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摘要:

通過對“運動控制”課程設計教學的研究與實踐，提出了交流電機矢量控制調速系統課程設計的新方法。將矢量控制的理論模型與變頻器實際的矢量控制系統結構圖進行對比分析，研究變頻器的矢量控制和工藝流程PID控制器所包含模塊的參數設置，綜合運用現代運動控制系統的現場總線通信與PLC編程技術、人機界面與組態軟件技術，完成具有實際工程背景的課程設計。豐富了運動控制課程設計的教學內容，促進了學生的理論知識與現代工程技術密切結合。

關鍵詞:

課程設計;交流調速系統;矢量控制;變頻器

“運動控制系統”教學容易出現重視理論分析和傳統教學實驗，輕視實際控制系統中先進技術應用的分析;“運動控制課程設計”又經常成為理論上的設計，或控制系統理論模型的仿真驗證。受實踐教學環境限制，選題一般是雙閉環模擬直流調速系統設計及調試，或是數字直流調速系統設計及仿真。交流調速課程設計一般是基于穩態數學模型的SPWM變頻技術、V/f協調控制方式、單閉環無靜差數字調速系統設計及仿真;變頻電源硬件電路包括三相電壓源型變頻電源主電路、保護電路、單片機的檢測、控制電路和驅動電路設計。從開關器件、控制電路的參數計算到軟件的設計編程，內容豐富、時間緊湊。雖然對系統的整體設計訓練有很大幫助，但與實際工程應用現狀差距很大。提高變頻電源的效率在硬件電路上要求盡可能提高功率器件的開關頻率、采用軟開關技術、完善的功率器件驅動電路和緩沖電路的設計;軟件上還得考慮改進正弦調制波等［1－2］。而兩周的課程設計時間要完成類似這種交流調速系統的軟、硬件設計，更進一步從變頻電源到采用矢量控制理論的數字調速系統的設計及仿真，會有很大難度。考慮到無論采用什么數學模型處理交流電動機變頻調速問題，變頻電源硬件電路基本上是一樣的或是通用的。因此可以考慮在“電力電子技術”課程中布置大作業或開設“電力電子技術課程設計”，完成數字交、直流調速系統硬件電路的設計?；趧討B數學模型的交流電動機矢量控制技術已經相當成熟，在中、高檔變頻器中得到廣泛應用。因此課程設計的選題應該覆蓋矢量控制技術，采取有效措施加強理論教學和實際工程先進技術應用的結合。深刻理解矢量控制理論在交流調速系統中的應用;如何利用變頻器構成閉環控制系統;如何采用工業現場總線、PLC，將變頻器集成在大型復雜控制系統中。為此實驗室做了“運動控制課程設計”的教學改革研究，并設計了異步電動機協調控制的綜合實驗平臺。

1矢量控制數學模型

交流調速的教學往往是數學公式推導多、仿真也僅限于課堂教學演示。學生缺少相關的訓練，對電機數學模型及各種控制方法難以理解，更不清楚矢量控制理論在實際系統中如何實現［3－4］。所以課程設計開始要引導學生對教材中各種矢量控制系統模型特點進行分析總結，并對西門子MM440變頻器的各種控制結構圖［5］進行對比分析，找出理論上與實際交流調速系統最接近的控制模型，深刻理解矢量控制技術在實際系統中如何具體實現。相關文獻［6－8］有多種矢量控制理論的異步電動機控制模型。按照轉子磁場定向的矢量控制系統、根據其對磁鏈處理方法不同又分為間接矢量控制系統和直接矢量控制系統，后者模型一般包括速度調節器、轉矩調節器、磁鏈調節器，甚至包括三相電流調節器。其中，逆變器采用空間矢量脈寬調制(SVPWM)的異步電動機直接矢量控制變頻調速系統與實際變頻器中的矢量控制模型比較接近?？刂葡到y結構圖都設置了轉速和磁鏈兩個閉環子系統，但實際系統沒有設置磁鏈調節器和轉矩調節器，而是通過勵磁電流調節器和轉矩電流調節器實現解耦控制。根據電機轉速獲取方法不同又分為不帶編碼器(SLVC)的和帶編碼器(VC)的矢量控制模型;兩個模型根據控制系統給定值不同，又都具有轉速控制及轉矩控制兩種方式。但這里的轉矩控制是指變頻器的控制方式，區別于理論上同樣基于動態數學模型的異步電動機直接轉矩控制系統。圖2中速度調節器、轉矩電流調節器及關于轉子磁場定向角辨識的3個模塊都含有可設定參數，根據系統運行可以精確調試，或者采用變頻器默認參數值。磁鏈閉環子系統的不同是實際系統與理論模型的主要差別:磁鏈子系統中磁化曲線模塊的輸出，作為勵磁電流調節器的給定值。因此實際操作中，預先通過變頻器參數設定環節測量電動機的磁化曲線顯得非常重要。通過模型分析，學生不僅深入了解矢量控制理論在實際系統中的應用技術，而且容易理解變頻器有關矢量控制參數的物理意義以及設置。

2工業過程閉環控制

西門子MM440矢量變頻器的控制方式按照電動機的數學模型可以分為兩大類:基于穩態數學模型的V/f特性控制和基于動態數學模型的矢量控制［9］。前者又細分為V/f線性的、帶有電壓提升的、滑差補償的幾種方式，但都是電機轉速開環控制;而后者是轉速閉環控制。為了滿足實際控制系統的要求，變頻器提供了工藝流程PID控制器。以節能為主要目的的異步電動機調速系統一般只需要平滑調速，對動態性能要求不高，適合采用V/f特性控制方式，如變頻供水和通風系統。課程設計題目要求學生設計由PLC、變頻器和兩臺電機組成的“一拖多”變頻供水系統。完成從變頻器的控制方式、閉環控制系統的給定、反饋通道和反饋信號等變頻器有關參數設置，到PLC的簡單控制程序。熟悉系統的PID控制器默認參數及調節范圍，并在最后實驗過程中運行調試。硬件電路包括接觸器、PLC的控制電路，還有從實驗平臺數字電壓表箱取出負載發電機輸出電壓信號，模擬供水壓力反饋信號給變頻器的模擬輸入端子。

3工業現場總線

現代運動控制系統很少是單臺變頻器(電機)運行，往往是數臺變頻器協調控制，系統中還有各種數據采集及其他智能終端設備。矢量變頻器在復雜系統中僅僅是一個高智能的電機驅動器，依靠其擴展通訊模塊集成到工業現場總線控制系統中。課程設計典型題目—多電機協調控制系統，要求學生設計卷繞機械裝置驅動控制系統。這里不僅要控制卷材的張力還要協調兩臺電機的運行速度［10］，兩臺電機分別采用轉矩控制和轉速控制。變頻器適合采用無脈沖編碼器的矢量控制(SLVC)方式。SLVC的控制性能取決于變頻器相關參數的設置以及電動機數據測量的精度，因此，系統調試前必須用變頻器對電動機所有參數進行自動檢測。主、從電動機協調控制實驗平臺采用低成本的集成方式。采用西門子PLC200SMART可編程控制器和兩臺MM440變頻器，通訊采用485總線、USS通訊協議，因此不需要額外的現場總線通訊模塊。PLC200作為主站控制變頻器，按照系統的設計要求設置變頻器的控制參數，控制電動機的啟動、停止，控制方式的切換，運行速度的協調等;并采集每臺電動機的運行數據傳送到工作站。除了交流調速系統外，典型的直流電機雙閉環數字調速系統、機器人［11－12］及車輛控制等作為課程設計題目具有豐富的研究內容，所以要不斷地為學生創造相應的實踐教學環境。

4結語

“運動控制”課程設計的教學過程具有綜合性、實踐性和創新性的特點，課程設計過程要啟發學生以掌握的理論知識去分析先進工程技術實際模型。這里特別要注重矢量控制結構圖中理論與實際的差距，掌握變頻器參數設置及工藝流程PID控制器的應用，以及現代運動控制系統中工業現場總線技術、人機界面與組態軟件技術的綜合應用。

作者：徐江寧 單位：大連理工大學電子信息與電氣工程學部

參考文獻:

［1］劉鳳君．現代高頻開關電源技術及應用［M］．北京:電子工業出版社，2008:152－169．

［2］王兆安，劉進軍．電力電子技術［M］．5版，北京:機械工業出版社，2009:159－163．

［3］白銳，張?。涣髡{速控制系統課程的教學改革與實踐［J］．中國現代教育裝備，2012(9):56－57，63．

［4］張敬南，彭輝．電力拖動控制系統課程教學改革與實踐［J］．實驗室研究與探索，2014，33(9):236－239．

［5］西門子電氣傳動有限公司．MICROMASTER440參數手冊［EB/OL］．［2006－7－24］．

［6］李華德，李攀，白晶．電力拖動自動控制系統［M］．1版，北京:機械工業出版社，2009:158－176．

［7］周淵深，陳濤，朱希榮，等．電力拖動自動控制系統［M］．北京:機械工業出版社，2013:231－247．

［8］陳伯時，陳敏遜．交流調速系統［M］．3版，北京:機械工業出版社，2013:117－128．

［9］西門子電氣傳動有限公司．MICROMASTER440操作說明［EB/OL］．［2006－12－5］．

［10］張燕賓．變頻器的轉矩控制功能及其應用［J］．電氣時代，2005(2):84－86．

［11］陳衛東，韓兵，楊明，等．運動控制系統課程體系改進與創新［J］．實驗室研究與探索，2013，32(9):157－159．

［12］李新德，孫家明．運動控制系統課程實踐教學模式的探討［J］．電力電子教學學報，2012，34(4):55－56