第4章調速技術基礎4.1調速系統分類和系統指標調速即速度控制，指在傳動系統運行中人為或自動地改變電動機的轉速，以滿足工作機械對不同轉速的要求。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參數或外加電壓等方法米改變電動機的機械特性，從而改變它與工作機械特性的交點，改變電動機的穩定運轉速度。調速指令通過人工設置或經上級控制器設置，調速系統按設定值改變電動機轉速。4.1.1調速的分類4.1.1.1開環調速和閉環調速電動機的轉速給定被設置后不能自動糾正轉速偏差的調速方式稱為開環調速；具有自糾偏能力，能根據轉速給定和實際值之差自動校正轉速，使轉速不隨負載、電網波動及環境溫度變化而變化的調速方式稱為閉環調速。4.1.1.2無級調速和有級調速無級調速又稱為連續調速，指電動機的轉速可以平滑調節。其特點為轉速變化均勻，適應性強，易實現調速自動化，因此在工業裝置中被廣泛應用。有級調速又稱為間斷調速或分級調速。它的轉速只有有限的兒級，調速范圍有限，且不易實現調速自動化。數字控制的調速系統，由于速度給定被量化后是間斷的，嚴格說來屬有級調速，但由于級數非常多，級差很小，仍認為是無級調速。4.1.1.3向上調速和向下調速在額定工況(施加額定頻率的額定電壓、帶額定負載)運行的電動機的轉速稱為額定轉速，也稱為基本轉速或基速。從基速向提高轉速方向的調速稱為向上調速，例如直流電動機的弱磁調速；從基速向降低轉速方向的調速稱為向下調速，例如直流電動機的降壓調速。4.1.1.4恒轉矩調速和恒功率調速在調速過程中，在流過固定電流(電動機發熱情況不變)的條件下，若電動機產生的轉短維持恒定值不變，則稱這種調速方式為恒轉短調速。這時，電動機輸出的功率與轉速成正比。在流過周定額定電流的條件下，若電動機輸出的功率維持額定值不變，則稱這種調速方式為恒功率調速。這時，電動機產生的轉矩與轉速成反比.以直流電動機為例，忽略電動機電樞內阻壓降后，近似認為電動機電壓U=C.n,電動φ是磁通；1足電樞電流)。若調速時維持磁通為額定值不變，通過改變電壓調節轉速，則額定電流產生的轉矩也維持額定值不變，功率與轉速成正比，這種調速方式是恒轉矩調速；若調速時維持電壓不變，通過改變磁通調速，則磁通與轉速成反比，相應額定電流產生的轉矩與轉速成反比，而功率不變，這種調速方式是恒功率調速。第4章調速技術基礎281恒轉矩和恒功率調速方式的選擇應與生產機械負載類型相配合，參見第2章2.1節。如果恒轉矩調速方式用于恒功率類型的負載，電動機功率需按最大轉矩和最高轉速之積來選擇，導致電動機功率比負載功率大許多倍(恒功率負載最大轉矩出現在最低速，高轉速時轉矩最小，轉矩和轉速的乘積遠小于最大轉矩和最高轉速之積)。如果電動機的恒功率調速范圍和負載要求的恒功率范圍-致，電動機容量最小。如果負載要求的恒功率范圍大，電動機的恒功率調速范圍受到機械和電氣條件的限制不能滿足時，只能適當放大電動機容量，增大調速系統的恒功率調速范圍。4,1.2.1穩態調速精度穩態調速精度是轉速給定值n與實際值n之差△n的相對值(%),其基值為電動機額定轉速ng。在計算△n時，要考慮三個導致轉速變化的因素：(1)負載轉矩變化(從空載至額定轉矩T);(2)環境溫度變化(±10℃);(3)供電電網電壓變化(-5%～+10%)。4.1.2.2靜差率和調速范圍靜差率又稱為轉速變化率，是指在某一設定轉速下，負載由空載(≤0.1Tm)到額定負載(T、)變化時，空載轉速n。與額定負載下的轉速n之差的相對值(%),其基值足n(見圖4-1)。靜差率與調速系統機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小；另外，靜差率還與工作轉速有關，轉速越低，靜差率越大。調速范圍又稱為調速比，是指在符合規定的靜差率條件下，電動機從最高轉速nm到最低轉速n的轉速變化倍數(見圖4-2)。調速范圍和靜差率兩項指標不是相互孤立的，必須同時提出才有意義。4.1.2.3穩速精度穩速精度足指在規定的電網質量和負載擾動條件下，按給定轉速在規定的運行時間T內連續運行，每隔一定時間間隔t。測量一次轉速平均值，取其中的最大值n.和最小值nu,穩速精度值(%)按下式計算(見圖4-3):282電氣傳動自動化技術手冊4.1.2.4轉速分辨率在數字控制調速系統中，轉速設定值被量化后，嚴格說來調速是有級的。轉速分辨率是指相鄰兩級轉速設定之差△n’的相對值(%),其基值是最高轉速設定值n,即轉速分辨率取決于數字控制器的位數。4.2模擬控制和數字控制調速裝置的控制系統分兩大類：模擬控制系統和數字控制系統。模擬控制系統基于模擬控制器件，在這類控制系統中，所有控制量的采集(采樣)、各功能塊之間的信息交換，以及它們的計算、控制、輸出等功能的執行都是連續的、并行進行的，故又稱為連續控制系統。數字控制系統基于數字控制器件，其核心是處理器，在這類控制系統中，一個處理器要完成人量的任務，在一定時間內又只能做一件事，所以這些任務必須分時中行執行，把原本是連續的任務間斷成每隔一定時間(周期)執行一次，故又稱為離散控制。早期的控制系統都是模擬系統，近年來隨著計算技術的發展，數字控制系統正逐步取代模擬系統。數字系統的特點是：(1)精度高，速度快、存儲量大，有強大的計算、調節和邏輯判斷功能，可以實現許多過去無法實現的高級復雜的控制方法，獲得快速、精密的控制效果。(2)可以設計統…的硬件電路和基礎軟件，由應用者編寫應用軟件來滿足不同的控制系統要求，既標準，又靈活，為系統開發、升級提供方便，可靠性高。(3)有強大的診斷、報警、數據處理及數字通信功能.為實現遠程控制、集中控制和中央計算機調度管理提供了條作。兩種控制系統的原理、環節和框圖基本相同，本手冊在論述各種調速方法的原理時，不特指是模擬還是數字系統，但在介紹調速方法的實現時，則以數字系統為主。本節介紹從模擬控制過渡到數字控制的-些共性問題，各類數字控制調速系統的具體問題將在隨后章節中介紹。在數字控制系統中，把原本是連續的任務間斷成每隔一定時間(周期)執行…次，稱之為離散。每個周期開始時都先采集輸人信號，這個周期稱為采樣周期。原本是連續變化的系統被離散后，每個周期只能在采樣瞬間被測量和控制，其他時間不可控，這樣必然給系統的控制精度和動態響應帶來影響，合理選擇采樣周期是數字控制的關鍵之…。采樣周期分為兩類：固定周期采樣和變周期采樣。采樣周期T為固定值的均勻采樣是固定周期采樣。數字控制系統一般都采用周定周期采樣。采樣周期越長，處理器就能做更多的事，但對系統性能影響越大。采樣周期的選擇應該第4章調速技術基礎283是在不給性能帶米大影響的前提下，選擇盡可能長的時間。采樣時間T與系統響應之間的關系受采樣定理的約束。香農采樣定理：如果采樣時間T小于系統最小時間常數的1/2,那么系統經采樣和保持后，可恢復系統的特性。采樣定理告訴我們，要想采樣信號能夠不失真地恢復原來的連續信號，必須使采樣頻率f(f=1/T)大于系統頻譜中最高頻率的兩倍。系統的動態性能可用開環對數幅頻特性M(dB)=f(w)來表征。由于控制對象存對應的頻率范圍通常稱之為頻帶寬，再高的頻率對系統的影響可忽略。根據采樣定理，采樣頻率應大于2倍最大頻率，即f≥wma/π(4-6)式中wmx--M≥-3dB或-6dB所對應的頻率。在系統設計時，實際αa不知道，f按預期的wm,選取，一個處理器要處理的任務很多，它們變化的快慢相差很大，如果按變化最快的變量來選取采樣頻率，將極大地浪費處理器的能力，所以通常為一個處理器規定幾種采樣周期，以適應變化快慢不同的任務，為實現方便，這些采樣周期按2*倍選取(N=0,1,2,3…,正整數)。在圖4-4中示出不同周期任務的工作情況，最基本的周期是To,處理器每隔T,接收一個啟動信號，最快的任務選用T?=T,周期，它被優先執行；在T任務執行完后，空余的時間里執行選用T?=2T。周期的任務；依此類推，在選用T,、T?周期的任務執行完后，再執行選用T?=4T。周期的任務。為不既誤某些緊急任務(例如故障、警告等)的執行，處理器在接到中斷信號后，馬上中斷正在進行的周期性任務，優先執行該中斷任務。電力變流器中的器件(晶閘管、IGBT等)都工作在開關狀態，只有開通和關斷時刻是可控的，其他時問不可控；數字控制器也是斷續工作的，如果它發出控制信號的時間不合適，恰好在器件已完成開關動作之后，器件對控制的響應將推遲一個周期，帶來附加滯后。為避免附加滯后，希望采樣周期與器件工作周期同步，且在軟件設計時把控制安排在輸出觸發脈沖之前。有些變流器的工作周期是變化的，例如常用的6脈波相控整流，穩態時工作周期固定為300Hz,但在暫態，周期則是變化的，觸發延遲角前移時，周期縮短，后移時，則加長。這樣的系統若還采用固定周期采樣，則無法實現同步，帶來附加滯后，因此都改用變周期采樣，用觸發脈沖作為采樣周期啟動的信號，實現同步。4.2.2連續變量的量化系統中，許多被控量都是連續變化的連續變量，例如電壓、電流、轉速等。在數字系統中，需要先將它們量化為不連續的數字量，才能進行計算和控制。連續量的量化也是數字控制與模擬控制的重要區別之一。量化時，兩個相鄰數之間的信息被失去，影響系統精度。如 何合理量化，使失去的信息最少，對精度影響最小，是數字控制系統設計的又一個關鍵問題。在選定處理器和存儲器硬件后，二進制數字量的位數就確定了，現在一般為16位或32位，以后可能64位。合理量化就是如何合理選擇變量當量，即規定數字量“1”代表變量的什么值。當量的選取要考慮兩個因素：(1)使系統中所有變量都有相同的精度，都能充分利用數字量位數資源。(2)盡量減少控制和計算中由當量選取帶來的變換系數。從上述原則出發，在通用的數字控制器中，當量都按百分數(%)規定，百分數基值(分母)為該變量的最大值，例如額定電壓、最大工作過載電流、最高轉速等。為充分利用數寧量位數資源，規定去掉一個符號位的數為200%(留100%調節裕量),這樣100%為“位數-2”對應的數。以16位數為例，100%對應2“=16384,全部數的范圍是±200%,對應±25=±32768。在系統計算中，使用相對值時無計量單位，并可去掉許多公式中的比例系數。按上述方法規定當量，同時使用相對值，將使控制和計算中的變換系數最少，也不容易出錯。有些設計者選取當量往往從方便記憶和換算出發，喜歡選較整的值作為當量，輕易規定“1”代表多少“V”、“A”或“r/min”,結果給控制和計算增添了許多變換系數，還使數字量的位數資源得不到充分利用，所以用測量值定義當量是不可取的。為適應上述標定方法，在控制器的輸人端都有信號標定模塊(增益可標定的放大器),把從傳感器來的基值信號都變換成標準電壓(10V或5V),再經A/D轉換進入數字控制器，在控制器中，將不再出現帶計量單位的量。數字控制的調速系統中，轉速和角位置等量主要用增量式脈沖編碼器或旋轉變壓器(Re-solver)來測量。編碼器適用范圍廣泛，在數字調速控制裝置中，通常都設有編碼器信號輸入1t,在裝置中經硬件和軟件將這連續變化信號量化，本節介紹編碼器信號的量化方法。旋轉變壓器主要用于伺服系統，它的量化用專用集成電路實現，在本章4.4.2.3節中介紹。編碼器信號接1不一定都接編碼器，有時其他信號，例如鎖相信號等，也利用這個接口輸入，它們的量編碼器與電動機軸相連，每轉一轉、便發出定數量的脈沖，數字控制系統通過計數器對脈沖的頻率和周期進行測量，便可算出轉速值。編碼器的輸出有A、R兩組互差90°的方波脈沖(見圖4-5)、用以判別旋轉方向：正轉時，位置角λ增大，在脈沖B前沿出現時，A=1轉速值為正；反轉時，位置角λ減小，在脈沖B前沿出現時，A=0,轉速為負。把一組脈沖前后沿微分，再通過或門合成，可獲得2倍頻脈沖，把2組都微分再經或門綜合得4倍頻，見圖4-6。每轉脈沖數越多，測量精度越高，編碼器制造越麻煩，因此在控制器的編碼器輸入端通常都接有倍頻電路，以減少每轉脈沖數而獲取較高的精度，倍頻倍數為1、2或4任選。用編碼器脈沖信號計算轉速有三種方法：測頻法(M法),測周期法(T法),測頻率和周期法(M/T法)。M法通過用計數器計數一個采樣周期中的編碼器脈沖個數來計算轉速值，低速時，一個采樣周期中的編碼器脈沖個數少，精度差。T法通過用計數器計數兩個編碼器脈沖之間的標準時鐘脈沖個數來計算轉速值，高速時，兩個編碼器脈沖之間的標準時鐘脈沖個數少，精度也差。單獨使用上述兩法中的任何一種方法都不能滿足高精度要求，只有同時使用方向信姆方向信姆兩種方法才能在整個轉速范圍內都獲得高精度，這就是M/T法。M/T法用兩個計數器，一個計數器(N?)計數一個采樣周期T中的編碼器脈沖個數m,,同時通過用另一個計數器(N?)計數標準時鐘脈沖個數的方法算出m.個編碼器脈沖持續的時間T=m?T,(T。為編碼器脈沖周期),然后用T?代替采樣周期T計算轉速，從而獲得高精度。第k周期的轉速為f:——標準時鐘脈沖頻率；mzx—與T對應的時鐘脈沖個p——倍頻后的編碼器每轉脈沖數(脈沖數/r)。為了使轉速采樣與系統采樣同步，在每個采樣周期開始時能算出上一周期的轉速值。安計數器N,在第k周期開始時清零，到周期結束時有mx個編碼器脈沖被計數。計數器N?在每個編碼器脈沖來時清零，到第k-1周期結束、第k周期開始時(t=kT),有△m?x-,個時鐘脈沖被計可以證明，只要m?r≥21?,則轉速分辯率△n%≤1/2'?(二進制14位分辨率)。M/T法存在最低轉速限制，限制條件為：在一個采樣周期T中，至少有一個碼盤脈沖(m?≥1),最低轉速m(r/min)為pe——未倍頻的編碼器每轉脈沖數(p=xp。)。286電氣傳動自動化技術手冊nan,必須加大p.或T。4.2.3.2角位置測量則nma=7.5r/min;當n<nmu時，測量輸出為0。若想降低把M/T法中每個周期測得的m;值累加起來，便得角位置信號mi.x——第k周期的m,值。(1)λ值應在-π~+π之間，若按式(4-111)算出的值超出這個范圍，就要加或減2π;(2)在開始計數前設置初始位置角λ?;(3)為避免誤差積累，每轉一轉，當編碼器同步脈沖信號7脈沖出現時，需將原算出的λ值清除，重新設置λ值，再按式(4-11)累加。4.2.4電壓、電流等模擬量的量化在數字控制調速系統中，需要測量電壓、電流等量。把由傳感器測得的連續變化的模擬量變換成數字量的量化方法有兩類：瞬時值法和平均值法。4.2.4.1瞬時值法每個采樣周期采樣模擬量一次，經A/D轉換器(ADC),得到采樣時刻的數字量。在調速系統中，通常有多個模擬量需要采集和量化，可用一個主要由多路轉換電子開關(MUX)、采樣保持器(S/H)和A/D轉換器(ADC)構成的模擬量采集系統來實現，見圖4-8,根據采集模擬信號的數量，MUX的輸入通道數可為4、8或16等。號，再經ADC量化成數字量。模擬信號4N的離散和量化過程見圖4-9。整個采集系控制二邏輯統可做在一個集成芯片上，某些控制用信號二控制處理器芯片本身就帶有這類采集系統，瞬時值采樣方法簡單，但只適用于模擬量比較平滑場合。如果模擬量信號圖4-8模擬量采集系統中含有較大的紋波，所測瞬時值不能代表實際電壓、電流的大小；若信號采集前先用濾波器濾去紋波，將帶來滯后，并導致交流量相移。現有A/D轉換器的位數已達16位、20位或更高，但受走線、溫度變化及環境電磁場的影晌，通用工業數字控制器的A/D轉換的精度一般只能做到0.1%~0.05%,即只有10或11位二進制數字有效，后面幾位都是噪聲。盡管數字處理器的位數可能是16位或32位，它使得使用模擬最作為設定和反饋的數字控制系統的精度只有0.1%～0.05%。4.2.4.2平均值法A/D轉換器輸出值為被測量值在一個采樣周期T中的平均值。這類轉換多用于采集含有第4章調速技術基礎287時，誤差最小，故這類轉換器常與電力變流器同步工作。實現平均俏采樣的方法有…種：1.多次采樣用快速中多次采樣和量化，在每個采樣周期求一次平均值。若多次采樣和量化的操作由主CPU控制和完成，太占時間資源，通常用專門硬件或子處理器來2.V/F/D變換法先用V/F變換，把模擬信號變換為頻率與輸入電壓成比例的脈沖信號(V/F變換),出數寧量(F/D變換),它對應一個采樣周期的平均值，V/F/D變換的另一特點是易實現被測電為了能反映模擬信號A的極性，給V/F變換規定一個中心頻率f,在f=f?,例如規定f?=60kHz,則圖4-10V/F/D變換電路范圍時，應使最低輸出頻率遠大下信號中的紋波頻率V/F/D變換中的F/D變換用本章4.2.3.1節中介紹的M/T法，只要計數器的位數夠，就如何實現高精度V/F變換，是整個V/F/D變換的關鍵，它的精度主要取決于標準時間脈沖的精度，在通常的Y/F變換器中，標準時間脈沖來自單穩觸發器，受電阻、電容精度限制，雖電阻精度可高達0.1%～0.01%;但電容精度低，要達到1%已難做到。在V/F/D變換中，宜使用同步V/F變換器，以時鐘脈沖作為標準時間脈沖，精度高，例如采用AD652芯片，它的變換精度與電容無關。3.E/△變換法≥△變換法的核心是2/△調制器。它的輸出是一串0和1的方波脈沖，在-…個測量周期中，1脈沖的總寬度與測量周期T之比(平均占空比)和輸人的模擬量成比例見圖4-11,再用計數器計數一個周期中的1脈沖的總寬度，得到這個周期被測模擬量平均圖4-11三/△調制器的輸入和輸出S/△變換原理框圖見圖4-12。它主要出△調制器和同步計數器兩部分組成。/△調制器是一個由積分器1,和I?、比較器及!位D/A轉換器構成的閉環系統。288電氣傳動自動化技術手冊X:.X:.C器-N—N2圖4-12E/△變換器原理框圖1位D/A轉換器輸出X?的波形與≥△調制器輸出Xs相同，是一串0和1方波，但1信號的幅值被限定為+5V。若某時刻X?=OV<X(t)(模擬輸入),X?>0,積分器I,輸出增大，X?>0,積分器I?輸出X,增大，到X?>Um及時鐘脈沖(CLK)來時，比較器翻轉，輸出X?由0變1,相應X?也由0V變為+5V,導致X?<0和X?<0,X?減小，到X?<Umm及時環，使輸出X?變成一串方波。如果測量周期T>>時鐘脈沖周期T,積分器l?和I?的輸入X?和X、在一個測量周期T中的平均值應等于OV,所以輸出Xs和X?的平均占空比與輸入模擬量成比例。同步計數器按照時鐘脈沖和信號Xs的狀態工作，每當時鐘脈沖米時，若Xs=1,則計數器加1,若Xs=0,則不加，到周期結束時，計數器中的數代表了輸人模擬量在該周期的平均值。信號X,是方波脈沖信號，易通過光纖實現隔離。4.2.5模擬和數字調節器調節器是閉環控制系統中的重要環節，用以實現特定的傳遞函數運算。常用的調節器有三種：比例積分(PI)調節器(含比例P調節和積分I調節)、慣性比例(PT)調節器和慣性微分(DT)調節器。本節介紹它們的傳遞函數、動態響應及模擬和數字實現。模擬實現基于運算放大器，數字實現基于處理器的實時運算。4.2.5.1比例積分(PI}調節器P5調節器應用最廣泛，它由輸入信號綜合、比例(P)、積分(I)及限幅四部分組成，實現的傳遞函數運算、框圖及動態響應波形見式(4-11)和圖4-13。b)圖4-13PI調節器的框圖及動態響應第4章調速技術基礎289PI調節器的模擬實現見圖4-14,由圖4-17得圖4-18是一個完整的數字PT調節器框圖。在數字控制系統中，PI調節功能用下式計算來實現：式中KP——調節器比例系數輸入量(KP設定值);T——調節器積分時問常數輸入量(T、設定值);k——第k周期的計算值；T——采樣周期；W1、W2—-給定量；X1、X2——反饋量。除完成1:述計算功能外，一個完整的數字調節器還有一些其他的輔助輸入、輸出量和二進制控制功能門，見圖4.15。圖中的輔助輸入、輸出量門是：YP一比例調節輸出最；YI—積分調節輸出量；QU和QL—Y達到限幅值的狀態輸出信號(二進制);SV—積分初始值輸入量，注：圖中引腳符號(W1、W2、Y、YI、…),當用正體表示時為端子符號，當用斜體表示時為物理量符號。圖中的二進制控制功能口為：290電氣傳動自動化技術手冊EN——使能(調節器投入或停止工作);S——設置積分初始值(YI=SV);IC——去掉比例，調節器變為1調節器；HI——去掉積分，調節器變為P調節器。調節器輸出都需要限幅，注意必須對總輸出Y和積分輸出YT都限幅，有的設計者不注意，只對Y限幅，對Y!不限幅，這樣有可能出現Y雖限制住，但Y7超出限幅的情況，導致在退出飽和時，比例縮小，響應滯后，影響整個系統的性能。PI調節器達到限幅時的輸出對輸入的響應見圖4-16。從圖中可看出，若YI不限幅，在退飽和時出現比例減小、響應滯后x時間的現象。4.2.5.2慣性比例(PT)調節器PT調節器是一階慣性環節，主要用于平滑和濾波，它實現的傳遞函數運算見式(4-15)、框圖和動態響應波形見圖4-17a、b,byby式中T——慣性時問常數。b)PT調節器的模擬實現見圖4-18。由圖可得在數字控制系統中，PT調節功能用下式計算實現：式中k——第k周期的計算值；T——采樣周期。4.2.5.3慣性微分(DT)調節器微分(D)能加快系統調節過程，但容易把噪聲和擾動放大，很少使用；如果要用，也需在前面加一個慣性濾波，構成一個DT調節器。它實現的傳遞函數運算、框圖及動態響應波形見式(4-17)和圖4-19a、h。第4章調速技術基礎291式中T——慣性時間常數；T?——微分時間常數。DT調節器的模擬實現見圖4-20。圖可得山b)在數字控制系統中，DT調節功能用下式計算實現：式中k-——第k周期的計算值；T——采樣周期。a)框圖b)動態響應4.2.6模擬和數字斜坡給定(給定積分)斜坡給定(RFG)用于給定回路，限制給定信號的變化率，又常稱為給定積分。把它用丁轉速給定時，將限制電動機加減速時的轉速變化率，從而限制加減速動態電流；若把它用于轉矩給定，將限制電動機轉矩變化率，保護機械結構。與固定斜率的給定信號發生器不同，RFG對輸出Y變化率的限制僅在輸人X的變化率超出設定值時才起作用，若X變化率沒有超過設定值，則Y緊跟X變化，且無滯后。在給定問路加Pr環節，也能限制給定信號的變化率，但與RFG的作用不同，見圖4-21。圖4-21a為RFG斜坡給定。山圖可看出，輸入大小不同的階躍X值，RFG輸出Y的斜率一樣，但響應時間不同，X小，響應時間短；圖4-21b為PT方式，對于不同X值，其響應時間一樣，但Y的斜率不同，X小，Y斜率也小。若它們位于某閉環系統內，在討論該環穩定性時，RFG對閉環系統無影響，而PT對閉環系統有影響，因為穩定問題研究的是小信號，信號越小，RFG帶來滯后越小。4.2.6.1普通RFG普通RFG;的原理在很多教科書中都有介紹，這里不再重復，只介紹它的模擬與數字的實現。(1)普通模擬RFG見圖4-22在圖4-25中，R>>R。(第一級放大倍數圖4-21RFG和PT的響應a)RFG響應h)PT響應>>1),由0到限幅值的積分時間T=R?C,Y、=dY/dt(輸出Y的一階微分信號)。用RFG產生轉速給定信號時，往往希望加減速斜率不同，這就要在正反轉時切換正負限幅值，模擬實現不方便，故模擬RFG一般設計成加減速斜率一樣(正負限幅一樣)。普通數字RFG的框圖及響應見圖4-23。普通數字RFG的離散算法是292電氣傳動自動化技術手冊數字KFG,除輸出斜坡信號Y外，還輸出很干凈的一階微分信號YA,用于前饋計算，加快系統響應，改善跟隨性能，見木章4.2.7節。模擬RFG也輸出Y、信號，但含有很大的噪聲，不好用。4.2.6.2帶圓角的RFG大多數生產機械希望轉速給定Y不僅是一個斜坡，而H要求在斜坡的起始和終結部分是圓角，即要求加速度Y、是梯形波，它的變化率也受到限制，見圖4-28。因為在加減速時機械受到的沖擊，不只和加減速動態轉矩值有關，而且和動態轉矩的變化率有關，變化率越大機械受損害越嚴重，特別是當機械傳動機構存在彈性及間隙時。帶圓角的RFG產生滿足上述第4章調速技術基礎293帶圓角的RFG框圖及晌應曲線分別見圖4-24和圖4-25。下面以正向加速過程為例說明工作原理。設定K=2T?/Tm,K。=T/當t=t,時，突加輸入X,A?飽普通RFG內環(與圖4-23a相同),這時A,也飽和，輸出Yg=TY?m.μ/T沿二次曲線上升，形294電氣傳動自動化技術手冊若Y>0,且Y>X,正向減速；Y<0,HY<X,反向減速，則K?=2T,/Tm,K=T?/除帶圓角斜坡信號Y外，這種數寧RFG還可輸出下凈的-階微分信號Y、及二階微分信在模擬控制系統中，所有檢測和控制環節都連續并行工作，來自給定和反饋的信號能很快通過控制環節影響被調量，響應快。數字控制系統的工作模式是離散的、串行的，必然帶來滯后，其響應比模擬系統慢。數字控制系統中，第k個周期初采樣的給定量及反饋量由各環節一步步串行處理，算出電力變流器的控制量，到第k+1周期初，才送至變流器的觸發電路。另外，當反饋量中含有大紋波，需用平均值采樣時，在第k個周期初，采樣到的反饋量是第k-1個周期的平均值，又滯后了半個采樣周期。為克服這個缺點，在設計數字控制系統時，廣泛使用開環前饋補償(頂控)技術來加快響應。數字控制裝置計算功能強、精度高，也為預控的應用提供了條件。開環前饋補償(頂控)是根據給定量及系統參數估算出控制對象所需的控制量，繞過閉環調節器直接作用于控制對象。在這種開、閉環復合的系統中，被調量對給定的跟隨主要靠開環，而閉環用來解決穩定和精度問題。下面以直流調速系統為例介紹預控的配置，見圖4-系統中有兩個預控環節：1.電流預控(CPC)環節根據電流給定i、電動機參數R和L以及電動勢e、功率放大器A的放大系數K計算得出電流預控環節CPC輸出為u;功率放大器A的控制電壓為式中△u.——電流調節器ACR的輸出2.轉速預控(NPC)環節根據轉速給定n'及機械慣性時間常數T.,計算轉矩控制環第4章調速技術基礎295轉速預控環節輸出式中dn*/dt——來自RFG的信號。采用預控后，數字控制系統可以獲得和模擬控制系統同樣的響應，兩種系統的6脈波品閘管變流器的電流響應時間都可做到10ms。上面介紹的是利用預控加快系統對給定的響應。預控也能加快系統對擾動的調節，但需用擾動觀測器檢測擾動量，數字控制系統的優秀計算性能為觀測器設計提供了條件。調速裝置用控制器分為兩大類：模擬控制器和數字控制器。模擬控制器精度差、特性分散、調試麻煩、標準化困難、它的應用逐步減少。近年來，隨著計算技術的發展，以微處理器為核心的數字控制器已成為現代調速系統中控制器的主要形式，故本章只介紹數字控制器。數字控制器主要由處理器、輸人和輸出接口、通信接口、外圍設備和控制電源等部分組4.3.1.1處理器處理器的核心是微處理器，另外還有一些支持它工作的器件，例如存儲器件(ROM、E2ROM和IRAM)、輸入/輸出(I/O)端口、模/數(A/D)轉換器和數/模(D/A)轉換器、定時器/計數器、專用集成電路(ASIC)或可編程門陣列(FPGA)等，它們的任務是完成運算、控制、判斷等工作。對處理器的要求是：(1)CPU指令集豐富；(2)速度快，即系統的時鐘頻率高及指令執行周期短；(3)資源豐富，包括E2ROM、RAM、I/O、A/D和D/A、中斷等。ROM和E2ROM用于存放程序和常數，RAM用于存放變量和中間結果；(4)集成度高、體積小、功耗低。4.3.1.2輸入和輸出接口處理器的[/0、A/D和D/A不能直接與外部相連，需通過控制器的輸入和輸出接口和外部聯系，要求數字控制器有下列輸入、輸出接CI:(1)一定數量的模擬輸入接口，為處理器A/D提供信號(模擬量瞬時值采樣);(2)增量式編碼器脈沖信號輸入接H;(3)V/F/D或E/△變換信號輸入接口(不是所有控制器都有);(4)一定數量的模擬輸出接11,用于外部儀表測量或波形顯示，可通過編程選擇被測量；(5)一定數量的數字量輸人/輸出接口。為了提高數字量輸入和輸出接口的利用率，這些接日可被設計為雙向工作，通過軟件設置來決定它的工作方式(輸入還是輸出)。4.3.1.3通信接口具有強大的通信能力是數字控制的重要優點之一。為此，要求數字控制器設置一定數量的通信接11,用于實現本處理器與其他處理器(本調速裝置的編程和顯水等外圍設備、工藝控制器、遠程終端、其他調速裝置的控制器、上級挖制計算機或可編程序控制器等)的信息296電氣傳動自動化技術手冊交換。通信接口有并行和串行兩類，信號傳輸的介質是通信電纜和光纖、電纜又有多芯或扁平電纜、雙絞電纜和同軸電纜等類型，根據所要求的傳輸速度和數據量、傳輸距離、抗干擾并行通信的位信號傳輸同時在數條線上進行，連接并行通信接口需要多芯或扁平電纜及連接器，并在處理器上設雙口RAM。并行通信速度快，但傳輸距離短，通常用于多處理器結構中連接各個微處理器或在本裝置中連接處理器模塊和工藝控制模塊或接口模塊等。串行通信的位信號按約定的通信協議規則排列，構成串行數據流，以約定的頻率發送和接收。串行通信的傳輸介質是雙絞電纜、同軸電纜或光纖，-對電纜和光纖就能傳輸大量數據，傳輸距離遠，多個發送和接收點還可通過介質接成-個通信網，彼此交換信息，故串行通信應用極廣。通信協議是串行通信的基礎，常用的通信協議有Profibus、CAN等，另外許多通信任務外圍設備主要指鍵盤、顯示及打印等設備，它們不屬于控制器本身，是支持控制器工作必不可少的設備，用于實現人-機聯系。外圍設備與控制器之間通常經中行通信進行連接。鍵盤和顯示器用于對調速裝置進行設定和操作，例如電動機的轉速、轉向、加減速時間、開停機等，還用于對系統工作狀態進行顯示和記錄，例如電流，電壓、轉速、報警及故障的種類及時問等。打印設備用于打印程序和歷史信息，供保存和目后分析用。控制電源用以向控制器提供所需的各種規格的電源，一般使用開關電源。對控制電源的要求，除滿足電源精度和負載能力外，還需有強大的抑制干擾能力。控制器的干擾主要來自電源，為保證控制器正常工作，在電源的輸入端都需接電源濾波器。4.3.2常用微處理器和控制芯片微處理器是調速控制器的核心，它的選用直接影響系統的控制功能和效果。適合用于調速系統使用的芯片很多，性能和結構下差萬別，升級換代很快，本章介紹幾種目前常用的芯單片機是單片微型計算機(SingleChipMicrocompuler)的簡稱。它在…塊芯片上集成了中央處理單元(CPL:)、只讀存儲器(ROM)、隨機存儲器(RAM)、1/0接口、可編程定時器/計數器等，有的其至包含有A/D轉換器，一塊芯片就是一臺計算機。調速系統中常用的是MCS-96系列單片機，其中典型芯片80C196的指標是：指令執行時間：125ms,16位×16位為1.75μs,32位這類單片機有豐富的硬件資源和軟件資源，適合用于實時控制，但用于大量數據處理或運算則略有遜色，進…步提高運算速度有困難。數字信號處理器(DigitalSignalProcessor——DSP)是一種高速專用微處理器，采取了一系列措施提高運算速度，包括改變集成電路結構、提高時鐘頻率、支持浮點運算、采用指令列排隊方式提高運行效率等等，特別是DSP集成了硬件乘法器，使乘除法運算也能在一個指令周期內完成。這是它區別于其他通用微處理器的主要特征。早期的DSP只用作提高運算速度的協處理器，本身的接口很少，不適合單獨作為控制器的單片機使用。近年來，隨著產品性能的提高，控制能力逐步擴大，把I/O接口、編碼器脈沖接口、PWM通道及A/D轉換等都集成到芯片中，已成為一類高速的單片機。DSP種類很多，調速系統常用的有兩類：TMS320C3×:特點是32位浮點運算，速度快，指令執行時間為60ns(含乘法),適用于計算量大、精度要求高的場合。它的不足是接日少，沒有A/D轉換、PWM及編碼器接口，需要另加轉換芯片及接1芯片(例如可編程門陣列FPGA)等。TMS320C24×:它是專門為電動機控制設計的DSP,特點是調速系統所需的資源豐富，有28個針可獨立編程的通用I/O口、10位A/D轉換、12路脈寬調制(PWM)通道、編碼器脈沖輸入通道等。它是16位定點運算，指令執行時間為50ns精減指令集計算機(ReducedInstructionSetComputer——RISC)在20世紀80年代后期問批，是計算機體系結構上的一次革命。以前微處理器的進步往往靠改進集成電路硬件T.藝來提高時鐘頻率和處理器速度，RISC則把著眼點敢在經常使用的基本指令的執行效率上，依靠硬件和軟件的優化組合來提高速度。在RISC中，揚棄了某些運算復雜而用處不大的指令，省出這些指令占用的硬件資源，提高簡單指令的運行速度和軟件運行總體效率。此外，RISC是一種矢量(超標量)處理器，在一個給定周期內，能并行執行多條指令，因而不能再簡單地用指令執行時間來衡量運算速度，而改用“每秒百萬條指令”(MIPS)來衡量。RISC已經在通用控制器中得到應用，例如Siemens公司在其SYMADYN-D通用控制器中使用了RISC芯片，64位，時鐘主頻為128MHzc并行計算機概念的提出已有多年，直到近年來才成為現實，實現數個處理器同時運行。多處理器結構要求具有高速通信能力的微處理器作為模塊化組件。并行處理器(Transputer)是一種專為并行處理而設計的器件，具有片內存儲器及通信鏈。Tl公司最近推出的TMS320C40型器件，是一種并行32位浮點DSP,帶6條高速通信接口，供并行處理用。分散式存儲器的多指令數據結構適合于電動機控制系統，因為控制功能可以分配至許多組件內并行運算。在這種結構中，處理器間的通信任務很繁重，故處理器必須配備數個高速通信接口，進行數據交換。基于這類并行器件的電動機控制系統的研究己有不少報導，但產品尚末見到，也許不久后會問世。專用集成電路(AdvancedSpecializedIntegratedCircuit——ASIC)指為某特殊用途專門設計和構造的集成電路。ASIC的使用可以簡化控制器、縮小體積、降低成本、提高可靠性及有助于維護知識產權，特別是某些計算量大、實時性要求高的任務固化后，可大大減少處理器的負擔、改善整個調速系統的實時性和性能。能完成某些特定功能的初級專用集成電路早已商品化，例如變頻用的HEF4752(英國Mullard公司產品)和SLE4520(Siemens公司產品)SPWM序列波發生器、AD2S110矢量變換專用芯片(美國AD公司產品)、直流電動機及直流無刷電動機用的HCTI-1000通用數字運動控制集成電路(美國HP公司產品)等。現代高級專用集成電路的功能遠遠超出完成一項專門任務，往往能包括…種特定的控制系統，例如德國1AM(應用微電子研究所)于1994年椎出的VECON,是一個交流伺服系統的單片矢量挖制器，它包含控制器、完成矢量運算的DSP、298電氣傳動自動化技術手冊PWM定時器以及其他外圍接口電路等。現場可編程門陣列(FPGA)是一類特殊的ASIC,它是一種邏輯塊陣列，可按不同的設計要求對上萬個門進行編程，實現特定的功能，有助于控制器硬件的標準化，它還可以在現場通過編程修改功能，大大降低設計風險。FPGA已得到廣泛應用，它常與DSP配合使用，補充DSP的輸入、輸出功能.完成某些實時性要求高的控制任務。可編程邏輯器件(PLD)是AND和OR邏輯門的非獨立陣列，若有選擇性地安排門電路間的內部連接，則可實現特定的功能，若用E2PROM或SRAM編程，它也有重復編程能力。和用，且沒有不能回收的工程費用。流行的PID的規模大致等效丁8000個門電路，速率可達4.3.3專用數字控制器和通用數字控制器數字控制器有專用和通用兩大類。4.3.3.1專用數字控制器它針對特定的調速系統進行設計，例如針對晶閘管直流調速的控制器、PWM變頻調速的控制器等。出于專用、任務明確，控制器可以做得較簡單、緊湊、價格低廉，但是靈活性不足。為適應現場工藝要求的多樣性，這類控制器在滿足基本調速功能前提下，還增設一定數量的可白由編程的功能塊(例如運算、邏輯、輸入/輸出等功能塊)和工藝調節器，由現場工程師根據現場要求自行組態。現在調速系統用控制器中的絕大多數都是這類控制器。它不針對特定的調速系統，可用于直流調速、各種交流調速、發電機勵磁、動態無功補償及基礎自動化等多種系統。它的特點是通用性強、軟硬件標準化程度高、組合靈活，但較復雜、價高，一般用于大功率、控制復雜的場合，對于在那些場合應用的控制器來說，性能是主要的，而價格在總成本中占的比例很小。常用的通用控制器有：Siemens公司的SIMADYN通用控制器的硬件采用多處理器總線結構，主要由下列幾部分組成：(1)機箱(含電源和并行總線);(2)處理器模板(含微處理器和一定數量的輸入/輸出接「I);(3)系統支持模板(總線通信緩沖模板、數字量和模擬量輸入/輸出模板、串行通信模板等)(4)接口模塊(模板上不好裝端子，不能直接對外接線，需經接口模塊轉換才能與外界連接，模塊裝在控制柜中，不在機箱中，模板和模塊間靠控制電纜及其連接器相連接)。系統設計者根據任務選取所需的標準機箱、模板和模塊，自行組合，構成控制器。機箱中每個處理器完成各自的任務，各處理器模板都通過雙ITRAM與機箱背面的并行通信總線相連接，相互交換信息。根據任務不同，各處理器的采樣模式(周定周期或變周期)及采樣周期長短不同，它們之間的信息交換只能采用異步方式，見圖4-27。與并行總線相連的，除處理器PM1、PM2、PM3、…、PMn外，還有·個通信緩沖模塊(CBM)。處理器之間不直接交換信息，而是都和CBM交換倍息，所有通信信息都存在CBM中，各處理器工作時去那里取信息，處理完后再放回那里，并刷新原信息，所有處理器的優先權相同，誰先來執行第4章調速技術基礎299每個提供通用控制器的公司都有自己的基礎編程軟件，例如Siemens公司的STEP7/HW圖形編程軟件和CFC軟件，在這些軟件中有大量標準功能塊，每個功能塊實現一項運算、調節、邏輯、變換、控制、輸人/輸出、通信/信息、服務/診斷等任務，由系統設計者根據任務調用這些功能塊，用類似于畫框圖那樣的圖形編程方法把一總線一總線它們連接起來，構成系統應用軟件。在實際應用中，常把完成某些特定任務(例如轉矩控制、轉速調節等)的功能塊事先連接好.組成·個標準的大功能塊(或稱功能包),用時整體調4.4調速系統中的信號檢測本節介紹電動機調速系統本身常用的電壓、電流和轉速、位置等信號的檢測方法和傳感器。有時調速系統為實現保護和工藝控制，還會用到溫度、壓力、流量等信號，它們的檢測不在這里介紹。電動機調速系統大多是通過閉環進行控制的，為實現閉環控制，先要將被控量(例如電流、電壓、轉速等)檢測出來，與設定量比較后，系統根據偏差來修正控制量，故系統的可靠性及精度直接取決于檢測的可靠性及精度。4.4.1電流、電壓測量4.4.1.1取樣電阻直接檢測法取樣電阻直接檢測法就是從接于主電路中的分流器(電流檢測)或分壓器(電壓檢測)電阻上直接測取電流或電壓信號，這類電阻稱為取樣電阻。這種方法簡單、直接，但使用時必須解決下面幾個問題：1.電壓匹配電流檢測(分流器)的信號只有幾十毫伏，電壓檢測的信號為兒百伏，而控制系統所需電壓為幾伏，需用放大器匹配信號電壓；2.電位匹配分流器和分壓器直接接入主電路，在主電路一端接地時，它對地的電位有兒百伏，與控制電路的電位(一般是地電位)不同，必需采取匹配措施；3.阻抗匹配主電路是強電，挖制電路是弱電，直接測量無法實現隔離，為安全、可靠，要求強弱電路間有兆歐級的電阻阻隔。上述匹配問題用差分放大器解決。電壓直接檢測見圖4-28,圖中的取樣電阻可以不接，將差分放大的輸入端直接接至被測母線。差分放大器輸出電壓差分放大器允許的共模電壓，也是允許的被測主電路電壓為式中U—運算放大器芯片A本身允許的共模電壓，若A的電源是±15V,則Uca可取10300電氣傳動自動化技術手冊取輸入電阻R>JMΩ,就滿起了阻抗匹配的要求。根據被測主電路的電壓，按式(4-23)和式(4-24)算出電阻R。,便可滿足電壓匹配和電壓匹配要求。高時，受放大器在高放大倍數條件下精度的限制，電流直接檢測比較難以同時滿足電壓匹配和電位匹配要求，所以應用較少，個可用的電路見圖4-29。差分放大器輸出電壓為差分放大器允許的共模電壓，也是允許的被測主電路電壓為本已很小的輸人信號經第一級后又被縮小；為滿足電壓匹配要求，獲得需要的電壓，要求第二級放大倍數很大、電阻Rc?>>Rg,所以電流直接檢測僅用于主電路電壓250V以下，且精隔離放大器的輸入信號也來自接于主電路的取樣電阻(分流器或分壓器),經隔離放大器隔離后輸出，實現主電路與控制電路的隔離，無電位匹配和阻抗匹配問題。按照隔離的于段不同，分兩大類：脈沖變壓器隔離類和電容隔離類。1.用脈沖變壓器膈離的隔離放大器它的工作原理基于調制(MOD)和解調(DEMOD),先在MOD中用電子開關把直流或較慢變化的交流輸入信號調制成幅值等于輸入信號，而頻率為幾十千赫的方波交流信號，經脈沖變爪器隔離，然后用DEMOD中的由電子開關構成的相敏整流器解調，復原成一個和輸人一樣的信號輸出。常用的這類隔離放大器有AD202/AD204和AD289。AD202/AD204的電源電壓為±15V,輸入信號范圍為±5V,輸出電壓范圍為5V,輸入-輸出間最大隔離電壓為1500V(交流有效值)。AD289的電源電壓為24V,輸入信號范圍為±10V,輸出信號范圍為±10V,輸入-輸出間最大隔離電壓為2000V(交流有效值)。AD202/AD204的框圖見圖4-30。為滿足電平匹配要求，在MOD前設有一個前置運算放大器，配適當輸入和反饋電阻后，放大倍數可在1~100間任意設置，小放大倍數用于電壓檢測，火放大倍數用于電流檢測。在這個器件內，還有一個振蕩電源，由它產生25kHz方波電源，經另一脈沖變壓器隔離、整流和濾波，產生一組±7.5V的浮空直流電源，供前置運算放大器用，這個25kHz方波電源還用來控制MOD和DEMOD中電予開關的工作。2.用電容隔離的隔離放大器它也由調制和解調兩部分組成，只不過隔離介質是電容器。由于沒有磁性元件，體積很小，可封裝在一片集成電路芯片中，價格也低。常用的這類隔離放大器為JSO124,其框圖見圖4-31,整個放大器封裝于一個16個引腳雙列直插芯片巾，電源電壓為±15V,輸人、輸出電壓范圍為±10V,輸入一輸出間坡大隔離電壓為1500V(交流有效值)。ISO124芯片內無前置放大器，它本身的電壓增益固定為1(即輸出等于輸入),當它用于電流檢測時，需外加前置放大器、另外芯片中調制部分所需的浮空±15V電源也需片外另供(通常需增設…塊DC/DC;電源)、圖4-31ISO124框圖交流互感器交流互感器是傳統的檢測交流電壓、電流的傳感器。交流電壓氣感器能檢測電壓、頻率按比例變化的交流電壓信號，但不能工作在太低的頻率，因為低頻時，互感器鐵心易飽和，不能正常工作。交流電流互感器只能檢測額定頻率的交流電流信號，因為變頻電路中頻率降低時電流并不減小，鐵心會飽和，在使用中應注意此問題。交流互感器一次、二次側是隔離的，無電位及阻抗匹配問題，電壓匹配可以通過改變一次、二次繞組的匝比來實現。電壓互感器常用來檢測三相交流電壓的幅值，這時在互感器后需配接一組三相整流橋輸出直流的交流電壓幅值信號。若電壓幅值變化范圍較寬，整流橋中二極管正向導通特性的非線性對測量精度的影響大時，可用圖4-32電路來克服這種影響，利用運算放大器的高放大倍數來消除非線性。電流身感器常用來檢測三相交流電流的幅值，這時互感器后也需配接一組二相整流橋輸出直流的交流電流幅值信號，見圖4-36。注意：在互感器二次側、整流橋之前、不能并聯電阻，因為電流互感器是電流源，它可以克服警流橋中二極管非線性影響，即使互感器一次電流很小，二次電流也一定按匝數比流出，而不管輸出電阻如何變化，若并聯了電限，耳感器輸出就變成電壓源，電流小時電壓低，非線性影響大。如果怕電流互感器二次側開路，可加裝非線性過電壓保圖4-32圖4-32無二極管非線性影響的交流信號整流電路中，通過測量交流進線電流來得到整流后直流電302電氣傳動自動化技術手冊流I的信號，見圖4-33.這時檢測輸出電壓為式中N?、N?——.感器一次、二次繞組的師數；公式中沒有整流系數，因為主整流橋和檢測整流橋的整流系標準電流五感器額定二次電流為5A,電流太大，不利于選配檢測整流橋，同時允許輸出的電壓也太低(<3V),為控制電路使用方便，希望額定：次電流為0.1A,相應輸出電壓也可增至10V。有兩種方法解決：如果主電路電流不大，宜選用專為控制設計的額定二次電流為0.1A的一級互感器；如果主電路電流大，仍采用·級變換，互感器二次繞組匝數太多，不好制造，宜用兩級變換，第一級變到5A,第二級從5A變到0.1A,某些互感器制造廠已將這兩級互感器封裝在一個整體中，從外表看是…個互感器，其實里而霍爾傳感器可用來檢測直流和任意波形的交流佯號，并可實現隔離。1.直接檢測式霍爾傳感器直接撿測式霍爾傳感器的工作原理見圖4-34。將霍爾元件置十聚磁環的氣隙磁場中(磁感應強度為B),在該元件另一側通以恒流電流1,則在元件第三面的兩端將輸出一個電壓信號t。=B1?,磁感應強度B由聚磁環一次繞組電流1,產生，而恒流電流I,又是常數，所以輸出電壓霍爾元件輸出的電壓是毫伏級的，需用測量放大器放大成直接檢測式霍爾傳感器雖有系列產品，但由于受霍爾芯片本身特性線性度、聚磁環中的B和1。間關系的線性度、恒流電流1。精度及測量放大器的精度等因素影響，檢測精度不高應用很少。2.磁平衡式(或稱為磁補償式)霍爾傳感器磁平衡式應用，它的工作原理見圖4-35。磁平衡式錐爾傳感器由一次電路、聚做環、霍爾元件、二次線圈、放大電路等組成，其工作原理基于磁場平衡，即一次電流1,產生的磁場H,,與流過二次線圈的電流1,產生的磁場H、相抵消，使霍爾元件始終處于零做場(B=0)工作狀態。一次電流1,的任何變化都會破壞磁平衡，當Ⅱ,≠H,時，霍爾元件就有信號輸出，經放大器放大后，立即有相應的二次電流1,流過二次線圈，抵消H。的變化，直至再次磁平衡，這平衡過程很快，小于1μs,因此可以認為二次安距在任何時候都等于一次安匝，即式中N。和N?——一次和二次線圈匝數。在二次線圈中串接一個電阻R。,則可從該電阻上取出比例于被測電流1,的輸出電壓Ua,第4章調速技術基礎303得到由于磁平衡式霍爾傳感器只工作在零磁場一個工作點，且放大器又工作在閉環狀態(經磁路閉環),所以直接檢測式霍爾傳感器的兒個缺點都被克服。使用磁平衡式霍爾傳感器時需注意下列幾個問題：(1)負載電阻R。不能取得太大，以避免傳感器中的放大器飽和，破壞磁平衡關系；(2)負載電阻R。需選用高精度電阻，電阻誤差不影響等安匝關系，但影響輸出電壓；(3)在-次電流I,不為零時，不能切斷傳感器電源，否則由于磁平衡關系破壞，導致磁路受到強磁化，留下永久性剩磁，降低精度。霍爾傳感器使主電路與控制電路隔離，不存在電位匹配及阻抗匹配問題，電壓匹配可通過調整一次和_二次線圈間的雨數比來實現，用霍爾傳感器測電壓時，應選用高匝比(N,多1。小)的傳感器。在…次繞組電路中，串人高阻值電阻，然后接至被測電壓，可實現電壓測量、現在已有測量電壓的霍爾傳感器系列產品(IV系列)。4.4.1.5基于2/△變換的電壓、電流檢測器前面介紹的幾種檢測方法的輸出都是模擬量，用于數字控制系統時，還需經轉換器把模擬量變成數字量(量化)、這里介紹的基于2/△變換的電壓、電流檢測器的輸出是·串方波脈沖，它在一個采樣周期中的平均占空比(在…個周期中的總脈沖寬度與周期之比)與輸人的被測信號在一個周期中的平均值成比例，這脈沖信號經光纖傳輸到數字控制器后，用同步計數器變換成數字量。浮空電源浮空電源概極張動電路電壓電流傳感器凋制器調制器時鐘R,用2/△變換實現模擬量量化的原理已在本章2.2.4.2節中介紹過，這里介紹基于這種原理制成的傳感器。E△電壓電流檢測器的檢測電路見圖4-36。Siemens公司制造的檢測器(…個檢測器中裝一個電流檢測單元和·個電壓檢測單元)的外形見圖4-37。來自取樣電阻(分流器或分壓器)的模擬電壓信號送至檢測器后，先經前置放大器放大至±2.5V,再經偏置變成0~5V,送至E/△調制器變換成方波脈沖信號，通過光纖輸出。檢測器的電子板裝在…個銅盒中，這個銅盒木身就是分流器的一部分，直接接入被測母線。電路板的電源取自相同電位的電力電子器件(IGBT或IGCT)控制極驅動浮空電源，既簡單又實現了與控制電路隔離。Z/△電壓電流檢測的特點是：(1)通過浮空電源和光纖實現隔離，效果好，耐壓高；(2)用銅盒屏蔽及經光纖輸出，不怕大功率裝置母線附近強電磁場十擾(3)在數字控制器中得到的量化信號是一個采樣周期的平均值，消除了信號中的紋波對檢測速發電機是傳統的轉速傳感器，隨著數字控制技術的發展，用得越來越少。測速發電機分真流測速發電機和交流測速發電機兩大類。測速發電機的輸出已和主電路隔離，在使用該信號時，不必再隔離。直流測速發電機的輸出是與轉速成比例的直流電壓，且其極性反映轉向，用4.4.1.1節中介紹的電壓直接檢測方法便可輸出與轉速成比例的電壓信號。交流測速發電機的輸出是三相交流電壓，其幅值與轉速成比例，使用時要先經二極管整流橋變換成直流電壓。由于一極管整流電壓的極性固定，變換出的電壓極性不反映旋轉方向所以交流測速機多用丁檢測單方向旋轉的場合。若想輸出極性反映轉向，需要判別相序，較麻煩；另外，當輸出電壓低時，二極管的導通非線性會影響檢測精度，所以應用很少。編碼器是用來檢測轉速和位置最常用的傳感器，它分增量式編碼器和絕對值編碼器兩大1.增量式編碼器增量式編碼器裝于被測電動機或機械的軸上，每轉一圈便發出一定數日的方波脈沖，通常有三組脈沖輸出：A、B和2,其中A和B為一組正交脈沖(相位互差π2,見圖4-5),Z為同步脈沖，(1個脈沖/r)。從脈沖列A和B判別旋轉方向和算出轉速的方法，以及同步脈沖乙的作用，已在本章4.2.3節中介紹過，這里只介紹編碼器的原理及應用。電源電壓，4-38h為光柵碼盤，p。為光柵碼盤上光柵條紋敏晶體管。當轉軸帶動光柵盤轉動時，每轉一圈，V接收端將接受到p.個光脈沖信號，從而在輸出端輸出p.個電脈沖信號，脈沖頻率與轉速成比例。除光電增量式編碼器外還有一種磁性增量式編碼器(美國Lakeshare公司產品),結圖4-38增量式編碼器原理 構類似，只是旋轉的部件是磁鼓，接收端是磁敏探頭。磁性增量式編偶器比光電增量式編碼器更結實一些，價格差不多。在選用增量式編碼器時應注意下列問題；(1)光柵板材質光電增量式編碼器光柵板的材質有三種：玻璃、塑料和金屬。玻璃板易碎，盡量避免選用。(2)軸的形式編碼器有兩種軸：實心軸和中空軸。實心軸經彈性連軸器與被測機械軸相連，適用于軸向審動較小的場合；巾空軸套在被測機械軸(或被減小了直徑的機械延長軸)上，編碼器外殼通過拉桿與地或機座固定，適用于軸向竄動較大的場合。(3)輸出電路形式編碼器的輸出電路有四種常見形式(見圖4-39):電壓輸出、OC輸出、推挽輸出和長線驅動輸出。前兩種輸出在輸出1電平時，處于高阻狀態，易受平憂，只能用于信號傳輸距離很短的