调速技术基础

第4章调速技术基础4.1调速系统分类和系统指标调速即速度控制，指在传动系统运行中人为或自动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法米改变电动机的机械特性，从而改变它与工作机械特性的交点，改变电动机的稳定运转速度。调速指令通过人工设置或经上级控制器设置，调速系统按设定值改变电动机转速。4.1.1调速的分类4.1.1.1开环调速和闭环调速电动机的转速给定被设置后不能自动纠正转速偏差的调速方式称为开环调速；具有自纠偏能力，能根据转速给定和实际值之差自动校正转速，使转速不随负载、电网波动及环境温度变化而变化的调速方式称为闭环调速。4.1.1.2无级调速和有级调速无级调速又称为连续调速，指电动机的转速可以平滑调节。其特点为转速变化均匀，适应性强，易实现调速自动化，因此在工业装置中被广泛应用。有级调速又称为间断调速或分级调速。它的转速只有有限的儿级，调速范围有限，且不易实现调速自动化。数字控制的调速系统，由于速度给定被量化后是间断的，严格说来属有级调速，但由于级数非常多，级差很小，仍认为是无级调速。4.1.1.3向上调速和向下调速在额定工况(施加额定频率的额定电压、带额定负载)运行的电动机的转速称为额定转速，也称为基本转速或基速。从基速向提高转速方向的调速称为向上调速，例如直流电动机的弱磁调速；从基速向降低转速方向的调速称为向下调速，例如直流电动机的降压调速。4.1.1.4恒转矩调速和恒功率调速在调速过程中，在流过固定电流(电动机发热情况不变)的条件下，若电动机产生的转短维持恒定值不变，则称这种调速方式为恒转短调速。这时，电动机输出的功率与转速成正比。在流过周定额定电流的条件下，若电动机输出的功率维持额定值不变，则称这种调速方式为恒功率调速。这时，电动机产生的转矩与转速成反比.以直流电动机为例，忽略电动机电枢内阻压降后，近似认为电动机电压U=C.n,电动φ是磁通；1足电枢电流)。若调速时维持磁通为额定值不变，通过改变电压调节转速，则额定电流产生的转矩也维持额定值不变，功率与转速成正比，这种调速方式是恒转矩调速；若调速时维持电压不变，通过改变磁通调速，则磁通与转速成反比，相应额定电流产生的转矩与转速成反比，而功率不变，这种调速方式是恒功率调速。第4章调速技术基础281恒转矩和恒功率调速方式的选择应与生产机械负载类型相配合，参见第2章2.1节。如果恒转矩调速方式用于恒功率类型的负载，电动机功率需按最大转矩和最高转速之积来选择，导致电动机功率比负载功率大许多倍(恒功率负载最大转矩出现在最低速，高转速时转矩最小，转矩和转速的乘积远小于最大转矩和最高转速之积)。如果电动机的恒功率调速范围和负载要求的恒功率范围-致，电动机容量最小。如果负载要求的恒功率范围大，电动机的恒功率调速范围受到机械和电气条件的限制不能满足时，只能适当放大电动机容量，增大调速系统的恒功率调速范围。4,1.2.1稳态调速精度稳态调速精度是转速给定值n与实际值n之差△n的相对值(%),其基值为电动机额定转速ng。在计算△n时，要考虑三个导致转速变化的因素：(1)负载转矩变化(从空载至额定转矩T);(2)环境温度变化(±10℃);(3)供电电网电压变化(-5%～+10%)。4.1.2.2静差率和调速范围静差率又称为转速变化率，是指在某一设定转速下，负载由空载(≤0.1Tm)到额定负载(T、)变化时，空载转速n。与额定负载下的转速n之差的相对值(%),其基值足n(见图4-1)。静差率与调速系统机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小；另外，静差率还与工作转速有关，转速越低，静差率越大。调速范围又称为调速比，是指在符合规定的静差率条件下，电动机从最高转速nm到最低转速n的转速变化倍数(见图4-2)。调速范围和静差率两项指标不是相互孤立的，必须同时提出才有意义。4.1.2.3稳速精度稳速精度足指在规定的电网质量和负载扰动条件下，按给定转速在规定的运行时间T内连续运行，每隔一定时间间隔t。测量一次转速平均值，取其中的最大值n.和最小值nu,稳速精度值(%)按下式计算(见图4-3):282电气传动自动化技术手册4.1.2.4转速分辨率在数字控制调速系统中，转速设定值被量化后，严格说来调速是有级的。转速分辨率是指相邻两级转速设定之差△n’的相对值(%),其基值是最高转速设定值n,即转速分辨率取决于数字控制器的位数。4.2模拟控制和数字控制调速装置的控制系统分两大类：模拟控制系统和数字控制系统。模拟控制系统基于模拟控制器件，在这类控制系统中，所有控制量的采集(采样)、各功能块之间的信息交换，以及它们的计算、控制、输出等功能的执行都是连续的、并行进行的，故又称为连续控制系统。数字控制系统基于数字控制器件，其核心是处理器，在这类控制系统中，一个处理器要完成人量的任务，在一定时间内又只能做一件事，所以这些任务必须分时中行执行，把原本是连续的任务间断成每隔一定时间(周期)执行一次，故又称为离散控制。早期的控制系统都是模拟系统，近年来随着计算技术的发展，数字控制系统正逐步取代模拟系统。数字系统的特点是：(1)精度高，速度快、存储量大，有强大的计算、调节和逻辑判断功能，可以实现许多过去无法实现的高级复杂的控制方法，获得快速、精密的控制效果。(2)可以设计统…的硬件电路和基础软件，由应用者编写应用软件来满足不同的控制系统要求，既标准，又灵活，为系统开发、升级提供方便，可靠性高。(3)有强大的诊断、报警、数据处理及数字通信功能.为实现远程控制、集中控制和中央计算机调度管理提供了条作。两种控制系统的原理、环节和框图基本相同，本手册在论述各种调速方法的原理时，不特指是模拟还是数字系统，但在介绍调速方法的实现时，则以数字系统为主。本节介绍从模拟控制过渡到数字控制的-些共性问题，各类数字控制调速系统的具体问题将在随后章节中介绍。在数字控制系统中，把原本是连续的任务间断成每隔一定时间(周期)执行…次，称之为离散。每个周期开始时都先采集输人信号，这个周期称为采样周期。原本是连续变化的系统被离散后，每个周期只能在采样瞬间被测量和控制，其他时间不可控，这样必然给系统的控制精度和动态响应带来影响，合理选择采样周期是数字控制的关键之…。采样周期分为两类：固定周期采样和变周期采样。采样周期T为固定值的均匀采样是固定周期采样。数字控制系统一般都采用周定周期采样。采样周期越长，处理器就能做更多的事，但对系统性能影响越大。采样周期的选择应该第4章调速技术基础283是在不给性能带米大影响的前提下，选择尽可能长的时间。采样时间T与系统响应之间的关系受采样定理的约束。香农采样定理：如果采样时间T小于系统最小时间常数的1/2,那么系统经采样和保持后，可恢复系统的特性。采样定理告诉我们，要想采样信号能够不失真地恢复原来的连续信号，必须使采样频率f(f=1/T)大于系统频谱中最高频率的两倍。系统的动态性能可用开环对数幅频特性M(dB)=f(w)来表征。由于控制对象存对应的频率范围通常称之为频带宽，再高的频率对系统的影响可忽略。根据采样定理，采样频率应大于2倍最大频率，即f≥wma/π(4-6)式中wmx--M≥-3dB或-6dB所对应的频率。在系统设计时，实际αa不知道，f按预期的wm,选取，一个处理器要处理的任务很多，它们变化的快慢相差很大，如果按变化最快的变量来选取采样频率，将极大地浪费处理器的能力，所以通常为一个处理器规定几种采样周期，以适应变化快慢不同的任务，为实现方便，这些采样周期按2*倍选取(N=0,1,2,3…,正整数)。在图4-4中示出不同周期任务的工作情况，最基本的周期是To,处理器每隔T,接收一个启动信号，最快的任务选用T₁=T,周期，它被优先执行；在T任务执行完后，空余的时间里执行选用T₂=2T。周期的任务；依此类推，在选用T,、T₂周期的任务执行完后，再执行选用T₂=4T。周期的任务。为不既误某些紧急任务(例如故障、警告等)的执行，处理器在接到中断信号后，马上中断正在进行的周期性任务，优先执行该中断任务。电力变流器中的器件(晶闸管、IGBT等)都工作在开关状态，只有开通和关断时刻是可控的，其他时问不可控；数字控制器也是断续工作的，如果它发出控制信号的时间不合适，恰好在器件已完成开关动作之后，器件对控制的响应将推迟一个周期，带来附加滞后。为避免附加滞后，希望采样周期与器件工作周期同步，且在软件设计时把控制安排在输出触发脉冲之前。有些变流器的工作周期是变化的，例如常用的6脉波相控整流，稳态时工作周期固定为300Hz,但在暂态，周期则是变化的，触发延迟角前移时，周期缩短，后移时，则加长。这样的系统若还采用固定周期采样，则无法实现同步，带来附加滞后，因此都改用变周期采样，用触发脉冲作为采样周期启动的信号，实现同步。4.2.2连续变量的量化系统中，许多被控量都是连续变化的连续变量，例如电压、电流、转速等。在数字系统中，需要先将它们量化为不连续的数字量，才能进行计算和控制。连续量的量化也是数字控制与模拟控制的重要区别之一。量化时，两个相邻数之间的信息被失去，影响系统精度。如 何合理量化，使失去的信息最少，对精度影响最小，是数字控制系统设计的又一个关键问题。在选定处理器和存储器硬件后，二进制数字量的位数就确定了，现在一般为16位或32位，以后可能64位。合理量化就是如何合理选择变量当量，即规定数字量“1”代表变量的什么值。当量的选取要考虑两个因素：(1)使系统中所有变量都有相同的精度，都能充分利用数字量位数资源。(2)尽量减少控制和计算中由当量选取带来的变换系数。从上述原则出发，在通用的数字控制器中，当量都按百分数(%)规定，百分数基值(分母)为该变量的最大值，例如额定电压、最大工作过载电流、最高转速等。为充分利用数宁量位数资源，规定去掉一个符号位的数为200%(留100%调节裕量),这样100%为“位数-2”对应的数。以16位数为例，100%对应2“=16384,全部数的范围是±200%,对应±25=±32768。在系统计算中，使用相对值时无计量单位，并可去掉许多公式中的比例系数。按上述方法规定当量，同时使用相对值，将使控制和计算中的变换系数最少，也不容易出错。有些设计者选取当量往往从方便记忆和换算出发，喜欢选较整的值作为当量，轻易规定“1”代表多少“V”、“A”或“r/min”,结果给控制和计算增添了许多变换系数，还使数字量的位数资源得不到充分利用，所以用测量值定义当量是不可取的。为适应上述标定方法，在控制器的输人端都有信号标定模块(增益可标定的放大器),把从传感器来的基值信号都变换成标准电压(10V或5V),再经A/D转换进入数字控制器，在控制器中，将不再出现带计量单位的量。数字控制的调速系统中，转速和角位置等量主要用增量式脉冲编码器或旋转变压器(Re-solver)来测量。编码器适用范围广泛，在数字调速控制装置中，通常都设有编码器信号输入1t,在装置中经硬件和软件将这连续变化信号量化，本节介绍编码器信号的量化方法。旋转变压器主要用于伺服系统，它的量化用专用集成电路实现，在本章4.4.2.3节中介绍。编码器信号接1不一定都接编码器，有时其他信号，例如锁相信号等，也利用这个接口输入，它们的量编码器与电动机轴相连，每转一转、便发出定数量的脉冲，数字控制系统通过计数器对脉冲的频率和周期进行测量，便可算出转速值。编码器的输出有A、R两组互差90°的方波脉冲(见图4-5)、用以判别旋转方向：正转时，位置角λ增大，在脉冲B前沿出现时，A=1转速值为正；反转时，位置角λ减小，在脉冲B前沿出现时，A=0,转速为负。把一组脉冲前后沿微分，再通过或门合成，可获得2倍频脉冲，把2组都微分再经或门综合得4倍频，见图4-6。每转脉冲数越多，测量精度越高，编码器制造越麻烦，因此在控制器的编码器输入端通常都接有倍频电路，以减少每转脉冲数而获取较高的精度，倍频倍数为1、2或4任选。用编码器脉冲信号计算转速有三种方法：测频法(M法),测周期法(T法),测频率和周期法(M/T法)。M法通过用计数器计数一个采样周期中的编码器脉冲个数来计算转速值，低速时，一个采样周期中的编码器脉冲个数少，精度差。T法通过用计数器计数两个编码器脉冲之间的标准时钟脉冲个数来计算转速值，高速时，两个编码器脉冲之间的标准时钟脉冲个数少，精度也差。单独使用上述两法中的任何一种方法都不能满足高精度要求，只有同时使用方向信姆方向信姆两种方法才能在整个转速范围内都获得高精度，这就是M/T法。M/T法用两个计数器，一个计数器(N₁)计数一个采样周期T中的编码器脉冲个数m,,同时通过用另一个计数器(N₂)计数标准时钟脉冲个数的方法算出m.个编码器脉冲持续的时间T=m₁T,(T。为编码器脉冲周期),然后用T₄代替采样周期T计算转速，从而获得高精度。第k周期的转速为f:——标准时钟脉冲频率；mzx—与T对应的时钟脉冲个p——倍频后的编码器每转脉冲数(脉冲数/r)。为了使转速采样与系统采样同步，在每个采样周期开始时能算出上一周期的转速值。安计数器N,在第k周期开始时清零，到周期结束时有mx个编码器脉冲被计数。计数器N₂在每个编码器脉冲来时清零，到第k-1周期结束、第k周期开始时(t=kT),有△m₂x-,个时钟脉冲被计可以证明，只要m₂r≥2¹⁵,则转速分辩率△n%≤1/2'⁴(二进制14位分辨率)。M/T法存在最低转速限制，限制条件为：在一个采样周期T中，至少有一个码盘脉冲(m₁≥1),最低转速m(r/min)为pe——未倍频的编码器每转脉冲数(p=xp。)。286电气传动自动化技术手册nan,必须加大p.或T。4.2.3.2角位置测量则nma=7.5r/min;当n<nmu时，测量输出为0。若想降低把M/T法中每个周期测得的m;值累加起来，便得角位置信号mi.x——第k周期的m,值。(1)λ值应在-π~+π之间，若按式(4-111)算出的值超出这个范围，就要加或减2π;(2)在开始计数前设置初始位置角λ₀;(3)为避免误差积累，每转一转，当编码器同步脉冲信号7脉冲出现时，需将原算出的λ值清除，重新设置λ值，再按式(4-11)累加。4.2.4电压、电流等模拟量的量化在数字控制调速系统中，需要测量电压、电流等量。把由传感器测得的连续变化的模拟量变换成数字量的量化方法有两类：瞬时值法和平均值法。4.2.4.1瞬时值法每个采样周期采样模拟量一次，经A/D转换器(ADC),得到采样时刻的数字量。在调速系统中，通常有多个模拟量需要采集和量化，可用一个主要由多路转换电子开关(MUX)、采样保持器(S/H)和A/D转换器(ADC)构成的模拟量采集系统来实现，见图4-8,根据采集模拟信号的数量，MUX的输入通道数可为4、8或16等。号，再经ADC量化成数字量。模拟信号4N的离散和量化过程见图4-9。整个采集系控制二逻辑统可做在一个集成芯片上，某些控制用信号二控制处理器芯片本身就带有这类采集系统，瞬时值采样方法简单，但只适用于模拟量比较平滑场合。如果模拟量信号图4-8模拟量采集系统中含有较大的纹波，所测瞬时值不能代表实际电压、电流的大小；若信号采集前先用滤波器滤去纹波，将带来滞后，并导致交流量相移。现有A/D转换器的位数已达16位、20位或更高，但受走线、温度变化及环境电磁场的影晌，通用工业数字控制器的A/D转换的精度一般只能做到0.1%~0.05%,即只有10或11位二进制数字有效，后面几位都是噪声。尽管数字处理器的位数可能是16位或32位，它使得使用模拟最作为设定和反馈的数字控制系统的精度只有0.1%～0.05%。4.2.4.2平均值法A/D转换器输出值为被测量值在一个采样周期T中的平均值。这类转换多用于采集含有第4章调速技术基础287时，误差最小，故这类转换器常与电力变流器同步工作。实现平均俏采样的方法有…种：1.多次采样用快速中多次采样和量化，在每个采样周期求一次平均值。若多次采样和量化的操作由主CPU控制和完成，太占时间资源，通常用专门硬件或子处理器来2.V/F/D变换法先用V/F变换，把模拟信号变换为频率与输入电压成比例的脉冲信号(V/F变换),出数宁量(F/D变换),它对应一个采样周期的平均值，V/F/D变换的另一特点是易实现被测电为了能反映模拟信号A的极性，给V/F变换规定一个中心频率f,在f=f₀,例如规定f₀=60kHz,则图4-10V/F/D变换电路范围时，应使最低输出频率远大下信号中的纹波频率V/F/D变换中的F/D变换用本章4.2.3.1节中介绍的M/T法，只要计数器的位数够，就如何实现高精度V/F变换，是整个V/F/D变换的关键，它的精度主要取决于标准时间脉冲的精度，在通常的Y/F变换器中，标准时间脉冲来自单稳触发器，受电阻、电容精度限制，虽电阻精度可高达0.1%～0.01%;但电容精度低，要达到1%已难做到。在V/F/D变换中，宜使用同步V/F变换器，以时钟脉冲作为标准时间脉冲，精度高，例如采用AD652芯片，它的变换精度与电容无关。3.E/△变换法≥△变换法的核心是2/△调制器。它的输出是一串0和1的方波脉冲，在-…个测量周期中，1脉冲的总宽度与测量周期T之比(平均占空比)和输人的模拟量成比例见图4-11,再用计数器计数一个周期中的1脉冲的总宽度，得到这个周期被测模拟量平均图4-11三/△调制器的输入和输出S/△变换原理框图见图4-12。它主要出△调制器和同步计数器两部分组成。/△调制器是一个由积分器1,和I₂、比较器及!位D/A转换器构成的闭环系统。288电气传动自动化技术手册X:.X:.C器-N—N2图4-12E/△变换器原理框图1位D/A转换器输出X₆的波形与≥△调制器输出Xs相同，是一串0和1方波，但1信号的幅值被限定为+5V。若某时刻X₆=OV<X(t)(模拟输入),X₂>0,积分器I,输出增大，X₃>0,积分器I₂输出X,增大，到X₄>Um及时钟脉冲(CLK)来时，比较器翻转，输出X₅由0变1,相应X₄也由0V变为+5V,导致X₂<0和X₃<0,X₄减小，到X₄<Umm及时环，使输出X₃变成一串方波。如果测量周期T>>时钟脉冲周期T,积分器l₁和I₂的输入X₂和X、在一个测量周期T中的平均值应等于OV,所以输出Xs和X₆的平均占空比与输入模拟量成比例。同步计数器按照时钟脉冲和信号Xs的状态工作，每当时钟脉冲米时，若Xs=1,则计数器加1,若Xs=0,则不加，到周期结束时，计数器中的数代表了输人模拟量在该周期的平均值。信号X,是方波脉冲信号，易通过光纤实现隔离。4.2.5模拟和数字调节器调节器是闭环控制系统中的重要环节，用以实现特定的传递函数运算。常用的调节器有三种：比例积分(PI)调节器(含比例P调节和积分I调节)、惯性比例(PT)调节器和惯性微分(DT)调节器。本节介绍它们的传递函数、动态响应及模拟和数字实现。模拟实现基于运算放大器，数字实现基于处理器的实时运算。4.2.5.1比例积分(PI}调节器P5调节器应用最广泛，它由输入信号综合、比例(P)、积分(I)及限幅四部分组成，实现的传递函数运算、框图及动态响应波形见式(4-11)和图4-13。b)图4-13PI调节器的框图及动态响应第4章调速技术基础289PI调节器的模拟实现见图4-14,由图4-17得图4-18是一个完整的数字PT调节器框图。在数字控制系统中，PI调节功能用下式计算来实现：式中KP——调节器比例系数输入量(KP设定值);T——调节器积分时问常数输入量(T、设定值);k——第k周期的计算值；T——采样周期；W1、W2—-给定量；X1、X2——反馈量。除完成1:述计算功能外，一个完整的数字调节器还有一些其他的辅助输入、输出量和二进制控制功能门，见图4.15。图中的辅助输入、输出量门是：YP一比例调节输出最；YI—积分调节输出量；QU和QL—Y达到限幅值的状态输出信号(二进制);SV—积分初始值输入量，注：图中引脚符号(W1、W2、Y、YI、…),当用正体表示时为端子符号，当用斜体表示时为物理量符号。图中的二进制控制功能口为：290电气传动自动化技术手册EN——使能(调节器投入或停止工作);S——设置积分初始值(YI=SV);IC——去掉比例，调节器变为1调节器；HI——去掉积分，调节器变为P调节器。调节器输出都需要限幅，注意必须对总输出Y和积分输出YT都限幅，有的设计者不注意，只对Y限幅，对Y!不限幅，这样有可能出现Y虽限制住，但Y7超出限幅的情况，导致在退出饱和时，比例缩小，响应滞后，影响整个系统的性能。PI调节器达到限幅时的输出对输入的响应见图4-16。从图中可看出，若YI不限幅，在退饱和时出现比例减小、响应滞后x时间的现象。4.2.5.2惯性比例(PT)调节器PT调节器是一阶惯性环节，主要用于平滑和滤波，它实现的传递函数运算见式(4-15)、框图和动态响应波形见图4-17a、b,byby式中T——惯性时问常数。b)PT调节器的模拟实现见图4-18。由图可得在数字控制系统中，PT调节功能用下式计算实现：式中k——第k周期的计算值；T——采样周期。4.2.5.3惯性微分(DT)调节器微分(D)能加快系统调节过程，但容易把噪声和扰动放大，很少使用；如果要用，也需在前面加一个惯性滤波，构成一个DT调节器。它实现的传递函数运算、框图及动态响应波形见式(4-17)和图4-19a、h。第4章调速技术基础291式中T——惯性时间常数；T₀——微分时间常数。DT调节器的模拟实现见图4-20。图可得山b)在数字控制系统中，DT调节功能用下式计算实现：式中k-——第k周期的计算值；T——采样周期。a)框图b)动态响应4.2.6模拟和数字斜坡给定(给定积分)斜坡给定(RFG)用于给定回路，限制给定信号的变化率，又常称为给定积分。把它用丁转速给定时，将限制电动机加减速时的转速变化率，从而限制加减速动态电流；若把它用于转矩给定，将限制电动机转矩变化率，保护机械结构。与固定斜率的给定信号发生器不同，RFG对输出Y变化率的限制仅在输人X的变化率超出设定值时才起作用，若X变化率没有超过设定值，则Y紧跟X变化，且无滞后。在给定问路加Pr环节，也能限制给定信号的变化率，但与RFG的作用不同，见图4-21。图4-21a为RFG斜坡给定。山图可看出，输入大小不同的阶跃X值，RFG输出Y的斜率一样，但响应时间不同，X小，响应时间短；图4-21b为PT方式，对于不同X值，其响应时间一样，但Y的斜率不同，X小，Y斜率也小。若它们位于某闭环系统内，在讨论该环稳定性时，RFG对闭环系统无影响，而PT对闭环系统有影响，因为稳定问题研究的是小信号，信号越小，RFG带来滞后越小。4.2.6.1普通RFG普通RFG;的原理在很多教科书中都有介绍，这里不再重复，只介绍它的模拟与数字的实现。(1)普通模拟RFG见图4-22在图4-25中，R>>R。(第一级放大倍数图4-21RFG和PT的响应a)RFG响应h)PT响应>>1),由0到限幅值的积分时间T=R₀C,Y、=dY/dt(输出Y的一阶微分信号)。用RFG产生转速给定信号时，往往希望加减速斜率不同，这就要在正反转时切换正负限幅值，模拟实现不方便，故模拟RFG一般设计成加减速斜率一样(正负限幅一样)。普通数字RFG的框图及响应见图4-23。普通数字RFG的离散算法是292电气传动自动化技术手册数字KFG,除输出斜坡信号Y外，还输出很干净的一阶微分信号YA,用于前馈计算，加快系统响应，改善跟随性能，见木章4.2.7节。模拟RFG也输出Y、信号，但含有很大的噪声，不好用。4.2.6.2带圆角的RFG大多数生产机械希望转速给定Y不仅是一个斜坡，而H要求在斜坡的起始和终结部分是圆角，即要求加速度Y、是梯形波，它的变化率也受到限制，见图4-28。因为在加减速时机械受到的冲击，不只和加减速动态转矩值有关，而且和动态转矩的变化率有关，变化率越大机械受损害越严重，特别是当机械传动机构存在弹性及间隙时。带圆角的RFG产生满足上述第4章调速技术基础293带圆角的RFG框图及晌应曲线分别见图4-24和图4-25。下面以正向加速过程为例说明工作原理。设定K=2T₁/Tm,K。=T/当t=t,时，突加输入X,A₂饱普通RFG内环(与图4-23a相同),这时A,也饱和，输出Yg=TYᴀm.μ/T沿二次曲线上升，形294电气传动自动化技术手册若Y>0,且Y>X,正向减速；Y<0,HY<X,反向减速，则K₂=2T,/Tm,K=T₁/除带圆角斜坡信号Y外，这种数宁RFG还可输出下净的-阶微分信号Y、及二阶微分信在模拟控制系统中，所有检测和控制环节都连续并行工作，来自给定和反馈的信号能很快通过控制环节影响被调量，响应快。数字控制系统的工作模式是离散的、串行的，必然带来滞后，其响应比模拟系统慢。数字控制系统中，第k个周期初采样的给定量及反馈量由各环节一步步串行处理，算出电力变流器的控制量，到第k+1周期初，才送至变流器的触发电路。另外，当反馈量中含有大纹波，需用平均值采样时，在第k个周期初，采样到的反馈量是第k-1个周期的平均值，又滞后了半个采样周期。为克服这个缺点，在设计数字控制系统时，广泛使用开环前馈补偿(顶控)技术来加快响应。数字控制装置计算功能强、精度高，也为预控的应用提供了条件。开环前馈补偿(顶控)是根据给定量及系统参数估算出控制对象所需的控制量，绕过闭环调节器直接作用于控制对象。在这种开、闭环复合的系统中，被调量对给定的跟随主要靠开环，而闭环用来解决稳定和精度问题。下面以直流调速系统为例介绍预控的配置，见图4-系统中有两个预控环节：1.电流预控(CPC)环节根据电流给定i、电动机参数R和L以及电动势e、功率放大器A的放大系数K计算得出电流预控环节CPC输出为u;功率放大器A的控制电压为式中△u.——电流调节器ACR的输出2.转速预控(NPC)环节根据转速给定n'及机械惯性时间常数T.,计算转矩控制环第4章调速技术基础295转速预控环节输出式中dn*/dt——来自RFG的信号。采用预控后，数字控制系统可以获得和模拟控制系统同样的响应，两种系统的6脉波品闸管变流器的电流响应时间都可做到10ms。上面介绍的是利用预控加快系统对给定的响应。预控也能加快系统对扰动的调节，但需用扰动观测器检测扰动量，数字控制系统的优秀计算性能为观测器设计提供了条件。调速装置用控制器分为两大类：模拟控制器和数字控制器。模拟控制器精度差、特性分散、调试麻烦、标准化困难、它的应用逐步减少。近年来，随着计算技术的发展，以微处理器为核心的数字控制器已成为现代调速系统中控制器的主要形式，故本章只介绍数字控制器。数字控制器主要由处理器、输人和输出接口、通信接口、外围设备和控制电源等部分组4.3.1.1处理器处理器的核心是微处理器，另外还有一些支持它工作的器件，例如存储器件(ROM、E2ROM和IRAM)、输入/输出(I/O)端口、模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器、定时器/计数器、专用集成电路(ASIC)或可编程门阵列(FPGA)等，它们的任务是完成运算、控制、判断等工作。对处理器的要求是：(1)CPU指令集丰富；(2)速度快，即系统的时钟频率高及指令执行周期短；(3)资源丰富，包括E²ROM、RAM、I/O、A/D和D/A、中断等。ROM和E²ROM用于存放程序和常数，RAM用于存放变量和中间结果；(4)集成度高、体积小、功耗低。4.3.1.2输入和输出接口处理器的[/0、A/D和D/A不能直接与外部相连，需通过控制器的输入和输出接口和外部联系，要求数字控制器有下列输入、输出接CI:(1)一定数量的模拟输入接口，为处理器A/D提供信号(模拟量瞬时值采样);(2)增量式编码器脉冲信号输入接H;(3)V/F/D或E/△变换信号输入接口(不是所有控制器都有);(4)一定数量的模拟输出接11,用于外部仪表测量或波形显示，可通过编程选择被测量；(5)一定数量的数字量输人/输出接口。为了提高数字量输入和输出接口的利用率，这些接日可被设计为双向工作，通过软件设置来决定它的工作方式(输入还是输出)。4.3.1.3通信接口具有强大的通信能力是数字控制的重要优点之一。为此，要求数字控制器设置一定数量的通信接11,用于实现本处理器与其他处理器(本调速装置的编程和显水等外围设备、工艺控制器、远程终端、其他调速装置的控制器、上级挖制计算机或可编程序控制器等)的信息296电气传动自动化技术手册交换。通信接口有并行和串行两类，信号传输的介质是通信电缆和光纤、电缆又有多芯或扁平电缆、双绞电缆和同轴电缆等类型，根据所要求的传输速度和数据量、传输距离、抗干扰并行通信的位信号传输同时在数条线上进行，连接并行通信接口需要多芯或扁平电缆及连接器，并在处理器上设双口RAM。并行通信速度快，但传输距离短，通常用于多处理器结构中连接各个微处理器或在本装置中连接处理器模块和工艺控制模块或接口模块等。串行通信的位信号按约定的通信协议规则排列，构成串行数据流，以约定的频率发送和接收。串行通信的传输介质是双绞电缆、同轴电缆或光纤，-对电缆和光纤就能传输大量数据，传输距离远，多个发送和接收点还可通过介质接成-个通信网，彼此交换信息，故串行通信应用极广。通信协议是串行通信的基础，常用的通信协议有Profibus、CAN等，另外许多通信任务外围设备主要指键盘、显示及打印等设备，它们不属于控制器本身，是支持控制器工作必不可少的设备，用于实现人-机联系。外围设备与控制器之间通常经中行通信进行连接。键盘和显示器用于对调速装置进行设定和操作，例如电动机的转速、转向、加减速时间、开停机等，还用于对系统工作状态进行显示和记录，例如电流，电压、转速、报警及故障的种类及时问等。打印设备用于打印程序和历史信息，供保存和目后分析用。控制电源用以向控制器提供所需的各种规格的电源，一般使用开关电源。对控制电源的要求，除满足电源精度和负载能力外，还需有强大的抑制干扰能力。控制器的干扰主要来自电源，为保证控制器正常工作，在电源的输入端都需接电源滤波器。4.3.2常用微处理器和控制芯片微处理器是调速控制器的核心，它的选用直接影响系统的控制功能和效果。适合用于调速系统使用的芯片很多，性能和结构下差万别，升级换代很快，本章介绍几种目前常用的芯单片机是单片微型计算机(SingleChipMicrocompuler)的简称。它在…块芯片上集成了中央处理单元(CPL:)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、1/0接口、可编程定时器/计数器等，有的其至包含有A/D转换器，一块芯片就是一台计算机。调速系统中常用的是MCS-96系列单片机，其中典型芯片80C196的指标是：指令执行时间：125ms,16位×16位为1.75μs,32位这类单片机有丰富的硬件资源和软件资源，适合用于实时控制，但用于大量数据处理或运算则略有逊色，进…步提高运算速度有困难。数字信号处理器(DigitalSignalProcessor——DSP)是一种高速专用微处理器，采取了一系列措施提高运算速度，包括改变集成电路结构、提高时钟频率、支持浮点运算、采用指令列排队方式提高运行效率等等，特别是DSP集成了硬件乘法器，使乘除法运算也能在一个指令周期内完成。这是它区别于其他通用微处理器的主要特征。早期的DSP只用作提高运算速度的协处理器，本身的接口很少，不适合单独作为控制器的单片机使用。近年来，随着产品性能的提高，控制能力逐步扩大，把I/O接口、编码器脉冲接口、PWM通道及A/D转换等都集成到芯片中，已成为一类高速的单片机。DSP种类很多，调速系统常用的有两类：TMS320C3×:特点是32位浮点运算，速度快，指令执行时间为60ns(含乘法),适用于计算量大、精度要求高的场合。它的不足是接日少，没有A/D转换、PWM及编码器接口，需要另加转换芯片及接1芯片(例如可编程门阵列FPGA)等。TMS320C24×:它是专门为电动机控制设计的DSP,特点是调速系统所需的资源丰富，有28个针可独立编程的通用I/O口、10位A/D转换、12路脉宽调制(PWM)通道、编码器脉冲输入通道等。它是16位定点运算，指令执行时间为50ns精减指令集计算机(ReducedInstructionSetComputer——RISC)在20世纪80年代后期问批，是计算机体系结构上的一次革命。以前微处理器的进步往往靠改进集成电路硬件T.艺来提高时钟频率和处理器速度，RISC则把着眼点敢在经常使用的基本指令的执行效率上，依靠硬件和软件的优化组合来提高速度。在RISC中，扬弃了某些运算复杂而用处不大的指令，省出这些指令占用的硬件资源，提高简单指令的运行速度和软件运行总体效率。此外，RISC是一种矢量(超标量)处理器，在一个给定周期内，能并行执行多条指令，因而不能再简单地用指令执行时间来衡量运算速度，而改用“每秒百万条指令”(MIPS)来衡量。RISC已经在通用控制器中得到应用，例如Siemens公司在其SYMADYN-D通用控制器中使用了RISC芯片，64位，时钟主频为128MHzc并行计算机概念的提出已有多年，直到近年来才成为现实，实现数个处理器同时运行。多处理器结构要求具有高速通信能力的微处理器作为模块化组件。并行处理器(Transputer)是一种专为并行处理而设计的器件，具有片内存储器及通信链。Tl公司最近推出的TMS320C40型器件，是一种并行32位浮点DSP,带6条高速通信接口，供并行处理用。分散式存储器的多指令数据结构适合于电动机控制系统，因为控制功能可以分配至许多组件内并行运算。在这种结构中，处理器间的通信任务很繁重，故处理器必须配备数个高速通信接口，进行数据交换。基于这类并行器件的电动机控制系统的研究己有不少报导，但产品尚末见到，也许不久后会问世。专用集成电路(AdvancedSpecializedIntegratedCircuit——ASIC)指为某特殊用途专门设计和构造的集成电路。ASIC的使用可以简化控制器、缩小体积、降低成本、提高可靠性及有助于维护知识产权，特别是某些计算量大、实时性要求高的任务固化后，可大大减少处理器的负担、改善整个调速系统的实时性和性能。能完成某些特定功能的初级专用集成电路早已商品化，例如变频用的HEF4752(英国Mullard公司产品)和SLE4520(Siemens公司产品)SPWM序列波发生器、AD2S110矢量变换专用芯片(美国AD公司产品)、直流电动机及直流无刷电动机用的HCTI-1000通用数字运动控制集成电路(美国HP公司产品)等。现代高级专用集成电路的功能远远超出完成一项专门任务，往往能包括…种特定的控制系统，例如德国1AM(应用微电子研究所)于1994年椎出的VECON,是一个交流伺服系统的单片矢量挖制器，它包含控制器、完成矢量运算的DSP、298电气传动自动化技术手册PWM定时器以及其他外围接口电路等。现场可编程门阵列(FPGA)是一类特殊的ASIC,它是一种逻辑块阵列，可按不同的设计要求对上万个门进行编程，实现特定的功能，有助于控制器硬件的标准化，它还可以在现场通过编程修改功能，大大降低设计风险。FPGA已得到广泛应用，它常与DSP配合使用，补充DSP的输入、输出功能.完成某些实时性要求高的控制任务。可编程逻辑器件(PLD)是AND和OR逻辑门的非独立阵列，若有选择性地安排门电路间的内部连接，则可实现特定的功能，若用E²PROM或SRAM编程，它也有重复编程能力。和用，且没有不能回收的工程费用。流行的PID的规模大致等效丁8000个门电路，速率可达4.3.3专用数字控制器和通用数字控制器数字控制器有专用和通用两大类。4.3.3.1专用数字控制器它针对特定的调速系统进行设计，例如针对晶闸管直流调速的控制器、PWM变频调速的控制器等。出于专用、任务明确，控制器可以做得较简单、紧凑、价格低廉，但是灵活性不足。为适应现场工艺要求的多样性，这类控制器在满足基本调速功能前提下，还增设一定数量的可白由编程的功能块(例如运算、逻辑、输入/输出等功能块)和工艺调节器，由现场工程师根据现场要求自行组态。现在调速系统用控制器中的绝大多数都是这类控制器。它不针对特定的调速系统，可用于直流调速、各种交流调速、发电机励磁、动态无功补偿及基础自动化等多种系统。它的特点是通用性强、软硬件标准化程度高、组合灵活，但较复杂、价高，一般用于大功率、控制复杂的场合，对于在那些场合应用的控制器来说，性能是主要的，而价格在总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处理器总线结构，主要由下列几部分组成：(1)机箱(含电源和并行总线);(2)处理器模板(含微处理器和一定数量的输入/输出接「I);(3)系统支持模板(总线通信缓冲模板、数字量和模拟量输入/输出模板、串行通信模板等)(4)接口模块(模板上不好装端子，不能直接对外接线，需经接口模块转换才能与外界连接，模块装在控制柜中，不在机箱中，模板和模块间靠控制电缆及其连接器相连接)。系统设计者根据任务选取所需的标准机箱、模板和模块，自行组合，构成控制器。机箱中每个处理器完成各自的任务，各处理器模板都通过双ITRAM与机箱背面的并行通信总线相连接，相互交换信息。根据任务不同，各处理器的采样模式(周定周期或变周期)及采样周期长短不同，它们之间的信息交换只能采用异步方式，见图4-27。与并行总线相连的，除处理器PM1、PM2、PM3、…、PMn外，还有·个通信缓冲模块(CBM)。处理器之间不直接交换信息，而是都和CBM交换倍息，所有通信信息都存在CBM中，各处理器工作时去那里取信息，处理完后再放回那里，并刷新原信息，所有处理器的优先权相同，谁先来执行第4章调速技术基础299每个提供通用控制器的公司都有自己的基础编程软件，例如Siemens公司的STEP7/HW图形编程软件和CFC软件，在这些软件中有大量标准功能块，每个功能块实现一项运算、调节、逻辑、变换、控制、输人/输出、通信/信息、服务/诊断等任务，由系统设计者根据任务调用这些功能块，用类似于画框图那样的图形编程方法把一总线一总线它们连接起来，构成系统应用软件。在实际应用中，常把完成某些特定任务(例如转矩控制、转速调节等)的功能块事先连接好.组成·个标准的大功能块(或称功能包),用时整体调4.4调速系统中的信号检测本节介绍电动机调速系统本身常用的电压、电流和转速、位置等信号的检测方法和传感器。有时调速系统为实现保护和工艺控制，还会用到温度、压力、流量等信号，它们的检测不在这里介绍。电动机调速系统大多是通过闭环进行控制的，为实现闭环控制，先要将被控量(例如电流、电压、转速等)检测出来，与设定量比较后，系统根据偏差来修正控制量，故系统的可靠性及精度直接取决于检测的可靠性及精度。4.4.1电流、电压测量4.4.1.1取样电阻直接检测法取样电阻直接检测法就是从接于主电路中的分流器(电流检测)或分压器(电压检测)电阻上直接测取电流或电压信号，这类电阻称为取样电阻。这种方法简单、直接，但使用时必须解决下面几个问题：1.电压匹配电流检测(分流器)的信号只有几十毫伏，电压检测的信号为儿百伏，而控制系统所需电压为几伏，需用放大器匹配信号电压；2.电位匹配分流器和分压器直接接入主电路，在主电路一端接地时，它对地的电位有儿百伏，与控制电路的电位(一般是地电位)不同，必需采取匹配措施；3.阻抗匹配主电路是强电，挖制电路是弱电，直接测量无法实现隔离，为安全、可靠，要求强弱电路间有兆欧级的电阻阻隔。上述匹配问题用差分放大器解决。电压直接检测见图4-28,图中的取样电阻可以不接，将差分放大的输入端直接接至被测母线。差分放大器输出电压差分放大器允许的共模电压，也是允许的被测主电路电压为式中U—运算放大器芯片A本身允许的共模电压，若A的电源是±15V,则Uca可取10300电气传动自动化技术手册取输入电阻R>JMΩ,就满起了阻抗匹配的要求。根据被测主电路的电压，按式(4-23)和式(4-24)算出电阻R。,便可满足电压匹配和电压匹配要求。高时，受放大器在高放大倍数条件下精度的限制，电流直接检测比较难以同时满足电压匹配和电位匹配要求，所以应用较少，个可用的电路见图4-29。差分放大器输出电压为差分放大器允许的共模电压，也是允许的被测主电路电压为本已很小的输人信号经第一级后又被缩小；为满足电压匹配要求，获得需要的电压，要求第二级放大倍数很大、电阻Rc₂>>Rg,所以电流直接检测仅用于主电路电压250V以下，且精隔离放大器的输入信号也来自接于主电路的取样电阻(分流器或分压器),经隔离放大器隔离后输出，实现主电路与控制电路的隔离，无电位匹配和阻抗匹配问题。按照隔离的于段不同，分两大类：脉冲变压器隔离类和电容隔离类。1.用脉冲变压器膈离的隔离放大器它的工作原理基于调制(MOD)和解调(DEMOD),先在MOD中用电子开关把直流或较慢变化的交流输入信号调制成幅值等于输入信号，而频率为几十千赫的方波交流信号，经脉冲变爪器隔离，然后用DEMOD中的由电子开关构成的相敏整流器解调，复原成一个和输人一样的信号输出。常用的这类隔离放大器有AD202/AD204和AD289。AD202/AD204的电源电压为±15V,输入信号范围为±5V,输出电压范围为5V,输入-输出间最大隔离电压为1500V(交流有效值)。AD289的电源电压为24V,输入信号范围为±10V,输出信号范围为±10V,输入-输出间最大隔离电压为2000V(交流有效值)。AD202/AD204的框图见图4-30。为满足电平匹配要求，在MOD前设有一个前置运算放大器，配适当输入和反馈电阻后，放大倍数可在1~100间任意设置，小放大倍数用于电压检测，火放大倍数用于电流检测。在这个器件内，还有一个振荡电源，由它产生25kHz方波电源，经另一脉冲变压器隔离、整流和滤波，产生一组±7.5V的浮空直流电源，供前置运算放大器用，这个25kHz方波电源还用来控制MOD和DEMOD中电予开关的工作。2.用电容隔离的隔离放大器它也由调制和解调两部分组成，只不过隔离介质是电容器。由于没有磁性元件，体积很小，可封装在一片集成电路芯片中，价格也低。常用的这类隔离放大器为JSO124,其框图见图4-31,整个放大器封装于一个16个引脚双列直插芯片巾，电源电压为±15V,输人、输出电压范围为±10V,输入一输出间坡大隔离电压为1500V(交流有效值)。ISO124芯片内无前置放大器，它本身的电压增益固定为1(即输出等于输入),当它用于电流检测时，需外加前置放大器、另外芯片中调制部分所需的浮空±15V电源也需片外另供(通常需增设…块DC/DC;电源)、图4-31ISO124框图交流互感器交流互感器是传统的检测交流电压、电流的传感器。交流电压气感器能检测电压、频率按比例变化的交流电压信号，但不能工作在太低的频率，因为低频时，互感器铁心易饱和，不能正常工作。交流电流互感器只能检测额定频率的交流电流信号，因为变频电路中频率降低时电流并不减小，铁心会饱和，在使用中应注意此问题。交流互感器一次、二次侧是隔离的，无电位及阻抗匹配问题，电压匹配可以通过改变一次、二次绕组的匝比来实现。电压互感器常用来检测三相交流电压的幅值，这时在互感器后需配接一组三相整流桥输出直流的交流电压幅值信号。若电压幅值变化范围较宽，整流桥中二极管正向导通特性的非线性对测量精度的影响大时，可用图4-32电路来克服这种影响，利用运算放大器的高放大倍数来消除非线性。电流身感器常用来检测三相交流电流的幅值，这时互感器后也需配接一组二相整流桥输出直流的交流电流幅值信号，见图4-36。注意：在互感器二次侧、整流桥之前、不能并联电阻，因为电流互感器是电流源，它可以克服警流桥中二极管非线性影响，即使互感器一次电流很小，二次电流也一定按匝数比流出，而不管输出电阻如何变化，若并联了电限，耳感器输出就变成电压源，电流小时电压低，非线性影响大。如果怕电流互感器二次侧开路，可加装非线性过电压保图4-32图4-32无二极管非线性影响的交流信号整流电路中，通过测量交流进线电流来得到整流后直流电302电气传动自动化技术手册流I的信号，见图4-33.这时检测输出电压为式中N₁、N₂——.感器一次、二次绕组的师数；公式中没有整流系数，因为主整流桥和检测整流桥的整流系标准电流五感器额定二次电流为5A,电流太大，不利于选配检测整流桥，同时允许输出的电压也太低(<3V),为控制电路使用方便，希望额定：次电流为0.1A,相应输出电压也可增至10V。有两种方法解决：如果主电路电流不大，宜选用专为控制设计的额定二次电流为0.1A的一级互感器；如果主电路电流大，仍采用·级变换，互感器二次绕组匝数太多，不好制造，宜用两级变换，第一级变到5A,第二级从5A变到0.1A,某些互感器制造厂已将这两级互感器封装在一个整体中，从外表看是…个互感器，其实里而霍尔传感器可用来检测直流和任意波形的交流佯号，并可实现隔离。1.直接检测式霍尔传感器直接捡测式霍尔传感器的工作原理见图4-34。将霍尔元件置十聚磁环的气隙磁场中(磁感应强度为B),在该元件另一侧通以恒流电流1,则在元件第三面的两端将输出一个电压信号t。=B1₂,磁感应强度B由聚磁环一次绕组电流1,产生，而恒流电流I,又是常数，所以输出电压霍尔元件输出的电压是毫伏级的，需用测量放大器放大成直接检测式霍尔传感器虽有系列产品，但由于受霍尔芯片本身特性线性度、聚磁环中的B和1。间关系的线性度、恒流电流1。精度及测量放大器的精度等因素影响，检测精度不高应用很少。2.磁平衡式(或称为磁补偿式)霍尔传感器磁平衡式应用，它的工作原理见图4-35。磁平衡式锥尔传感器由一次电路、聚做环、霍尔元件、二次线圈、放大电路等组成，其工作原理基于磁场平衡，即一次电流1,产生的磁场H,,与流过二次线圈的电流1,产生的磁场H、相抵消，使霍尔元件始终处于零做场(B=0)工作状态。一次电流1,的任何变化都会破坏磁平衡，当Ⅱ,≠H,时，霍尔元件就有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的二次电流1,流过二次线圈，抵消H。的变化，直至再次磁平衡，这平衡过程很快，小于1μs,因此可以认为二次安距在任何时候都等于一次安匝，即式中N。和N₂——一次和二次线圈匝数。在二次线圈中串接一个电阻R。,则可从该电阻上取出比例于被测电流1,的输出电压Ua,第4章调速技术基础303得到由于磁平衡式霍尔传感器只工作在零磁场一个工作点，且放大器又工作在闭环状态(经磁路闭环),所以直接检测式霍尔传感器的儿个缺点都被克服。使用磁平衡式霍尔传感器时需注意下列几个问题：(1)负载电阻R。不能取得太大，以避免传感器中的放大器饱和，破坏磁平衡关系；(2)负载电阻R。需选用高精度电阻，电阻误差不影响等安匝关系，但影响输出电压；(3)在-次电流I,不为零时，不能切断传感器电源，否则由于磁平衡关系破坏，导致磁路受到强磁化，留下永久性剩磁，降低精度。霍尔传感器使主电路与控制电路隔离，不存在电位匹配及阻抗匹配问题，电压匹配可通过调整一次和_二次线圈间的雨数比来实现，用霍尔传感器测电压时，应选用高匝比(N,多1。小)的传感器。在…次绕组电路中，串人高阻值电阻，然后接至被测电压，可实现电压测量、现在已有测量电压的霍尔传感器系列产品(IV系列)。4.4.1.5基于2/△变换的电压、电流检测器前面介绍的几种检测方法的输出都是模拟量，用于数字控制系统时，还需经转换器把模拟量变成数字量(量化)、这里介绍的基于2/△变换的电压、电流检测器的输出是·串方波脉冲，它在一个采样周期中的平均占空比(在…个周期中的总脉冲宽度与周期之比)与输人的被测信号在一个周期中的平均值成比例，这脉冲信号经光纤传输到数字控制器后，用同步计数器变换成数字量。浮空电源浮空电源概极张动电路电压电流传感器凋制器调制器时钟R,用2/△变换实现模拟量量化的原理已在本章2.2.4.2节中介绍过，这里介绍基于这种原理制成的传感器。E△电压电流检测器的检测电路见图4-36。Siemens公司制造的检测器(…个检测器中装一个电流检测单元和·个电压检测单元)的外形见图4-37。来自取样电阻(分流器或分压器)的模拟电压信号送至检测器后，先经前置放大器放大至±2.5V,再经偏置变成0~5V,送至E/△调制器变换成方波脉冲信号，通过光纤输出。检测器的电子板装在…个铜盒中，这个铜盒木身就是分流器的一部分，直接接入被测母线。电路板的电源取自相同电位的电力电子器件(IGBT或IGCT)控制极驱动浮空电源，既简单又实现了与控制电路隔离。Z/△电压电流检测的特点是：(1)通过浮空电源和光纤实现隔离，效果好，耐压高；(2)用铜盒屏蔽及经光纤输出，不怕大功率装置母线附近强电磁场十扰(3)在数字控制器中得到的量化信号是一个采样周期的平均值，消除了信号中的纹波对检测速发电机是传统的转速传感器，随着数字控制技术的发展，用得越来越少。测速发电机分真流测速发电机和交流测速发电机两大类。测速发电机的输出已和主电路隔离，在使用该信号时，不必再隔离。直流测速发电机的输出是与转速成比例的直流电压，且其极性反映转向，用4.4.1.1节中介绍的电压直接检测方法便可输出与转速成比例的电压信号。交流测速发电机的输出是三相交流电压，其幅值与转速成比例，使用时要先经二极管整流桥变换成直流电压。由于一极管整流电压的极性固定，变换出的电压极性不反映旋转方向所以交流测速机多用丁检测单方向旋转的场合。若想输出极性反映转向，需要判别相序，较麻烦；另外，当输出电压低时，二极管的导通非线性会影响检测精度，所以应用很少。编码器是用来检测转速和位置最常用的传感器，它分增量式编码器和绝对值编码器两大1.增量式编码器增量式编码器装于被测电动机或机械的轴上，每转一圈便发出一定数日的方波脉冲，通常有三组脉冲输出：A、B和2,其中A和B为一组正交脉冲(相位互差π2,见图4-5),Z为同步脉冲，(1个脉冲/r)。从脉冲列A和B判别旋转方向和算出转速的方法，以及同步脉冲乙的作用，已在本章4.2.3节中介绍过，这里只介绍编码器的原理及应用。电源电压，4-38h为光栅码盘，p。为光栅码盘上光栅条纹敏晶体管。当转轴带动光栅盘转动时，每转一圈，V接收端将接受到p.个光脉冲信号，从而在输出端输出p.个电脉冲信号，脉冲频率与转速成比例。除光电增量式编码器外还有一种磁性增量式编码器(美国Lakeshare公司产品),结图4-38增量式编码器原理 构类似，只是旋转的部件是磁鼓，接收端是磁敏探头。磁性增量式编偶器比光电增量式编码器更结实一些，价格差不多。在选用增量式编码器时应注意下列问题；(1)光栅板材质光电增量式编码器光栅板的材质有三种：玻璃、塑料和金属。玻璃板易碎，尽量避免选用。(2)轴的形式编码器有两种轴：实心轴和中空轴。实心轴经弹性连轴器与被测机械轴相连，适用于轴向审动较小的场合；巾空轴套在被测机械轴(或被减小了直径的机械延长轴)上，编码器外壳通过拉杆与地或机座固定，适用于轴向窜动较大的场合。(3)输出电路形式编码器的输出电路有四种常见形式(见图4-39):电压输出、OC输出、推挽输出和长线驱动输出。前两种输出在输出1电平时，处于高阻状态，易受平忧，只能用于信号传输距离很短的