廈門宏發(fā)電聲股份有限公司 陳國華

通過對比和比較直流電機(jī)跟以往的交流電機(jī)，發(fā)現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在維修的過程中會遇到更多的困難，不過它的起、制動性能比較優(yōu)越，而且在調(diào)速的過程中還能在比較大的范圍里面保持平滑。本文所說的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要包括的元件有：可控硅、磁放大器以及直流發(fā)電機(jī)等。在該系統(tǒng)中由于應(yīng)用到了可控硅，而可控硅能夠更高倍數(shù)的將功率放大，并且體積比較小，使用壽命相對較長，具有良好的快速性等，因此直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)在實(shí)際的生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在某造紙廠中，有機(jī)的將可控硅整流器應(yīng)用到了設(shè)備系統(tǒng)當(dāng)中，有效的實(shí)現(xiàn)了平滑的調(diào)速過程，而且在自動控制在基礎(chǔ)上，保證了該廠的紙張生產(chǎn)產(chǎn)量，提高了紙張的質(zhì)量水平。

1.反饋控制系統(tǒng)的簡要概述

在結(jié)構(gòu)上，可以將自動控制系統(tǒng)明確的劃分為開環(huán)和閉環(huán)控制兩部分。其中開環(huán)控制可以說是自動控制系統(tǒng)里最為簡單方便的控制方式，具有以下主要特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制量產(chǎn)生影響，也就是說控制器跟被控制對象兩者之間只存在正向的控制，無法進(jìn)行反饋控制。

在某些印染設(shè)備采用的控制方法就是開環(huán)控制，負(fù)載的大小以及電源電壓的波動情況會對電機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生一定的影響，無法進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

閉環(huán)控制的主要特征有：系統(tǒng)的輸出量會直接對控制量產(chǎn)生一定的影響，也就是說控制器和被控制對象二者之間除了有一定的正向作用之外，還能夠進(jìn)行有效的反饋。圖1顯示了該控制方法的示意圖：

閉環(huán)控制大多數(shù)時(shí)候是通過反饋?zhàn)饔脤?shí)現(xiàn)的，因此通常也把閉環(huán)控制成為反饋控制。一般在反饋控制系統(tǒng)里面，如果外界環(huán)境對輸出量產(chǎn)生一定影響，那么該系統(tǒng)會按照設(shè)計(jì)規(guī)定的要求自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.可控硅-直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)里面，被控制的對象是直流電機(jī)，轉(zhuǎn)動的速度是該電機(jī)的輸出量，所以計(jì)算直流電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的表達(dá)式為：

由公式我們可以看出，我們可以利用三種方式對直流電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整速度，分別是對電樞電壓V進(jìn)行調(diào)節(jié)，對磁通φ進(jìn)行調(diào)節(jié)，對電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)等。一般在調(diào)速的過程中會同時(shí)調(diào)整電壓和磁通，到目前為止自動化系統(tǒng)大力推廣利用可控硅電源對電壓和磁通進(jìn)行有效的調(diào)整，以下是幾種比較常見的調(diào)速方法：

2.1 采用電壓負(fù)反饋的方式進(jìn)行自動調(diào)速

圖1 閉環(huán)控制的具體示意圖

圖2 采用電壓負(fù)反饋的方式進(jìn)行自動調(diào)速

圖3 采用電流正反饋和電壓負(fù)反饋二者相結(jié)合的方式進(jìn)行自動調(diào)速

從圖中我們可以看出供給直流電機(jī)發(fā)電的電壓是來自于整流電路，而其輸出的電壓會受到控制角α的直接影響，觸發(fā)電路能夠提供系統(tǒng)中所需的控制信號。

在電壓Ug的值保持固定不變時(shí)，如果將負(fù)載持續(xù)的加大，將電樞電流也不斷的增大，那么電動機(jī)那端的電壓U就會不斷的降低，引起UF出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動速度也會隨之逐漸減慢，Ud4g－4F有升高的情況，在經(jīng)過放大之后，U持續(xù)上升，電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度逐漸的趨近于原值，轉(zhuǎn)動速度逐漸降低。具體的調(diào)整過程如下所示：

負(fù)載

2.2 采用電流正反饋和電壓負(fù)反饋二者相結(jié)合的方式進(jìn)行自動調(diào)速

如果電壓負(fù)反饋不能有效的進(jìn)行自動調(diào)整轉(zhuǎn)動速度，那么可以在這種方式的基礎(chǔ)上，采用電流正反饋的方法進(jìn)行自動調(diào)速，具體情況例如圖3所示：

圖3中我們可以看出電阻R引入的電流能夠正面的進(jìn)行反饋，所以Ufa=Ia.而由于該電阻R來源于電動機(jī)中的電阻R，因此會跟電壓負(fù)反饋同時(shí)添加到輸入端。

Ud=Ug－Ufp＋Ufa

如果電動機(jī)的負(fù)載逐漸的增加，那么fp反而會降低，而Ufa會出現(xiàn)增高現(xiàn)象，并且都會最終導(dǎo)致Ud增加，能夠有效的擴(kuò)大調(diào)正速度的范圍，主要是因?yàn)閁fa增加導(dǎo)致Ud增大的那一部分能夠在一定程度上補(bǔ)償由于電樞壓降的不斷增加而造成的轉(zhuǎn)動速度降低。

圖5 速度、電壓、電流三環(huán)控制方框圖

圖4 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的方式進(jìn)行自動調(diào)速

圖6 飽和非線性狀態(tài)曲線

2.3 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的方式進(jìn)行自動調(diào)速

在圖4中我們可以看出，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度和測速發(fā)電機(jī)具有的電樞電壓呈現(xiàn)正比例的狀態(tài)進(jìn)行增加會減少。如果電機(jī)受到的負(fù)載逐漸增加，那么測速發(fā)電機(jī)的電樞電流Ia也會增加，導(dǎo)致電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度減慢，測速發(fā)電機(jī)的UCF相應(yīng)的降低，如果Ug是一個(gè)固定不變的值，那么Ud=Ug－UCF的值會不斷的上升，放大器的輸出不斷的增大，逐漸的縮小了控制角а，最終導(dǎo)致可控整流輸出的具體電壓值U不斷增加，電機(jī)逐漸還原至原值。具體的調(diào)節(jié)過程如下所示：

負(fù)載

3.模擬控制靜動態(tài)參數(shù)和數(shù)字之間的分析對比

3.1 對可控硅直流進(jìn)行的控制

如果通過電流，電壓以及速度進(jìn)行控制的話，圖5是其具體的方框圖。一般來使，關(guān)于閉環(huán)系統(tǒng)，不管是其攏動量還是參考輸入都固定時(shí)，Id也就是被控量也基本固定了。不管是攏動量還是參考輸入，二者哪一個(gè)出現(xiàn)改變，參考輸入會和反饋量形成另一個(gè)作用誤差，在控制作用的基礎(chǔ)上，使輸出量根據(jù)新參考輸入值趨于穩(wěn)定，也有時(shí)候會慢慢恢復(fù)到以前的數(shù)值后在形成新平衡，可是因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性作用以及儲能元件的存在，無法在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)新的平衡，需要必要的過程。

在摸擬控制電路設(shè)計(jì)時(shí)，無論是在時(shí)域還是頻域考慮，都要求系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定，對超調(diào)量、過渡過程的時(shí)間、振蕩次數(shù)提出一定要求，再就是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差應(yīng)滿足?？蛇@三種要求之間又相互矛盾和制約，很難建立一個(gè)同時(shí)達(dá)到理想狀態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

3.2 對數(shù)字進(jìn)行的控制

因?yàn)檫@個(gè)控制系統(tǒng)屬于非線性系統(tǒng)，因此對其設(shè)置的時(shí)候，選擇了飽和非線性，像圖6所展示的那樣。因?yàn)檫@個(gè)控制系統(tǒng)是通過數(shù)碼實(shí)現(xiàn)傳遞的，屬于數(shù)控系統(tǒng)，能采取差分方程過程的方式來說明這個(gè)系統(tǒng)的變化過程。關(guān)于非線性系統(tǒng)，其信號并沒有將輸入信號頻率的正弦分量包含在內(nèi)；從物理角度而言，非線性系統(tǒng)發(fā)生振蕩是能夠存在的，可是振幅和初始條件沒有任何關(guān)聯(lián)，是固定的；不管是系統(tǒng)的參數(shù)還是結(jié)構(gòu)都不能對數(shù)字控制非線性系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面產(chǎn)生影響；關(guān)于非線性系統(tǒng)，輸入信號的實(shí)際幅值是影響暫態(tài)響應(yīng)曲線具體形狀的原因之一，主要是由于非線性系統(tǒng)不滿足迭加原理導(dǎo)致的。

PLC對模擬量信號的處理，是將模擬信號變換成數(shù)字信號(A/D轉(zhuǎn)換)。A/D變換精度取決于A/D變換器的位數(shù)，如10V電壓要求以1mV精度變換時(shí)，精度1mV/10V=0.01%，即1/3200十進(jìn)制的3200用二進(jìn)制表示10位，該系統(tǒng)精度等級足以滿足控制系統(tǒng)要求。且該系統(tǒng)中采用6RA7018整流裝置均以積分方式變換，可使信號尖峰平均化，從而使系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。

本文大概描述了幾種常用的調(diào)速系統(tǒng)，在實(shí)際的聲場過程中為了能夠?qū)⑾到y(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，還會采取引入電壓微分負(fù)反饋以及電壓積分負(fù)反饋等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)整，如果實(shí)際需要還會將上述幾種反饋方式進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合應(yīng)用。

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