhuǎn)矩電流波動7.5%；加入陷波濾波后，轉(zhuǎn)速的波動減小到0.35%，轉(zhuǎn)矩電流波動減小到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。對于2個以上質(zhì)量系統(tǒng)，危險的軸系固有振蕩頻率不止一個，可以在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置幾個BSF，每個BSF抑制一個振蕩頻率。

調(diào)試時，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，則表明存在扭振。測量脈動頻率，把BSF的陷波頻率設(shè)定為該脈動頻率值（調(diào)w），通過調(diào)正系數(shù)z改變陷波頻率衰減程度及通過調(diào)Vp改變陷波頻帶寬度，使脈動幅值降到最小。

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