伺服系统电机（精选12篇）
伺服系统电机 篇1
伺服电机比步进电机性能更优越, 随着现代电机控制理论的发展, 伺服电机控制技术成为了机床数控系统的重要组成部分, 并正朝着交流化、数字化、智能化方向发展。
1 数控机床伺服系统
1.1 开环伺服系统
开环伺服系统不设检测反馈装置, 不构成运动反馈控制回路, 电动机按数控装置发出的指令脉冲工作, 对运动误差没有检测反馈和处理修正过程, 采用步进电机作为驱动器件, 机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度, 难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高, 运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低, 且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。
1.2 全闭环伺服系统
闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器, 进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能, 采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件, 来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上, 其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度, 其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素, 对系统稳定性有很大影响, 使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高精度和大型数控机床上。
1.3 半闭环伺服系统
半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同, 同样采用伺服电动机作为驱动部件, 可以采用内装于电机内的脉冲编码器, 无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统, 其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上, 进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外, 其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响, 安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关, 而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能, 在传动装置精度不太高的情况下, 可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。
2 伺服电机控制性能优越
2.1 低频特性好
步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象, 运转非常平稳, 交流伺服系统具有共振抑制功能, 可涵盖机械的刚性不足, 并且系统内部具有频率解析机能, 可检测出机械的共振点, 便于系统调整。
2.2 控制精度高
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机, 对于带17位编码器的电机而言, 驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈, 即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
2.3 过载能力强
步进电机不具有过载能力, 为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩, 选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机, 造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力, 例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍, 可用于克服启动瞬间的惯性力矩。
2.4 速度响应快
步进电机从静止加速到额定转速需要200~400毫秒。交流伺服系统的速度响应较快, 例如松下MSMA 400W交流伺服电机, 从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。
2.5 矩频特性佳
步进电机的输出力矩随转速升高而下降, 且在较高转速时转矩会急剧下降, 所以其最高工作转速一般在300~600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出, 即在其额定转速 (一般为2000RPM或3000RPM) 以内, 都能输出额定转矩。
3 伺服电机控制展望
3.1 伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化
80年代以来, 数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构, 几乎不需维修, 体积相对较小, 有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中, 交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字化交流伺服系统的发展, 数控系统的计算速度大大提高, 采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后, 大大地提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网, 它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置, 网络连接, 进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展, 使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强, 大大推动了高精高速加工技术的发展。
另外, 先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器, 其传感器具有小于1μs的响应时间。伺服电动机本身也在向高速方向发展, 与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。为保证高速时电动机旋转更加平滑, 改进了电动机的磁路设计, 并配合高速数字伺服软件, 可保证电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。
3.2 交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟
数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机+精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高, 实现高速化的成本相对较低, 所以目前应用广泛。使用滚, 珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min, 加速度1.5g。但滚珠丝杠是机械传动, 机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙, 相应会造成运动滞后和非线性误差, 所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。90年代以来, 高速高精的大型加工机床中, 应用直线电机直接驱动进给驱动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运动惯量更小、动态响应性能更佳, 运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线电机直接驱动, 不需中间机械传动, 减小了机械磨损与传动误差, 减少了维护工作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比, 其速度提高30倍, 加速度提高10倍, 最大达10g, 刚度提高7倍, 最高响应频率达100Hz, 还有较大的发展余地。当前, 在高速高精加工机床领域中, 两种驱动方式还会并存相当长一段时间, 但从发展趋势来看, 直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明, 直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。
摘要：近年来, 伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构, 伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体, 并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步, 经历了从步进到直流, 进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。
关键词：数控系统,伺服电机,直接驱动
参考文献
[1]《交流伺服电机控制技术的研究》, 中国测试技术, 郑列勤, 2006.5.
[2]《数控机床及其使用维修》, 机械工业出版社, 卢斌, 2005.2.
[3]《伺服电机控制技术》, 机电技术, 张初生, 2006.5.28.
伺服系统电机 篇2
专业：电气工程及其自动化
姓名：常宇 学号：Z011142228
不得不说，这次的实验给我的感觉和上学期的电力电子实验挺像的，必须要用心去做才能学到东西，实验本身才会显得有意义，否则只会是消磨时间。
电力拖动自动控制系统的实验已经结束，在4次实验中，我们做了晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验、单闭环不可逆直流调速系统实验、双闭环可逆直流脉宽调速系统实验和三相SPWM、马鞍波、SVPWM变频调速系统实验。
电力拖动自动控制系统这门课程知识的实用性很强，因此实验就显得非常重要。
不得不说，在这四次实验中，让我印象深刻的是单闭环不可逆直流调速系统实验。这个实验可以说是我所花时间最多、个人认为最难的一次实验。第一次的实验没能成功是因为实验台的DJK04电机调速控制实验I模块损坏，第二次实验也是费尽千辛万苦才把实验顺利完成。虽然这个实验比较难、耗时长，但我却从中学习到了许多。我们第一次实验线路连接好但电机并不能转动，我们也正是利用老师传授的方法判断出了实验模块不能正常工作。即使没有成功做出实验预期的结果，我们依然收获了，我们通过自己的判断可以正确的分析线路的故障、排除故障。我感觉这比稀里糊涂的完成实验更有意义。
在这三次实验中，我们离不开丁老师的帮助。我十分赞成丁老师的这种教学方法，让同学们自己通过实验指导书自己做实验、自己发现问题、分析问题和解决问题，我认为这样才能真正的达到实验的目的，这样才能提高学生的操作动手能力、独立思考的能力。丁老师也能处处为学生着想，最后一次实验中老师就说过学校能为老师办公室安装空调，却不能为实验室装空调，让学生大热天的做实验。老师听完这一番话，我们真的非常感动。像丁老师这样能为学生着想的老师真的很少很少，我们在实验课后都统一认为丁老师是位好老师，是能处处为学生着想的老师。
基于DSP电机调速系统 篇3
关键词 DSP 调速系统 电路 仿真
中图分类号：TM3 文献标识码：A
1电机调速系统简介
1.1电机生产中的分类
机械生产中广泛使用了两种技术：第一种是不改变同步转速的方法，其中又分为了转子串电阻调速、斩波调速、串级调速、应用电磁砖差离合器（又如液力偶合器、油膜离合器）等调速方式。第二种是改变同步转速的方法，改变定子极对数的多速电动机，其中又分为改变定子电压、频率的变频调速。
1.2电机方式的分类
从调速的方式来看电机调速分为调压调速、变极调速、变频调速、电磁调速。
（1）调压调速顾名思义，就是变动电动机的定子电压实现调速的目的。调压调速时对于单相电动机来说电压是在0-220V之间的电压值；對于三相电动机来说电压是在0-380V之间变化的。调压调速方式的优点在于调速过程中产生的转差能量再次循环利用使得这种方式效率高，缺点在于功率因素较低，并且有谐波干扰、运行时没有制动转矩一般用于单象限运行的负载。
（2）变极调速的定义是改变电动机定子绕组的接线方式来变动电动机磁极的对数，进而逐步有级的变化同步转速来实现电动机转速有级地调速。变极调速的电动机产品比较定型，例如单绕组多速电动机。变速调速电动机的优点在于没有附加的差基损耗、效率高，并且控制电路很简单、便于维修、制作成本低，还可以与定子调压或者电磁转差离合器组合使得效率提高。
（3）变频调速，就是用改变异步电动机定子端输入电源的频率使之连续可调来改变它的同步转速，实现电动机调速的方法。变频电机是最节能高效的电机，其优点在于无附加转差损耗，效率高，调速范围广。在低负载运行的时间较长，或者起停运行较频繁的场合可以有节电保护电机的作用。缺点是技术相对复杂，成本较高。
（4）电磁调速就是通过电磁转差离合器来实现调速的目的。电磁调速异步电动机俗称滑差电动机，是一种比较简单可靠的交流无极调速设备。这种电动机采用组合式结构，由拖动电动机、电磁转差离合器和测速发电机等组成，测速发电机是作为转速反馈信号源供控作用。这种电动机的无极调速是通过电磁转差离合器来实现的。其优点在于结构较简单，控制装置容量小，成本便宜，并且运行可靠维修简单，没有谐波干扰。缺点在于速度损失较大，效率比较低。
2三相交流电机
2.1 三相同步电机
直流电机中，用换向器绕组代替转子绕组，可以使定子磁场与转子磁场相对静止，产生恒定的电磁转矩，从中我们想到，将电机定子绕组改造成三相对称绕组A-X、B-Y、C-Z，在这个系统中三相对称绕组中通入三相对称正弦电流，就会产生幅值恒定的旋转磁场，其转速等于相电流的角频率。将转子绕组嵌入转子槽中，做成分布绕组，将此分布绕组作为励磁绕组，通入励磁电流，这时在气隙中就会产生正弦分布且幅值恒定的励磁磁场，之后它随着转子一起旋转。
定子磁场和转子磁场相互作用，之后形成电磁转矩。定子旋转磁场速度ws和转子速度wr的大小决定了这两个磁场轴线间的电角度，当ws=wr，时，这个电角度为常数，两个磁场的相对位置不变，产生恒定的电磁转矩。三相同步电机稳态工作时，定子旋转磁场幅值恒定，在励磁绕组中不会产生电动势。但转子磁场在定子绕组中却会产生电动势。
同步电机中转子线圈与定子线圈的等效励磁电感相等，用Lm来表示，再用Is表示定子电流，用If表示分布绕组中的励磁电流，用 表示定子旋转磁场在d-q坐标系中的空间相位，则电磁转矩te可由下面公式计算得到：
te= - IsIfLmsin （1）
式（1）中的负号表示电磁转矩的方向应使 减小。用 f表示励磁绕组磁链，其大小为：
f=LmIf （2）于是，式子（1）又可以改为：
te= fIssin （3）
2.2 三相异步电机
2.2.1 三相异步电机的历史
在说三相异步电动机之前，我们先说电动机的历史。直流电机和交流电机相继诞生于19世纪，拿直流电动机和交流电动机想对比的话，直流电机的转矩更加容易控制，并且直流调速系统具有起、制动性能较好，调速范围广，静差小及稳定性能好等优点，因此作为调速系统的首选机型。随着工业的发展，由于直流电动机内部采用的是机械式换向器，所以大功率高速度的直流电动机设计起来极其复杂，而复杂的设计又造成了价格方面的昂贵以及维护方面的麻烦，在特大功率，超高速度的场合中直流电动机甚至根本无法设计使用使得人们技术突破造成了瓶颈。
随着现代控制理论的发展，电力电子技术的突破以及微机控制的出现，交流电机的速度控制在理论上得到验证，在实际应用中得到了技术上的支持，控制技术越来越成熟，调速性能已经能和直流电机相媲美，应用范围甚至超过了直流电机，并且伴随着交流电动机的先天优势：结构比较简单、制造成本比较低、维护起来也较为经济，交流调速系统的客观发展趋势已经说明总有一天直流电机会完全被交流电机取代。
三相异步电机是当今应用最广泛的交流电机之一，因此对它的控制策略与如何节约能源相结合的研究对基础工业自动化而言具有举足轻重的意义。
2.2.2 三相异步电机的试验内容
这次主要的研究课题就是基于TMS320LF2407A电机数字控制DSP芯片的空间矢量模糊调速系统的研究。本次研究我们运用了磁场定向技术、矢量控制理论、SVPWM算法以及模糊控制理论，并由Simulink的仿真来证实该系统动、静态性能好，稳定性高、鲁棒性强、抗干扰能力强等等特点。
（1）矢量控制技术简介
为了使非线性，强耦合的三相异步电机获得较高的动态调速性能，研究人员于上世纪70年代提出了基于转子磁场定向技术的矢量变换方法，即利用坐标变换的方法把三相静止坐标系下的定子电流、电压和主磁链，变换到以转子磁场定向的两相旋转坐标系下，这样，定子电流就被分解成了励磁电流和转矩电流两个分量，矢量控制的基本思想就是通过对这两个电流分量的相位和幅值分别进行控制来实现对电机转矩的控制。实质上而言，矢量控制技术所包含的主要内容是电机等效电路，磁链方程，转矩方程以及坐标变换。
（2）SVPWM算法
空间矢量脉宽调 （Space Vector Pulse Width Modulation）简称为SVPWM，它是基于如何使三相异步电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场为思路而产生的电机控制算法。SVPWM的总体构想是在一个控制系统中把逆变器和电机当做一个整体来考虑，因此对按照这种设想来建立的数学模型进行分析比较简单，实时控制起来也比较方便，实际系统中输出电压和电流中产生的谐波少，并且从节能方面来考虑，相比起传统的SPWM算法而言，SVPWM算法的电压利用率也要高出15%。
（3）模糊控制理论
模糊控制理论最早是在1965年就由美国学者L.A.zadeh首先提出，经过多年研究之后在1973年他又给出了模糊逻辑的定义和相关定理。到了1974年，英国学者E.H.Mamdani首先尝试利用模糊控制语句构造模糊控制器，并将它用在锅炉和蒸汽机的控制上，这一次尝试不仅取得了成功，而且这一历史性的创举标志着模糊控制理论的诞生以及运用。模糊自动控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机或者微机数字控制，在实质上它是一种非线性控制，从属于智能控制理论的范畴，并且具有系统化的理论基础，同时还具有大量的实际应用。模糊控制理论发展至今已经40多年了，不管是在理论上还是在技术上都有了飞速发展，因此它成为了自动控制领域最有成果的分支之一。
2.2.3 三相异步电机的DSP结构
用霍尔器件测量逆变器输出的定子电流iA、iB经过DSP的A/D转换器变化为数字量的，并且利用式子ic=-（iA+iB）来算ic，再通过Clarke和Park变换把电流由iA、iB、ic变换成旋转坐标系中的各个直流分量作为电流环的负反馈量。由于异步电动机的转子机械转速与转子磁链转速不同步，所以用电流一磁链位置转换模块求出转子磁链位置，用于参与Park变换和逆变换的计算。给定转速n`与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流T轴参考分量iT`。iT*和iM* （等于零）与电流反馈量iT、iM的偏差经过电流PI调节器，分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量V M*和V T*。V M*和V T*再通过Park逆变换转换成 、 直角坐标系的定子相电压矢量的分量V *和V *。当定子相电压矢量的分量V *、V *和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空问矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。以上操作完全可以全部采用软件来完成，从而实现三相异步电动机全数字实时控制。
2.2.4 三相异步电动机的软件设计
我们用TM320LF240DSP实现转子磁场定向的矢量控制算法来设计，这个系统是包括系统主程序和中断服务子程序构成的。主程序主要完成DSP芯片的控制系统初始化部分，可以用C语言进行编程来提高程序的可读性；中断服务程序时完成矢量控制算法的主要部分，其采用了DSP的汇编语言编程来满足系统对实时性的要求。
2.2.5 系统的仿真
转速阶跃给定为1500r/min，直接启动电机，在2s、4s、6s、8s负载为：20N·m、15N·m、25N·m、20N·m。仿真表明，系统的动态响应快、超调量小及抗干扰能力强。
综上所述，以上结果可以看到该电机速度控制系统中电机的转速响应快，转矩的波动小，超调量小，动态性能和静态性稳定。该仿真是对该调速系统设计思路的验证，结果证明设计思路是可行的，在实際系统设计中可以以该仿真为依据，进行硬件电路的搭建和控制程序的流程设计。
参考文献
[1] 李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京：机械工业出版社，1999.
[2] 宫鑫，宋稳力.基于TMS320F28335的三相PWM整流器设计与实现[J].机械与电子，2008.（03）：75-77.
[3] 雷军. 基于DSP+MCU的电机微机保护装置的研制[D].长沙：中南大学，2007.
[4] 王晓明，王玲. 电动机的DSP控制-TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
伺服系统电机 篇4
关键词：电动汽车,驱动系统,混合励磁无刷直流电机,2812
1 引言
能源紧缺与环境污染等问题带来的负作用日益增加,使电动汽车在近些年成为各国竞相研究的热点。电机驱动系统作为电动汽车重要组成部分,其性能优劣直接关系到整车性能。目前,电动汽车上所采用的电机驱动系统以无刷直流电机(BLDCM)驱动系统综合性能最为理想,较好地满足了电动汽车对效率、功率密度等众多指标的要求[1]。但是无刷直流电机中永磁体对外加磁势的磁阻很大,电机气隙磁场难以调节致使其使用范围受限。混合励磁无刷直流电机(Hybrid Excitation BLDCM,HEBLDCM)通过安装励磁绕组的方法较好地解决了无刷直流电机调磁困难的问题,在适应不同负载方面具有明显优势,是未来电动汽车电机驱动系统的有力竞争者[2]。
2 HEBLDCM基本原理与控制策略分析
HEBLDCM在普通无刷直流电机的结构上进行了改造,在电机定子侧安装与电枢绕组正交的直流励磁绕组,转子侧安装铁磁极作为调磁极以及相间地安装N极、S极,电机整体结构如图1所示。
2.1 电机结构及调磁原理
由图1可看出,HEBLDCM气隙总磁通由永磁磁极产生的永磁磁通Φp和励磁电流If产生的励磁磁通Φf两部分组成。由于永磁磁极对外加磁势的磁阻很大,因此永磁磁极上磁通基本维持为永磁磁通Φp,铁磁极为励磁磁通Φf主要通道。从励磁角度来看,HEBLDCM的运行方式可分为:(1)零励磁运行(If=0),励磁磁通Φf为零,电机工作于普通无刷直流电机状态;(2)增磁运行(If>0),此时励磁磁通Φf与Φp方向相同(即Φf>0),电机气隙总磁通Φ增加为Φp+Φf;(3)弱磁运行(If<0),这时Φf与Φp方向相反(即Φf<0),Φ削减为Φp-Φf。
下面以If>0为例说明If对电机转矩及转速的影响,设U为电枢电压,E为电枢反电动势,R为电机内阻,L为电枢绕组各相自感,I为电枢电流,KE为反电势系数,n为电机转速,则HEBLDCM的电压平衡方程为:
式(2)中,Φf=KfIf,Kf为与励磁绕组设计有关的常数。结合(1)、(2)两式可得出n与U、If的关系表达式为:
由式(3)有,转速n可通过调节U、If来实现。
同样,电机转矩M与If及I之间关系式为:
式(4)中,KM为转矩系数,则调节I和If可实现对电机转矩M的调节[3,4]。
经以上分析可知,通过对励磁电流If的方向控制,可起到增强或削弱电机内部磁场的作用,而改变If大小则可控制调磁的强度,通过对磁场的控制最终达到控制电机转速和转矩的目的。
2.2 控制策略分析
引入励磁电流If的同时将带来励磁损耗,因此在不采取电励磁能满足运行需求的情况下电机零励磁运行。为方便分析,做如下定义:电机工作在额定电枢电压UN及额定电枢电流IN,零励磁运行时的转速为额定转速nN;电枢电流达到额定值IN时,零励磁运行的转矩为额定转矩MN;为保证主回路的调节能力,取电机零励磁恒功率运行下最高转速的90%为电机弱磁基速nf。根据电动汽车各种运行工况特点,以MN、nN、nf为临界点将系统工作状态划分为低速零励磁运行、低速增磁运行、高速零励磁运行、高速弱磁运行[5,6]。
当电动汽车低速运行(n
(1)汽车轻载低速运行时,电机负载转矩M小于额定转矩MN,此时电枢电流I未达到额定值IN,可通过调节I来满足负载转矩需求,零励磁运行。
(2)汽车处于爬坡或带负载启动等工况下时,负载转矩需求M可能超过额定转矩MN。由MN定义及式(4)可知,此时电枢电流I已达到额定值IN,假若继续增加I来获得转矩的提升,可能会导致电枢损耗急剧上升,严重时将造成电机损坏,因此调用正向励磁电流(If>0)增磁以提升电机转矩。
当电动汽车高速运行时(n>nN),此时转矩M不再是主要运行指标,仅考虑速度运行情况,以弱磁基速nf为临界值判断是否需要弱磁升速。
(1)当汽车运行在nN
(2)当汽车运行速度n大于nf时,由nf定义知此时电枢电压的利用率达到90%,不宜再采取调压调速,为避免主回路失去调节作用,引入反向励磁电流(If<0)削弱磁场提升速度,电机转矩也随速度上升而成比例下降,高速弱磁运行仍为恒功率运行。
3 系统硬件设计
HEBLDCM驱动系统需要协调控制电枢电流及励磁电流,因此比普通无刷直流电机驱动系统复杂了很多,这样对主控芯片的性能也提出了更高的要求。美国TI公司的TMS320F2812是目前在电机控制领域应用最为广泛的32位定点DSP,这款DSP的CPU主频高达150MHz,拥有精度达12位的片内AD模块,支持CAN2.0B协议的eCAN模块,两个专用于电机控制的事件管理器模块(EV)等诸多外设模块[7],基本满足了HEBLDCM系统控制的需求。
主电路功率模块选用日本三菱公司的IPM模块PM75CVA120,该模块额定电流75A,额定电压1200V,其将IGBT和驱动电路及过流、过压、欠压等保护电路集成在一起,简化了设计。励磁电路由四个IXYS公司的功率MOS管IFFN100N50P构成全桥电路,通过改变MOS管的导通次序和开关频率改变励磁电流的方向和大小。
图2为基于2812的HEBLDCM驱动系统硬件框图,硬件系统主要分为电枢主回路控制、励磁电路控制两部分,其中2812外部输入信号主要有位置、速度及电流的反馈信号以及运行参数给定信号(键盘或管理系统)等。DSP输出信号有故障保护信号和PWM驱动信号,其中E-VA中6路PWM用于驱动主回路IPM模块,EVB中4路PWM作为励磁电流方向切换信号,下面主要介绍系统部分接口电路的设计。
3.1 位置检测电路
转子位置信号及速度信号是决定电机运行的关键参数,采用日本TAMAGAWA公司的增量式光电编码器TS5214N510作为位置/速度传感器。这款编码器的分辨率为2500C/T,供电电源为+5V,输出6组差分信号:,其中为速度反馈信号,为磁极位置信号。
如图3所示,编码器端输出位置及速度差分信号经由接口板上SN75175转换为单端信号,再由高速光电耦合器6N137对单端信号进行隔离处理后送至2812捕捉单元,经捕捉单元完成位置/速度信号的采集,最后由CPU完成转子位置判断以及速度计算。
3.2 CAN收发电路
CAN总线是在汽车行业应用最为广泛的现场总线,为加强系统与电动汽车管理系统的通信,扩展CAN外围电路。选用TI公司的SN65HVD230作为CAN控制器和物理总线接口,其T、R引脚分别连接2812的CANTXA、CANRXA引脚,如图4所示。
3.3 AD采样调理电路
系统采用的电流互感器输出满量程为±6V,然而2812AD模块输入模拟电压范围为0~3V,采取图5所示电路将电流传感器输出电压信号限制在3V以内,然后再送入AD摸块,确保采样的正确性。
4 系统软件设计
由控制策略分析可知,HEBLDCM驱动系统设计的关键在于如何根据电动汽车运行工况的改变自动切换工作状态,选择运行方式,尽可能的发挥出混合励磁无刷直流电机的性能优势。
图6为系统主程序框图,主程序中主要包括系统初始化、运行命令给定与显示、外部输入信号检测、速度计算、故障检测及处理、状态判断、通信等子程序。电机运行方式选择首先通过当前运行速度n与nN的比较初步判断高、低速状态。若n>nN(高速),则n再与nf比较决定是否弱磁升速;若n
5 结束语
一个性能优越的电机驱动系统不仅可提高电动汽车整车性能,对促进电动汽车的发展和推广也具有重要的意义。本文在分析混合励磁无刷直流电机调磁原理和系统控制策略的基础上,分别介绍了驱动系统硬件电路设计和软件框架,该电机驱动系统具有磁场可调、低速大力矩及调速范围广等众多优点,在电动汽车驱动方面有着良好的应用前景。
参考文献
[1]魏学哲.影响电动汽车性能的关键因素解析电动汽车驱动系统[J].电子测试,2006(6):15-20.
[2]梁秀玲,李优新,王鸿贵,等.新型可调磁永磁无刷直流电动机在电动汽车中的应用[J].广东工业大学学报,2004(4):1-4,36.
[3]李优新,王鸿贵,何鸿肃,等.混合励磁无刷电机的调磁原理与实现方法[J].机电工程技术,2003,32(4):18-20,24.
[4]李优新.混合励磁无刷直流电机的结构及控制策略研究[J].微特电机,2003(3):3-5.
[5]徐寅,陈东.一种混合动力概念车驱动系统设计[J].机电工程,2010(1):72-75.
[6]葛善兵.混合励磁双凸极电机调速系统控制策略研究[D].南京:东南大学,2006.
伺服系统电机 篇5
伺服电机是运动控制中一个很重要的器件，通过它可以进行精确的位置控制。它一般带有编码器，通过高速计数功能，中断功能和脉冲输出功能，构成一个闭环系统，来进行精确的位置控制。PLC的脉冲输出
由于PLC在进行高速输出时需要使用晶体管输出。当将高速输出点作为普通输出而带电感性负载时，例如电磁阀，继电器线圈等，一定要注意，在负载端加保护，例如并联二极管等。以保护输出点。
心得二：步进电机的控制方法
我带队参加《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目，我院选手和其他院校的三位选手组成了天津代表队，我院选手所在队获得了《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目二等奖，为天津市代表队争得了荣誉，也为我院争得了荣誉。以下是我这个作为教练参加大赛的心得二：步进电机的控制方法《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目的主要内容包括如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。但其中最为重要的就是PLC方面的知识，而PLC中最重要就是组网和步进电机的位置控制。
一、S7-200 PLC 的脉冲输出功能
1、概述
S7-200 有两个 置PTO/PWM 发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。
当组态一个输出为PTO 操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电
机的速度和位置的开环控制。置PTO 功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。但应用程序必须通过PLC内置I/O 提供方向和限位控制。
为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7--Micro/WIN 提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM，PTO 或位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。
2、开环位控用于步进电机或伺服电机的基本信息
借助位控向导组态PTO 输出时，需要用户提供一些基本信息，逐项介绍如下：
⑴ 最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED）
图1是这2 个概念的示意图。
MAX_SPEED 是允许的操作速度的最大值，它应在电机力矩能力的范围。驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。
图1 最大速度和启动/停止速度示意
SS_SPEED：该数值应满足电机在低速时驱动负载的能力，如果SS_SPEED 的数值过 低，电机和负载在运动的开始和结束时可能会摇摆或颤动。如果SS_SPEED 的数值过高，电机会在启动时丢失脉冲，并且负载在试图停止时会使电机超速。通常，SS_SPEED 值是MAX_SPEED 值的5%至15%。
⑵加速和减速时间
加速时间ACCEL_TIME：电机从 SS_SPEED速度加速到MAX_SPEED速度所需的时间。减速时间DECEL_TIME：电机从MAX_SPEED速度减速到SS_SPEED速度所需要的时间。
图2 加速和减速时间
加速时间和减速时间的缺省设置都是1000 毫秒。通常，电机可在小于1000 毫秒的时间工作。参见图2。这2 个值设定时要以毫秒为单位。
注意：电机的加速和失速时间要 过测试来确定。开始时，您应输入一个较大的值。逐渐减少这个时间值直至电机开始失速，从而优化您应用中的这些设置。
⑶移动包络
一个包络是一个预先定义的移动描述，它包括一个或多个速度，影响着从起点到终点的移动。一个包络由多段组成，每段包含一个达到目标速度的加速/减速过程和以目标速度匀速运行的一串固定数量的脉冲。位控向导提供移动包络定义界面，在这里，您可以为您的应用程序定义每一个移动包络。PTO 支持最大100 个包络。
定义一个包络，包括如下几点：①选择操作模式；②为包络的各步定义指标。③为包络定义一个符号名。
⑴选择包络的操作模式：PTO 支持相对位置和单一速度的 续转动，如图3所示，相对位置模式指的是运动的终点位置是从起点侧开始计算的脉冲数量。单速续转动则不需要提供终点位置，PTO 一直持续输出脉冲，直至有其他命令发出，例如到达原点要求停发脉冲。
图3
一个包络的操作模式
⑵包络中的步
一个步是工件运动的一个固定距离，包括加速和减速时间 的距离。PTO 每一包络最大允许29 个步。
每一步包括目标速度和结束位置或脉冲数目等几个指标。图4 所示为一步、两步、三步和四步包络。注意一步包络只有一个常速段，两步包络有两个常速段，依次类推。步的数目与包络中常速段的数目一致。
图4
包络的步数示意 7.2.5
使用位控向导编程
STEP7 V4.0 软件的位控向导能自动处理PTO 脉冲的单段管线和多段管线、脉宽调 制、SM 位置配置和创建包络表。
本节将给出一个在YL-335A 上实现的简单工作任务例子，阐述使用位控向导编程的方法和步骤。表1 是YL-335A 上实现步进电机运行所需的运动包络。
表1
步进电机运行的运动包络
1、使用位控向导编程的步骤如下：
1）为S7--200 PLC选择选项组态 置PTO/PWM操作。
在STEP7 V4.0软件命令菜单中选择 工具→位置控制向导并选择配置S7-200PLC内 置PTO/PWM操作，如图5所示。
图5 位控向导启动界面 2）单击“下一步”选择“QO.0”，再单击“下一步”选择“线性脉冲输出 PTO）”。
图5
选择PTO或PWM界面
3）单击“下一步”后，在对应的编辑框中输入MAX_SPEED 和SS_SPEED 速度值。输入最高电机速度“90000”，把电机启动/停止速度设定为“600”。这时，如果单击MIN_SPEED值对应的灰色框，可以发现，MIN_SPEED值改为600，注意：MIN_SPEED值由计算得出。用户不能在此域中输入其他数值。
图6
4）单击“下一步”填写电机加速时间“1500”和电机减速时间 “200”
图7 设定加速和减速时间
5）接下来一步是配置运动包络界面，见图8。
图8 配置运动包络界面
该界面要求设定操作模式、1个步的目标速度、结束位置等步的指标，以及定义这一包络的符号名。（从第0个包络第0步开始）
在操作模式选项中选择相对位置控制，填写包络“0”中数据目标速度“60000”，结束位置“85600”，点击“绘制包络”，如图9所示，注意，这个包络只有1步。包络的符号名按默认定义。这样，第0个包络的设置，即从供料站→加工站的运动包络设置就完成了。现在可以设置下一个包络。
图9 设置第0个包络
点击“新包络”，按上述方法将下表中上3个位置数据输入包络中去。
表中最后一行低速回零，是单速连续运行模式，选择这种操作模式后，在所出现的界面中（见图10），写入目标速度“20000”。界面中还有一个包络停止操作选项，是当停止信号输入时再向运动方向按设定的脉冲数走完停止，在本系统不使用。
6）运动包络编写完成单击“确认”，向导会要求为运动包络指定V存储区地址（建 议地址为VB75～VB300），默认这一建议，单击“下一步”出现图11，单击 “完成”。
图11 生成项目组件提示
2、项目组件 运动包络组态完成后，向导会为所选的配置生成三个项目组件（子程序），分别是：PTOx_RUN子程序（运行包络），PTOx_CTRL子程序（控制）和PTOx_MAN子程序（手动模式）子程序。一个由向导产生的子程序就可以在程序中调用如图12所示。
图12 三个项目组件
它们的功能分述如下：
⑴ PTOx_RUN子程序（运行包络）：命令 PLC 执行存储于配置／包络表的特定包络中的运动操作。运行这一子程序的梯形图如图13所示。
图13 运行PTOx_RUN子程序
EN位：启用此子程序的使能位。在“完成”位发出子程序执行已经完成的信号前，请确定EN位保持开启。
START参数：包络的执行的启动信号。对于在START参数已开启且PTO当前不活动时的每次扫描，此子程序会激活PTO。为了确保仅发送一个命令，请使用上升缘以脉冲方式开启START参数。Profile（包络）参数：包含为此运动包络指定的编号或符号名。Abort（终止）参数命令，开启时位控模块停止当前包络并减速至电机停止。Done（完成）参数：当模块完成本子程序时，此参数 ON。Error（错误）参数：包含本子程序的结果。C_Profile参数：包含位控模块当前执行的包络。C_Step参数：包含目前正在执行的包络步骤。
⑵ PTOx_CTRL子程序：（控制）启用和初始化与步进电机或伺服电机合用的PTO输出。请在用户程序中只使用一次，并且请确定在每次扫描时得到执行。即始终使用SM0.0作为EN的输入，如图14所示。
图14 运行PTOx_CTRL子程序
I_STOP（立即停止）输入：开关量输入。当此输入为低时，PTO功能会正常工作。当此输入变为高时，PTO立即终止脉冲的发出。
D_STOP（减速停止）输入：开关量输入。当此输入为低时，PTO功能会正常工作。当此输入变为高时，PTO会产生将电机减速至停止的脉冲串。“完成”输出：开关量输出。当“完成”位被设置为高时，它表明上一个指令也已执行。Error（错误）参数：包含本子程序的结果。当“完成”位为高时，错误字节会报告无错误或有错误代码的正常完成。如果PTO向导的HSC计数器功能已启用，C_Pos参数包含用脉冲数目表示的模块；否则此数值始终为零。
⑶ PTOx_MAN子程序（手动模式）：将PTO输出置于手动模式。这允许电机启动、停止和按不同的速度运行。当PTOx_MAN子程序已启用时，任何其他PTO子程序都无法执行。运行这一子程序的梯形图如图15所示。
图158 运行PTOx_MAN子程序
RUN（运行/停止）参数：命令PTO加速至指定速度（Speed（速度）参数）。您可以在电机运行中更改Speed参数的数值。停用RUN参数命令PTO减速至电机停止。当RUN已启用时，Speed参数确定着速度。速度是一个用每秒脉冲数计算的DINT（双整数）值。您可以在电机运行中更改此参数。
Error（错误）参数包含本子程序的结果。
不花钱巧修伺服电机 篇6
经维修人员检查后发现，停机时，一层印刷单元对应的驱动器显示的错误代码为F219。根据该印刷机的故障维修手册，F219代表电机因过热而关机，导致错误的原因有：①电机过载，电机所需的有效转矩已超过其允许的转矩，且过载时间过长；②电机温度监控线出现短路；③速度控制回路工作不稳定。
對于原因①，可以通过更换电机来判断；对于原因②，可以通过检查线路来判断；对于原因③，可以通过检查控制环参数来判断。
综合考虑，判断故障点最快最简单的方法就是将一层印刷单元和二层印刷单元的电机连接线接头进行调换，同时保持电机和驱动器不动。调换后开机印刷，发现错误代码显示在二层印刷单元的驱动器上，原一层印刷单元的驱动器配合二层印刷单元的电机并没有问题。再用万用表测量电机到驱动器的连接线，没有发现短路，由此确定是电机出了问题，排除故障原因②和③。考虑到当时是冬季，气温低，而印刷机开机不久就出现这种现象，不太可能是电机过载，所以我们怀疑是电机内部的温度检测装置出了问题。联系维修工程师后，得知过热保护传感器是装在电机的定子上，很难更换，维修费用也很贵。
后来我们拆装电机时发现，电机内部其实有两副过热保护传感器（见图1），除了损坏的那个，还有一个备用的，具体接线如图2所示。原来电机过热保护接线是接在3和4接线柱上的，而只要将这两根线接到5和6接线柱上，就能启用备用的过热保护传感器，电机就能正常使用了。我们更换接线后电机已正常使用好几个月，没有出现问题。
此次维修不仅没花一分钱，还省去了来回拆卸和安装电机的麻烦，没有耽误生产，因此笔者特将此法分享给各位同行，以供参考。
电机测速调速系统设计 篇7
基于触摸屏和PLC的三相异步交流电动机调速系统在生产生活中有着广泛的应用前景, 本项目主要研究内容有:通过触摸屏或PLC实现三相异步交流电动机的启动、停止、正转、反转、测速及调速。实验结果表明:以触摸屏为基础的人机友好界面, 能够方便完美地实现对电动机转速的测控。
1 系统设计总体方案
此系统包括触摸屏模块、可编程控制器模块、D/A模块、变频器模块及转速传感器模块。计算机下载程序进入触摸屏和PLC, 由触摸屏或计算机输入一定转速, 控制PLC使其通过D/A模块将电压变化的信号传递给变频器, 进行电机的无级调速。通过联轴器与轴相连的转速传感器模块将输出量反馈给PLC (图1) 。通过PID控制器构成的闭环控制系统, 极大地增强了此系统的稳定性、准确性和快速性。
2 硬件系统构建
2.1 PLC的选择
本项目选用的PLC型号为西门子CPU224XP, 其上集成了14输入/10输出共24个数字量I/O点, 满足需要, 电压调节范围为-10~10 V, 分别对应数字量-32 000~+32 000。CPU224XP自带的模拟量模块, 可以将CPU224XP的模拟量输出端子与变频器的模拟量端口相连, 通过变频器实现调速;具备PID自整定功能, 构成闭环系统;此外, CPU224XP有两个通信口, 执行程序时分别与PC和触摸屏建立通信, 带来了诸多便利。
2.2 触摸屏的选择
本项目选用的触摸屏型号为Smart700IE, 此触摸屏具有800×480dpi宽屏显示设计, 分辨率较高;具备强大通信能力, 通信速率甚至可高达187.5kb/s;其上LED背光, 节能降耗, 帮助延长触摸屏的使用寿命;集成有高性能处理器、高速外部总线及64M DDR内存, 处理数据快, 画面切换速度快;质量高, 且价格在可承受范围之内;工业设计理念较先进;内部电源设计可靠。此外, Smart700IE除有一个PORT插口外, 还有一个以太网接口, 这样就可用PORT口与PLC通信, 用以太网口和PC通信, 且以太网口的传输与通信速度比较快。
2.3 变频器的选择
变频器SINAMICS V20非常适合小型的实验平台, 是连接PLC与交流电机的中间桥梁, 是实现变频调速的主要部件, 其具有以下优点: (1) 易于安装, 无需额外组件即可正常运行; (2) 易于使用, 无需调试软件; (3) 通信灵活, 调试方便, 制动高效; (4) 性能稳定可靠, 经久耐用; (5) 节能环保, 内置节能模式, 通过自动调节磁通电流实现节能。
2.4 三相交流电动机的选择
本项目所用三相异步交流电动机型号为YS6314, 额定电压220V, 额定功率0.12kW, 具有结构简单, 价格便宜, 运行可靠, 过载能力强, 使用、安装、维护方便等优点。
2.5 光电编码器的选择
选用型号为HN3806-400-AB的光电编码器, 它与轴相连, 通过光电转换将转轴上的机械几何位移量转换成脉冲量或数字量, 通过连续10次计算每50ms时间内的平均脉冲值求得电机转速。由于光电编码器自身构造的独特性, 由光码状态的变化就可以确定电机转向。
3 软件设计
3.1 测速功能
测速过程中使用到了PLC中的高速计数器功能, 高速计数器响应速度快, 计数频率高, 高速计数器以中断方式工作, 与扫描周期无关, 因而不会受到扫描速度的制约。所使用的CPU224XP含有6个高速计数器HCS0~HCS5, 共有13种模式, 我们采用的是高速计数器0即HCS0的模式0, 通过将16#FC写入到存储区SMB37, 将0写入到SMD38来设置这个模式。
用联轴器与电动机转轴相连的光电编码器通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲, 同时PLC中的高速计数器对编码器发出的脉冲信号进行计数, 采样时间采用的是定时中断1, 设定采样时间为50ms, 编码器连续反馈10次脉冲并求得平均脉冲值, 通过这个测得的脉冲数就可以计算出每分钟电机的转速。查得电机转轴每转一圈, 所用编码器会发出400个脉冲, 具体计算如下:设定在一个采样周期内平均测量得到x个脉冲, 则转速为[60×x/ (50×0.001) ]/400r/min。
3.2 闭环控制功能
在转速控制要求比较高的场合, 开环控制无法达到要求, 必须加反馈, 构建闭环系统, 如图2所示。
本系统的控制器采用的是PID控制器, PID即比例—积分—微分控制, PLC中集成了专门的PID控制指令, 能够实现转速的精确控制。
3.2.1 比例控制
以设定转速为700r/min为例, 先将Ti参数值置为无穷、Td参数值置为0, 进行纯比例调节。将比例增益Kp由0逐渐加大, 直至系统出现振荡;再反过来, 从此时的比例增益Kp逐渐减小, 直至系统振荡消失, 记录此时的比例增益Kp。为了减小误差重复试验, 最终确定Kp=1.5是系统稳态临界值。根据经验, 取0.65×Kp=0.97为该系统的比例增益。在调节过程中发现:在系统稳定的情况下, 比例系数Kp增大, 会使系统反馈速度上升加快, 有利于减小稳态误差, 提高控制精度;但随着Kp增大, 系统响应过程中的振荡次数会增多, 调节时间会加长;当Kp值过大时, 系统将发生振荡现象。
3.2.2 积分控制
将比例增益Kp降为原来的80%, 设定Ti参数值为无穷大, 再逐渐减小至0, Ti越小, 积分的控制作用越强, 使系统趋于稳定所需时间越短。例如:将Ti值设置为0.01 min和0.5 min时, 两者相差较大, Ti=0.5min时与Ti=0.01min时相比, 积分作用对系统的性能影响要小, 超调量要小, 所需调节时间要长, 不利于消除系统稳态误差, 难以获得较高的控制精度。通过多次试验, 最终取Ti=0.01min, 系统基本趋于稳定。
3.2.3 微分控制
微分的加入要比较谨慎, 加入D后系统易引入高频干扰, 但PI控制器在本系统中的动态特性不是很理想, 有时会出现小幅度的振荡, 于是加入微分作用, 当Td为0.01min时, 不管设定转速如何变化, 系统都会趋于稳定。除此之外, 还发现了一个细微的现象, PI控制下的超调量略大于PID控制下的超调量, 阶跃峰值两者相差25r/min左右, 说明了D环节的加入可以产生具有预见性的超前调节作用, 在偏差产生之前就能将其消除, 减少超调量和调节时间。PID控制效果如图3所示。
由PID参数调节得出了这样的结论:比例增益的大小与系统稳定性成正相关, 比例增益Kp过大, 虽然偏差会变小, 但会导致系统稳定性下降, 严重时会造成系统的不稳定。积分控制和惯性控制相似, 属于滞后校正, 能消除稳态误差, 但牺牲了系统的快速性。微分环节是具有预见性的超前校正, 改变的是系统的动态特性, 在比例微分控制都已经调试好的情况下仍然出现振荡, 可加入微分D构成比例—积分—微分控制, 以更加完美地实现系统稳定性、准确性和快速性的有机统一。
4 触摸屏人机界面设计
触摸屏部分初步分为三个界面, 第一个界面为开机欢迎界面;第二个界面为系统的主要控制界面, 用以实现整个系统的启动/停止、电机正反转的选择、预期速度的设定等功能;最后一个界面如图4所示, 实现的是PID参数的调节, 画面中有趋势图, 可直观地看出电机速度的变化, 以便调节P、I、D这三个参数。
5 结语
综上所述, 基于PLC和触摸屏的三相异步交流电动机的变频调速系统是一个涉及多种器件并运用综合知识体系完成的一个项目, 采用触摸屏人机界面的良好交互性, 使得操作员能更加方便快捷地进行操作;利用了PLC的各项强大功能, 实现了对电机参数的测量和控制。除触摸屏的直接调控外, 也可通过PC对PLC的控制实现调控, 具有极强的纠错功能, 为操作员的及时监控和参数修改提供了快捷途径。
参考文献
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[3]高玉芹.电机转速的高精度快速测量[J].自动化与仪表, 2000, 15 (6) :41-44.
直流电机伺服控制系统的设计 篇8
1 直流调速系统结构方案的确定
根据系统所要达到的技术指标确定设计方案, 本设计所要达到的技术指标如下:
直流电动机:Ued=220伏, Ied=136安, ned=1460转/分, Ce=0.132伏/转·分-1, λ=1.5, Ks=40, 电枢电阻R=0.5欧, TL=0.03秒, Tm=0.18秒, β=0.05伏/安 (≌10伏/1.5Ied) , α=0.007伏/转·分-1 (≌10伏/ned) , Toi=0.002秒, Ton=0.01秒。
设计要求:直流电机可逆运行;稳态指标:无静差;动态指标:σi%≤5%, σn%≤10%。
调速系统控制环节主要包含转速给定 (图1) 整流电路、双闭环直流调速系统、驱动回路环节。
2 转速、电流双闭环调节器的设计
2.1 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器
用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器, 先内环后外环。
首先设计电流调节器, 然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节, 再设计转速调节器。
2.2 电流调节器的设计
电流调节器的设计包括结构图的简化, 结构的选择。
(1) 电流环结构图的简化。
转速的变化往往比电流变化慢得多, 对电流环来说, 反电动势是一个变化较慢的扰动, 在电流的瞬变过程中, 可以认为反电动势基本不变, 即∆E≈0。把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内, 同时把给定信号改成, 则电流环便等效成单位负反馈系统。
sT和Toi一般都比lT小得多, 可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节, 其时间常数为:
T∑i=Ts+Toi=.00017+0.002=0.0037s。
(2) 电流调节器结构的选择。
Ts=.00017s时间常数为:
T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037
由σ%≤5%, 而且T1/T∑i=.003/.00037=.811。所以电流环应以跟随性能为主, 应选用典型I型系统, 应采用PI型的电流调节器, 其传递函数可以写成:
Ki为电流调节器的比例系数;
τi为电流调节器的超前时间常数。
2.3 转速调节器的设计
转速调节器的设计包括结构图的简化, 结构的选择, 参数的计算实现。
(1) 电流环的等效闭环传递函数。
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节, 它的闭环传递函数Wcli (s) :
忽略高次项, Wcli (s) 可降阶近似为:
近似条件:
电流环在转速环中等效为:
原来是双惯性环节的电流环控制对象, 经闭环控制后, 可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。
3 驱动控制回路 (IGBT基极驱动电路)
电动机的正反转转变主要是由IGBT构成的四象限变换器控制的, IGBT的基极由专用的基极驱动器驱动M57962L驱动。M57962内置可在输出与输入之间实现良好电气隔离的光耦合器, 所以可对被驱动的IGBT实现可靠驱动。
用M57962L驱动IGBT模块的实际应用电路如图2所示。当IGBT模块过载 (过压、过流) 时, 亦即其集电极电压上升至大于15V时, 隔离二极管D1截止, (1) 脚为15V高电平, 则驱动器将5脚置低电平, 使IGBT截止稳压二极管Z1用于防止D1击穿而损坏M57962L。Rext为限流电阻。Z3、Z2组成限幅器, 以确保IGBT基极不被击穿。
4 结语
随着技术的发展, 直流调速领域越来越广泛, 各领域直流伺服电动机需求也不断增加, 因此我们必须使用各种新技术解决现实应用的需求。本设计基本达到了技术指标的要求:实现了电机的可逆运行, 满足了静态指标及动态指标的要求。
摘要：近年来, 交流调速系统发展很快, 然而直流拖动控制系统毕竟在理论和实践上都比较成熟, 而且从反馈闭环控制角度来看, 它又是交流拖动控制系统的基础, 所以本设计为以直流拖动控制系统为基础的控制电机。
伺服系统电机 篇9
伺服控制技术是现代装备制造业的关键技术。在典型的伺服应用中，要求机器设备的运动部件快速、平稳且准确地进入预定的目标区域[1,2]。永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)由于功率密度高、结构简单可靠等优点，在各类伺服系统中得到广泛的应用。目前，PMSM主要利用DSP(数字信号处理器)来实现全数字化伺服控制[3,4,5]。常规的伺服系统采用“电流-速度-位置”3环串级PID控制的结构。PID中的积分项对消除系统误差、提高精度起了重要作用[6]，但在给定输入或扰动出现阶跃变化时易产生积分器饱和(Windup)现象，导致系统输出量持续大超调和低频振荡，严重降低了控制系统的瞬态性能。为改善PID对给定输入和扰动的鲁棒性，实际应用中需引入非线性增益[7]、抗饱和[8]或参数自适应整定[9,10]等措施。文献[11]利用迭代学习方法对扰动引起的误差进行补偿，但速度环仍以PI控制为基础，且缺乏实验验证。文献[12]采用扰动观测器和参数在线辨识相结合来改善电机调速精度，但也只进行了仿真研究。
本研究针对PMSM位置伺服系统的模型特点和性能需求，提出一种基于线性扩展状态观测器的扰动补偿复合控制方案。在矢量控制的模式下，把电机速度和位置环构成的机械子系统作为受控系统，分别以转矩电流和电机转角作为控制输入和受控输出量，在仅有转角可量测的条件下，设计一个扩展状态观测器来估计电机转速和未知扰动(包括负载转矩和其他不确定性因素)，并用于反馈和补偿，最终实现平稳和准确的位置控制。本研究设计的控制器经离散化，成为数字控制器，通过DSP编程实现，在实际的永磁同步电机上进行实验测试，以验证控制方案的有效性。
1 PMSM位置伺服系统的模型
常用的面装式永磁同步电机，其在dq坐标系中的数学模型如下:
式中:θr—机械转角;ωr—机械角速度;Te—电磁转矩;TL—负载转矩;J—折合到电机轴上的惯量;kb—粘性摩擦系数;Ld,Lq—电机直轴和交轴同步电感;Rs—定子电阻;np—极对数;ψ—永磁体磁链;ud,uq—dq坐标系中d、q轴的电压;id,iq—直轴和交轴电流，即励磁电流和转矩电流。
考虑电机速度和位置环构成的机械子系统(假定电流内环已实现了闭环控制):以电机转角θr(单位:rad)和转速ωr(单位:rad/s)作为系统的状态变量，其中θr是受控输出量(记为y)，交轴电流iq作为控制输入量u(其值将作为转矩电流的给定信号)，则可得到如下所示的二阶状态空间模型:
式中:，参数b=1.5npψ/J,a=-kb/J,d=-TL/1.5npψ;d—由负载转矩折算而成的等价输入扰动，也可包括系统模型的不确定性。饱和限幅函数sat(u)定义为:
式中:sign(·)—符号函数，umax—控制量的最大允许值。
2 复合控制律的设计
控制的目标是使输出y精确地跟踪给定位置r，考虑如下带扰动补偿的复合反馈控制律:
式中:G—待定的标量参数，F—状态反馈增益矩阵。
使(A+BF)具有期望的特征值，按照极点配置算法，可得:
在控制律(4)作用下，系统闭环稳定，则当t→∞，有6)x(t)→0,x(t)→xss。其中xss是状态量x的稳态值。从式(2,4)可推导出:
系统输出y的稳态值为:
由于控制的目标是使输出y能准确跟踪目标r，即:yss≡r，(r,d)，于是可求得:
控制律(4)需用到未量测的速度和未知扰动信号。由于扰动是常值或慢变化的，则可用微分方程描述为6)d=0。把这个方程结合到对象模型中，得到增广模型:
其中:。
注意到输出量y(即位置θr)是可测的，只需估计转速ωr和扰动d的值，因此可采用降阶观测器。笔者选择观测器的一对共轭极点的阻尼系数ζ0和自然频率ω0，可得如下的观测器方程:
式中:v—观测器内部状态量;—速度和扰动的估计值。各系数矩阵如下:
虽然在设计观测器时仅考虑输入扰动，但估计出来的却是一个综合的扰动，它不但包括输入扰动，还包括所有可被输入扰动等价匹配的其他扰动和不确定性。相应地，扰动补偿也是补偿了所有能匹配的扰动。把状态量和扰动的估计值用于控制律，得到如下的鲁棒复合控制律:
在对控制算法编程实现之前，需把观测器(10)的动态方程加以离散化。假定离散采样周期为T，采用常规的前向差分方法，可得到如下离散化的观测器方程:
式中:I2—二阶单位矩阵，k—某个采样时刻。
对应的控制律可写成:
式(12,13)构成的控制器将用于编程和实验测试。
3 实验研究
本研究在一台实际的永磁同步电机上进行了位置伺服控制实验。电机型号为60CB020C，其额定转速为3 000 r/min，额定转矩为0.6 N·m，极对数为4;带有2 500线的光电码盘，利用磁粉制动器来提供负载。电机q轴电流(转矩电流)最大值限定为1.5 A，即umax=1.5 A。经实验辨识，模型(2)中的参数为:b=1 040,a=-12。首先选择状态反馈控制律的设计参数:ζ=0.68，ω=35，以及观测器极点的阻尼和自然频率分别为ζ0=0.707，ω0=105。位置控制的离散采样周期为T=0.002 s。本研究采用具有浮点运算功能的TMS320F28335DSP作为电机控制的主芯片，以及基于SVPWM(Space Vector PWM)的磁场定向控制方式。电流环采用抗饱和PI控制律(采样频率为20 kHz)已实现了闭环控制。伺服系统的整体结构如图1所示。
本研究利用Code Composer Studio软件系统进行控制实验。首先在空载条件下(但系统中有其他扰动因素)对3种角位移(π/2，π和2π)进行控制实验，实验结果如图2所示，图2中分别给出了电机位置(归一化处理)、控制电流(转矩电流给定)和扰动估值的波形，可以看出系统对给定目标能快速平稳且准确地跟踪，调节时间(5%误差带)分别是0.080 s、0.092 s和0.112 s，且超调量不大于2%。角位移为2π在3种负载转矩条件下的实验结果比较如图3所示:虽然负载扰动的增大使得系统的响应性能有所趋缓，但总体控制效果仍有很好的一致性，负载扰动的影响受到了有效的抑制。为考察系统参数发生变化后的控制性能，让控制律中参数b分别取值780和1 300(其他参数值不变)，在角位移为π和20%额定负载的条件下进行实验，并与标称情况(b=1 040)比较，实验结果如图4所示，系统瞬态性能虽略有恶化，例如b=1 300时超调量接近3%，但控制性能仍在可接受范围内。该控制方案在参数摄动±25%时还能保持较理想的伺服定位性能，这种鲁棒性有利于实际应用。
4 结束语
本研究提出一种基于状态反馈和前馈补偿相结合的伺服控制方案，采用扩展状态观测器技术，从电机的位置测量信号中估计出转速和未知负载扰动信号，以实现反馈控制和扰动补偿。笔者采用TMS320F28335D SP在实际的永磁同步电机上进行了实验测试。结果表明，本研究所提出的控制方案可在各种负载条件下实现平稳和准确的电机位置伺服控制，且对模型参数摄动也具有一定的鲁棒性。控制器采用参数化设计，可以方便地应用于相关领域的伺服控制系统。
参考文献
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三菱电机汽车智能制造系统 篇10
2013年4月德国政府提出“工业4.0”战略。工业4.0有一个关键点, 就是“原材料 (物质) ”=“信息”。具体来讲, 通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统 (CPS, CyberPhysical System) 相结合的手段, 将制造业向智能化转型。
“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的革命性的生产方法。
日本“智能制造系统 (IMS) 国际”, 是基于人机一体化系统, 高度柔性与集成的生产方式。可以看出“智能制造”是各国战略的关键所在。
三菱电机的e-F@ctory是根据日本在1989年提出的智能制造系统概念, 在工业生产中实现“从资源驱动→信息驱动”的生产、管理、物流等完整系统。
以下从智能生产、智能管理和智能物流三个方面来论述三菱电机的汽车智能制造系统——e-F@ctory。
智能生产
1.先进控制和优化
三菱电机最新的i Q-R系列的CPU性能比之前的产品有了大幅度的提升 (见图1) 。首先, i Q-R系列采用了新开发的高速系统总线, 从而可以大幅缩短生产节拍时间 (见图2) , 其次, i Q-R系列编程采用全新的GX Works3软件, 结合与众多合作伙伴一同开发的程序库MELSOFTLibrary, 可以高效地进行程序开发。
另外, 三菱电机的CC-Link IE Field是基于工业以太网技术的全方位现场网络, 其通信速率高达1Gbps, 可进行PLC与PLC间通信、高速I/O控制、安全控制和运动控制, 可实现星型、线型和环形的灵活配线, 得益于这样的灵活性, 可以很方便地进行设备的扩展。
2.智能诊断和维护
当iQ-R系列PLC发生故障时, 仅需将电脑通过U S B电缆连接到CPU模块, GX Works3软件即可自动开始诊断, 并显示出现错误的模块、错误信息和处理方法, 省去了一系列烦琐的软件操作。
当CC-Link IE Field网络发生故障时, 编程软件可以图形方式直观显示系统网络构成, 快速确定故障位置, 有助于尽早解决网络故障, 缩短停机时间。
传统的传感器只会提供开关状态的信息, 如果传感器出现故障, 用户需要花费大量时间去现场查找问题所在。三菱电机集团旗下Anywire公司的Any Wire ASLINK是能够实现数据链路功能的智能传感器, 可以提供来自生产线底层传感器的诊断信息, 有助于进行预防性维护和故障的排查。使用Any Wire ASLINK前后的对比如图3所示, 为客户带来的优势一目了然。
智能管理
三菱电机e-F@ctory的管理系统有一般用到的车身生产指令系统、喷涂生产指令系统、组装生产指令系统、检验生产指令系统和安灯系统, 还包括:数字化工厂建模、工具工装管理、设备管理、物料管理、人力资源管理、车间计划排程、质量管理、产品追溯、能源管理……
通过e-F@ctory可以对生产的进度、产品的品质、设备的运转状况、能源的消耗进行“可视化”, 实现管理自动化。e-F@ctory采用了三菱独有的MES模块, 比其他采用OPC方式的系统速度更快、成本更低。
(1) 生产制造的可视化。通过M E S接口产品, 可以直接连接生产设备和MES (制造执行系统) , 生产现场采集到的设备、质量、能耗等数据直接发送至数据库中, 实现生产现场信息的“可视化”, 与企业管理的纵向整合 (见图4) 。
(2) 能源消耗的可视化。三菱电机提供一系列的能源可视化产品, 可以对工厂中能源的使用情况进行采集与分析。节能支援产品主要有Eco Web ServerⅢ节能数据收集服务器、Eco Monitor Pro能量测量仪、WDU断路器、ME96SS系列多用电子测量仪、QE-MELSEC-Q系列电力测量模块/绝缘监测模块和Eco Monitor Light能量测量仪等。
通过以上这些产品, 可以搭建能源可视化管理系统 (见图5) 。
(3) 高级综合监控系统。三菱电机的SCADA软件MC Works64支持丰富的FA设备, 同时提供高性能的监控系统。
通过设定, 有效利用用户累积的故障处理经验知识, 在设备发生故障时帮助用户尽快修复设备, 分析设备故障原因和发生次数, 把握趋势并进行预防性维修, 可用Microsoft E x c e l创建任何样式的分析结果报表。
实现工厂、设备、机器单位的电、燃气等能源消耗量和CO2排放量的可视化。通过分析数据, 减少不必要的能源消耗, 降低成本。可将每天、每个月的能源消耗量体现为图表, 并简单地切换显示。可用Microsoft Excel创建任何样式的分析结果报表。
智能物流
作为e-F@ctory的子系统:物料管理、防错系统等, 其系统硬件由三菱电机集团旗下Any Wire公司提供, 包括Poka-yoke防错指示灯产品、Aslink网络等 (见图6和图7) 。
通过以上Poka-yoke防错指示灯产品构建的SPS (Set Parts Supply) 物流配货方式能够帮助总装车间提高生产效率、提高产品品质并满足多车型共线生产的柔性化要求。
大型发电机灭磁系统设计探讨 篇11
【关键词】大型发电机；灭磁原理；误强励灭磁；灭磁时间
前 言
大型发电机的额定励磁的电流大、电压高，某些电力系统根据电厂在电力系统中的地位，有可能会要求发电机有较高的顶值电压倍数，从而使发电机在灭磁时磁场断路器需要在很高的电压、电流下才能进行灭磁分断，这样就给大型发电机的磁场断路器产品的分断能力的试验方法，以及相应的磁场断路器设计的选择方法带来了一些新的问题。对某些容量特别大的发电机，在其误强励时，磁场断路器常常已在接近最大分断能力的情况下进行灭磁分断，且有较长的灭磁时间。因为已没有更高分断能力的磁场断路器可以选择，所以需要探讨降低磁场断路器的灭磁分断电流、电压，以及减少发电机灭磁时间的途径。
1、灭磁原理
当同步发电机发生内部故障时，虽然继电保护装置能够快速把发电机和系统解列，但是磁场电流所产生的感应电势将会继续维持故障电流，时间较长有可能会烧坏导线、绝缘，若对地的故障电流足够大，还会烧坏铁芯。因此在继电保护切断主断路器的同时，还要迅速完全的灭磁。所谓灭磁就是把转子绕组的磁场能量衰灭至零。对灭磁的要求：在转子的绝缘允许的情况下，尽可能快地把转子磁能消去，尽可能的缩短故障点电弧燃烧的时间，缩小烧蚀的面积，避免故障的扩大。
如果要使发电机转子电流迅速进行衰减，转子电流的衰减变化势必和转子两端的反电势相等。灭磁电压的方程式为：Ldi/dt=0。
可见，电感中电流的衰减率正比于其端部的反电势u，反电势u越大，灭磁时间就越短。但是，反电势u不能超过其转子绕组绝缘耐压的允许值Vmc，兼顾两者的理想灭磁方案：保持恒定的Vmc，电流保持一固定的变化率(di／dt)，按照直线规律衰减至零。
2、误强励灭磁与设置误强励保护
当发电机采用目前的保护配置方式时，初步分析表明，在发电机各种灭磁工况中，误强励灭磁是对直流磁场断路器的分断能力要求最高的灭磁工况。其之所以对直流磁场断路器的性能要求最高，同目前发电机保护的设置方式未能够对励磁系统的误强励进行有效地保护有关。在励磁系统进行误强励时，目前只能靠发电机定子的过电压保护，以及励磁变的电流保护动作跳闸进行灭磁，这些均不是针对励磁系统的误强励而设置的保护。对与励磁系统误强励，这两种保护的启动整定值过高，并且均带有时延动作，在保护启动时，转子电流已经较大，转子已经有较深度的饱和，其时间常数较小，在保护启动后至动作跳闸进行灭磁的延时期间，转子电流会有很大的增幅，使得误强励灭磁开始时的转子电流，以及发电机的端电压均高于发电机的其他灭磁工况，从而成为对直流磁场断路器的分断能力有最高要求的灭磁工况。文献[1]作为进一步研究的方案，建议考虑对发电机的继电保护方案做相应的改进。在不改变发电机目前现有的保护配置的基础上，增设发电机误强励保护，在励磁系统發生失控误强励时，可以对发电机及时进行跳闸灭磁，从而降低误强励灭磁对直流磁场断路器的分断能力的要求。
对某电厂的发电机进行计算表明，在设置误强励保护后，在空载误强励灭磁时，磁场断路器的分断能力由3000V下分断6923A降低到3000V下分断2294A，灭磁时间由3.19s降低到1.68s，显著的降低了发电机灭磁对直流磁场断路器的分断能力的要求，并且灭磁时间较短。此时将相应的误强励保护整定为：保护的定子电压的启动值按照大于机组在甩负荷时定子电压的超调量整定，而相关规程规定该超调量不得大于其额定值的15％，取1.2倍的发电机的额定电压，在检查转子电压是大于发电机在正常运行时的转子最大电压时，保护无延时动作进行灭磁；在转子电流按照1.3倍的额定转子电流进行整定，在检查机端电压为大于1.1倍的额定电压时，保护无延时动作进行跳闸灭磁。有关误强励保护的动作条件，需要考虑发电机空载与负载误强励的情况，根据具体发电机的特性进行整定，对其可作进一步的研究。
3、对灭磁时间的要求
发电机或者发—变组的变压器在事故灭磁时，从避免或者减少设备的损坏与缩小事故的影响等方面进行考虑，要求发电机需要有尽可能短的灭磁时间。下面从灭磁时间和磁场断路器的额定分断能力的关系以及变压器、发电机对灭磁时间的要求，对发电机可能取得的最小的灭磁时间以及电厂设备对灭磁时间的要求进行分。
对采用非线性或者线性电阻灭磁的发电机，只能够用增大灭磁电阻的方法减少灭磁时间，也就是提高在灭磁时的灭磁电阻上)电压，即转子两端的电压。在灭磁时，灭磁电阻上电压的最高允许值，受限于转子绝缘所允许的最高电压或者磁场断路器的额定分断能力。对于前者，我国的规程规定为不超过在出厂试验时转子对地交流耐压幅值的70％。一般情况下，尤其是对大型机组，在灭磁时灭磁电阻上电压的最高允许值通常是决定于是后者的。所以，当设计所考虑的发电机最严重灭磁工况确定之后，对型式已选定的灭磁电阻，发电机有可能取得的最小灭磁时间，将会取决于磁场断路器的额定分断能力，也就是取决于磁场断路器在分断最严重灭磁工况时所对应的最大转子电流时所允许的最高的分断电压。
结束语
对于容量特别大的发电机的磁场断路器，通常不能按照ANSI／IEEE C37.18标准进行分断能力的试验，而只能按照GB或者IEC标准进行。如何选择发电机的磁场断路器，需要作进一步的试验研究，包括对型式试验得到的分断燃弧特性，弧压在发电机灭磁时的重现性的研究，对实际发电机的灭磁燃弧过程的特性参数的研究，从而确保所选择的磁场断路器能够满足发电机灭磁分断的要求。本文对大型发电机的灭磁原理，以及设计中的误强励灭磁与设置误强励保护、对灭磁时间的要求等进行了讨论，供相关人员参考。
参考文献
[1]梁建行.发电机灭磁系统的分析与计算[M].北京:中国电力出版社,2009.
个人简介
宋亚秋，女，中级工程师，生于1982年，毕业于佳木斯大学，现就职于佳木斯电机股份有限公司产品开发部，负责电机设计.
矿山电机系统节能改造方案 篇12
据分析，目前电动机系统在技术方面的欠缺成为制约节能发展的“短板”。招金矿业股份有限公司电力消耗占公司总能源消耗的95%以上，能源费用占总成本的30%以上，电力消耗费用直接影响企业的经济效益。改造前主要存在以下问题。一是工艺技术和装备落后，主要耗能设备能源效率低。目前应用的大部分中小电动机平均效率87%，风机、水泵平均设计效率75%，均比国际先进水平低5个百分点，系统运行效率低近20个百分点。大量应淘汰的高耗能设备和变压器还在应用;二是能源管理水平低，与节能密切相关的统计、计量、考核制度不完善，信息化水平低，损失浪费严重;三是节能技术开发和推广应用不够;四是节能潜力大。
为降低电力消耗，使电能利用水平领先国内同行，招金矿业股份有限公司与节能专业机构联合对公司电机系统现状进行了全面节能诊断，提出了电机系统节能改造具体方案。
二、电机系统节能改造方案
1.提升系统自动控制
针对3m以内单绳缠绕式提升机低压交流拖动而言，目前公司实施的改造方案有以下三种：一是卷扬机进行变频操控系统改造，变频与工频一用一备的控制方案，实现半自动化;二是卷扬机操控系统进行直流改造，实现全自动提升;三是卷扬机操控系统进行自动化交流变频驱动改造，实现全自动提升。
方案一最大优点是原理简单，一次性投资少，两套电控系统相互在线备用，最大限度地提高卷扬机的可靠性，节能效果达20%左右;方案二最大优点是实现了自动提升，调速比较容易，节能效果显著。但是原来交流拖动改为直流拖动，需要重新打电机基础、更换直流电机及调试时间比较长，设备投资是方案一的三倍以上;方案三最大优点是停产改造时间短，将新的控制系统全部安装就位后，停电更换电机控制线路、电缆及调试时间只需2天，节电效果达25%～35%。同样规格型号的提升机改造一次性投资相对方案二，价格要高8%～10%，但是停产改造时间短，同时控制系统比较紧凑，控制柜占用空间小，能充分利用原控制系统的设备，不需要更换电机，无须重新打电机基础。
电控装置以全数字控制为核心。其中主控PLC与监控PLC采用西门子系列可编程控制器，具有多级安全保护设定，而且由计算机操作控制，提高了各项数据的准确性，停车位置误差仅为20mm，减少了人员误操作的可能性，保证系统安全可靠运行。
该系统增减速度平滑，运行速度平稳，减速过程由程序控制实现，中间不需要制动系统参与。在降低电耗的同时减轻了操作人员的工作强度。该系统设备运行的安全保护指标达到自动监测，有效减少电器部件故障、设备的维修频率和维修费用。该系统还具有设备运行情况和生产过程的作业量自动统计功能，数据准确、齐全，便于查询考核。同时预留有计算机接口，可实现与计算机联网运行和远距离操作、监控。提升机改造前后的电流对比见图1。
2.通风系统自动控制
将原单机通风改为多级站通风，根据多级机站通风系统的实际情况，采用以工控计算机、Ethernet通信控制器、远程I/O模块和Profibus-DP、RS-485通信网络为核心的远程集中监控技术，对风机进行远程集中监控，并对进风量、空气温度以及空气中O2、CO、CO2含量进行监测。监控软件以基于Windows XP操作系统的工控组态软件为平台设计开发，图形界面可准确描述工业控制现场的运行情况，使机站风机工作状态和各种监测数据以动画、图形或文字方式动态显示。计算机集中控制风量和负压，使得风量按需分配，提高有效风量率，减少电耗。
3.排水系统自动控制
新建井下排水系统，增大水仓容积，排水实现自动化。主要采用在集水仓设液位计、排水管道安装电动阀、负压罐安装电磁阀和液位计等措施，通过PLC的软件控制。由于PLC的应用，能极大提高生产效率，降低劳动强度。每个设备点的数据和状态能及时将检测数据准确传递给微机进行处理。各个中段之间采用Profibus通信方式，便于集中管理。系统设有标准通用接口，为系统扩展提供了有力保障。电动机采用软启动器及微机控制相结合来实现运行控制。同时采用高效、高扬程水泵，变配电所采用微机监控，降低泵启动对电网的影响，保证网络安全，有效避开高峰用电，节约电能消耗和电费支出。
4. 选矿工艺过程自动控制
系统控制的目的是提高磨矿分级机组的磨矿效率，即在稳定分级溢流粒度满足选别工艺、保证精矿品位的前提下，提高系统磨矿的台时处理能力;在稳定系统台时处理能力的前提下，提高分级溢流粒度合格率即金属回收率;对台时处理量和粒度合格率两个指标进行适度的提高。
5. 氰化工艺过程自动控制
采用先进的自动化控制技术可以合理地控制工艺各环节之间的协调，准确控制矿浆的液位、浓度、流量和加药的数量等参数，使氰化指标得到合理有效的控制，从而达到提高氰化回收率的目的。同时采用自动化技术可大大减轻工人的劳动强度，降低设备的故障率和氰化成本。
6. 更换低效电力变压器
采用SBH11-M型非晶合金变压器或s11高效节能变压器更换目前运行中的100kV·A以上s7变压器。空载损耗比在用低效变压器降低60%左右，变压器损耗可降低5%～10%。
7. 使用电网系统降损节电器
使用电网系统降损节电器，改善电网电能质量，节电效果明显，节电率在10%～18%。采用的亚太电效系统和英福特节电王节电效果明显。图2为电网系统降损节电器安装前后的谐波测试结果比较图。图2b为安装节电器后的电网谐波状况。
8. 采用新型节能电机
采用新型节能电机，节电率可达30%以上。目前公司使用的电机大多是Y系列普通三相异步电动机。风机、水泵、空压机、破碎机等变负荷的电机效率低下，启动电流大，电机常易烧毁。安装变频器进行调速时，电机发热，寿命缩短，电网产生大量谐波，会造成电容器和用电设备及变频器烧毁。在这种情况下应用开关磁阻电机调速系统，同样功率的电机，安装尺寸完全相同，投资略高，但是可实现最大的节能，同时不会对电网产生冲击，不会造成用电设备及电容器的损坏，不必进行谐波治理。优点：一是系统效率高。整体效率比传统调速高至少10%，在低转速及非额定负载下高效率则更加明显;二是调速范围宽，低速下可长期运转。开关磁阻电机调速系统在0～3 000r/min的转速范围内均可带负荷长期运转，电机及控制器的温升均低于工作在额定负载时的温升;三是高启动转矩。低启动电流开关磁阻电动机调速系统启动转矩达到额定转矩的150%时，启动电流仅为额定电流的30%;四是可频繁启停，及正反转切换。开关磁阻电机可频繁启动和停止，频繁正反转切换，在有制动单元及制动功率满足时间要求的情况下，启停及正反转切换可达1 000次/h以上;五是可靠性高，开关磁阻电机缺相仍可工作，不烧控制器和电机;六是开关磁阻电动机过载能力强，当负载短时远大于额定负载时，转速会下降，保持最大输出功率，不会出现过流现象，当负载恢复正常时，转速恢复到设定转速。开关磁阻电机控制系统图见图3。
9. 实现电网输配电经济运行
实时监控电网运行参数，安装电网经济运行软件，调控运行方式，最大限度地降低变压器与电力线路的有功和无功损耗，节电率达10%以上。监控集中器计算机通过现场局域网负责与所有的智能电力仪表通信;实时采集仪表数据、处理供电信息;集中显示每块仪表的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等所有电力参数;集中处理和记录有功电度、无功电度等供电信息;监控集中器计算机负责将抄表数据等信息上报给总部的管
理系统计算机。
三、项目实施效果
项目实施前采矿、选矿耗电量分别为20.25 kW·h/t和23.2 k W·h/t;项目实施后采矿、选矿耗电量分别为16.5 kW·h/t和20.9kW·h/t。由此可知，项目实施后，单位矿石处理能耗大大降低。