變頻調速典型控制系統（六）

馬小亮

（天津電氣傳動設計研究所，天津300180）

第6講 位置控制系統

位置控制系統的控制目標是位置，電動機的轉速和轉矩則是實現該目標的從屬變量。常用的位置控制系統有2類：單電動機位置控制及多電動機角同步控制。

6.1 單電動機位置控制系統［1－2］

單電動機位置控制系統又稱伺服系統或隨動系統，例如：各種定位、火炮自動瞄準、雷達天線跟蹤等系統，它要求被控電動機的轉角θ跟隨其給定θ＊s變化，對調速系統的基本要求是快速響應和精確跟隨。

單電動機位置控制系統的結構有3種：位置單環系統；位置、轉速雙環系統；位置、轉速、轉矩三環系統。三環結構應用最廣泛，它在雙環（轉速外環＋轉矩內環）基礎調速系統之外，再加一個位置外環，示于圖1。

圖1 三環位置控制系統

三環系統的主要優點如下［2］：

1）當轉速環與轉矩環內部某些環節的參數發生變化或受到擾動時，轉矩（電流）反饋與轉速反饋能對它們起到很好的抑制作用，位置環的動態誤差較小；

2）有電動機轉速和轉矩（電流）限制；

3）每個環都按照典型系統，依規范由內至外依次進行設計［2－3］，比較簡單，且易于調整。

三環系統中位置環的動態結構框圖示于圖2。

圖2 位置環的動態結構框圖

按相對值計算和整定θ和n（n＝ω），位置環控制對象的傳遞函數為

它是一個積分環節，式中pTN＝p／fN是θ和n采用相對值，而時間t不是相對值引入的變換系數，pTN是電動機軸轉一圈所需時間（p為電動機極對數）。在繪制位置環動態結構框圖時，整個轉速環（基礎調速系統）用一個小慣性環節來代替，其時間常數為σp，它是轉速環等效時間常數Teq.n、位置信號采樣等效時間常數及位置環所有濾波時間常數之和。通常位置調節器APR選用P調節（位置超調較小），比例系數為VR.p，則位置環開環傳遞函數為

它是標準的典型Ⅰ型方程，根據調節器工程設計方法（見文獻［1－2］），

位置調節器APR也可以采用PI調節，這時轉速調節器ASR最好用P調節。

上述三環系統存在2個問題：

1）響應較慢，因為在每次設計外環時，都把內環等效為一個小慣性，這種等效之所以能夠成立，是以外環的截止頻率遠低于內環為條件的，這樣最外面的位置環的截止頻率就被限制得很低，從而限制了系統的快速性；

2）APR選用P調節后，開環傳遞函數為典型Ⅰ型方程，系統的穩態跟蹤誤差＝0，但線性跟蹤誤差≠0。

在上述三環位置控制系統中加入轉速和轉矩預控可以解決這些問題，也繪于圖1中。轉角給定信號θ＊s經帶圓角的斜坡給定環節RFG（見第3講3.4節），輸出3個信號：y為APR的位置輸入信號，y＝θ＊；yA＝dθ＊／dt；yB＝d2θ＊／dt2。轉速預控量Δn＊和轉矩預控量ΔT＊為

調整系統時，空載線性增大和減小θ＊，按APR輸出n＊≈0（變化最小）來設置轉速預控系數αn，按ASR輸出T＊≈0（變化最小）來設置轉矩預控系數αT。加入預控后，在動態調節過程中APR和ASR的輸出都只在很小范圍內變化，故加快了調節過程。由于在θ＊線性變化時，n＊≈0，除以VR.p后，APR的角度偏差輸入信號也為0，所以線性跟蹤誤差≈0。受最高轉速限制，轉角θ不可能變化太快，故引入斜坡給定環節RFG不會影響轉角跟蹤速度。

位置控制所需的轉速和位置傳感器大多采用編碼器（光電或磁性）或旋轉變壓器（Resolver），經變換后它們都能產生轉速和位置2個信號。

有的定位系統在加減速及穩速運行時采用轉速控制，只是在停車前定位時才投入位置環，變為位置控制，設計時應注意2種系統切換過程的平滑過渡。

位置控制還可用于寬調速系統，極低轉速時在原有雙環轉速控制系統外加入位置環，轉速給定經積分變成轉角給定，位置環使實際轉角跟隨其給定緩慢轉動。注意防止位置計數器滿位清零帶來錯誤轉角差信號。

6.2 多電動機角同步控制系統

某些多電動機傳動設備，各電動機之間無機械聯系，但要求運行中它們的轉角保持同步，稱這類調速系統為多電動機角同步系統。例如無機械聯軸的雙吊點提升傳動，2個吊點各由1臺電動機拖動，它們之間無機械軸，為保證被起吊的重物平衡，要求兩電動機在起吊過程中轉角相同。有3種同步模式：轉角相同；轉角差固定角度；兩轉角之比為固定值。

多電動機角同步控制系統采用主從控制結構，框圖示于圖3。主系統為雙環轉速控制系統（基礎調速系統）。從系統在雙環調速系統（基礎調速系統）基礎上，增加1個位置調節器APR，它的輸入為兩電動機轉角差信號（Δθ＝θ1－θ2），輸出是從系統轉速微調信號Δn＊2，從系統的主轉速輸入與主系統相同，都是n＊。在θ1≠θ2時，APR輸出的轉速微調信號Δn＊2≠0，通過改變從電動機轉速來減小轉角差，直至θ1＝θ2。和上節介紹的三環位置控制系統一樣，APR調節器也采用P調節，設計方法也相同。

圖3 多電動機角同步控制系統框圖

為實現θ1和θ2差為固定值的工作模式，需在計算APR的轉角差輸入信號Δθ時加入偏置值θb，

為實現兩電動機轉角之比θ1／θ2為固定值的模式，需要修改從系統的轉速和轉角反饋系數，使之與主系統不同。

［1］陳伯時，仲明振，中國電氣工程大典編委會.中國電氣工程大典：第15卷.電氣傳動自動化［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］馬小亮.高性能變頻調速及其典型控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［3］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.第3版.北京：機械工業出版社，2003.