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离心机高精度转速控制系统的研制

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ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2001年第41卷第3期2001,V o l .41,N o .314 3351254,80离心机高精度转速控制系统的研制卫三民1,　秦荃华1,　孟晓风2,　李发海1(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084;2.北京航空航天大学自动控制系,北京100083)收稿日期:2000201216作者简介:卫三民(19732),男(汉),山西,博士生。

摘　要:　为提高航空航天领域惯性装置标定方面的技术,针对高精度离心机控制系统中转速控制的要求,分析了直流调速系统中影响转速波动率和转速稳态精度的因素,并给出了相应的控制策略。

在减小转速波动率方面重点分析了脉冲宽度调制(P WM )占空比对转速波动的影响,指出如果根据转速给定实时控制整流输出电压,在低速时可减小转速波动率约80%。

在转速稳态精度方面,提出了T 法和连续变周期M T 法相结合的方法,不但解决了实际控制系统中高精度光栅的漏脉冲现象,而且使得实际控制系统具有高精度的稳态转速。

在此基础上进行了实际控制系统硬件和软件的设计,试验结果满足了加速度计性能测试中对离心机转速波动率和转速稳态精度的要求。

实际系统已通过国家标准计量局的鉴定与验收,一年来的运行实验表明了理论分析的正确性和可行性。

关键词:　永磁直流电机;全数字;P WM ;精密离心机;转速控制;高精度中图分类号:　TM 301.2文献标识码:　A文章编号:　100020054(2001)0320051204Prec ise cen tr ifuge con trol systemW EI S a nm in 1,Q I N Q ua nhua 1,M ENG Xia ofeng 2,L I Fa ha i 1(1.D epartm ent of E lectrical Engineering,T singhua U niversity,Beijing 100084,China;2.D epartm ent of A utom atic Contro l,Beijing U niversity of A eronautic and A stronautic,Beijing 100083,Ch ina )Abstract :　P recise centrifuge contro l system is needed to i m p rove the calibrati on of devices used in the aeronautics and astronautics .Several facto rs are analyzed w hich affect the p recisi on and fluctuati on of the ro tati onal speed of the perm anent m agnet DC servo 2mo to r .T he speed fluctuati ons can be reduced if the PWM (pulse w idth modulati on )can be contro lled to about 0.85at all speeds by adjusting the vo ltage app lied to the mo to r,especially at low speeds .T he T and M T m ethods should be used together to get h igh p recise speed m easurem ents .T he com binati on of these two m ethods can also p revent the raster from m issing one o r mo re pulses .T he contro l system had been app raised by the N ati onalStandard Bureau and has been in use fo r mo re than one year w ith good perfo rm ance .Key words :　per m anent m agnet DC mo to rs;full 2digital;pulsew idth modulati on (PWM );p recise centrifuge;thecontro l of ro tati on speed;high p recisi on 在现代化武器装备的进程中,各种战略和战术导弹、大型运载火箭、军用飞机、舰艇等均装备或正在装备惯性装置。

由于我国惯性技术起步较晚,和国外的先进武器装备相比较,还有不小的差距。

这些惯性装置在重力场内进行小于或等于1g (1g =9.81m s 2,重力加速度)的试验是必要的,但不充分,有必要在大于1g 的加速度场中进行试验和标定。

精密离心机是校准1g 以上大量程加速度计性能测试的主要设备,其性能的好坏直接影响导航、制导精度及武器系统的作战效能。

当前,我国现有离心机的转速稳态精度为10-5左右,满足不了加速度计性能测试发展的需要。

而且其控制系统多采用模拟控制方法,不但调试困难,而且在运行中需要调整系统的工作点,运行维护量比较大。

据资料表明,国外同类产品不但实现了全数字化,而且其精度已经超过10-6。

这些产品技术在国外属于保密范围,难以进行技术引进,所以必须进行高精度离心机控制系统的研制。

1　离心机转速控制系统基本原理根据力学原理可知,离心机在工作半径D 2(m )处产生的加速度为Α=D Ξ2 2,其中Ξ为离心机转台的角速度。

精密离心机对加速度计进行校准时,必须给加速度计提供安装定位,以保证加速度计的输入轴和离心机加速度矢量方向一致。

同时还必须对Ξ进行准确调节和精确测量。

Ξ=2Πn 60(rad s ),其中n 为转台转速(r m in ,电动机直接驱动转台),可知对Ξ(或n )控制就是对电动机转速的控制。

2　性能指标分析系统的稳态性能指标要求为:转速波动率∆<10-5;转速稳态精度Ε达到10-6。

2.1　性能指标定义1)转速波动率∆在规定的时间T 内,设转速的最大值、最小值和平均值分别为n m ax ,n m in 和n ave 。

定义转速波动率为∆=0.5(n m ax -n m in ) n ave .实际测量中,在规定测量时间T 内,以一定时间间隔测量转速,设其最大值为n 1m ax ,最小值为n 1m in ,则∆=0.5(n 1m ax -n 1m in )1N 6Ni=1n i ,其中:n i 为单次测量1s 内的平均转速;N 为规定时间T 内进行的单次测量次数。

2)转速稳态精度Ε在规定时间T 内,设给定转速为n g ,则转速稳态精度定义为Ε=n g -1N 6N i=1n i n g .按照离心机控制系统的要求,实际测量时N 取60。

2.2　影响性能指标因素的分析对于10-6高精度的离心机控制系统,影响转速波动率和转速稳态精度的因素很多。

其中外界因素包括:地基的不完全水平,远处的地震,海洋潮水的涨落,地球和月球之间引力的变化等等。

据资料表明,需要进行补偿的外界影响因素共有50项左右,国内正在进行这方面的研究。

另一类影响因素与控制系统采取的控制方法和措施有关。

本文只考虑与控制系统有关的因素。

实际进行控制的系统有良好的运行环境:有温湿度自动调节装置;负载在运行中固定不变等等。

2.2.1　控制系统的结构整个控制系统(如图1所示)以486工控计算机为核心,控制部分包括数字量输入输出板、模拟量测量板、PW M 输出板、转速测量板等,这些板与工控机通过ISA 总线相连。

2.2.2　影响转速波动率的因素影响双闭环全数字PW M 直流调速系统转速波动率的一个重要因素为PW M 的占空比Θ。

计算表明,当调节整流输出电压,使得低速时Θ在0.85左右时,转速波动率可以减小到输出电压不可调节时对应波动率的1 5到1 6。

考虑进入准稳态时,假设:1)电枢电流随时间呈周期变化,周期与PW M 相同;2)电枢电流变化近似为线性。

则电机电压、电流及转速波形如图2所示。

设PWM 脉冲周期为T m s ,电磁时间常数为T 1 m s ,整流输出电压为U V ,电枢电阻为R 8,转动惯量J(N m 2),则文[3]可计算出电流波动量为∃i =Θ(1-Θ)TU T 1R,以角速度定义的转速波动量为∃Ξ=K T ∃iT8J.由K T =C m 5g (C m 5单位为(kg m A )),J =GD24g(G 单位为kg ,D 单位为m ),并由∃Ξ=Π30∃n ,得∃n =30Π×C m 5g 2T 2Θ(1-Θ)U 2GD 2R T 1.(1)由于采取无静差控制方法,则转速波动率为∆=12∃n n g .(2) 由式(1)可知,对于给定转速,ΘU 值一定,其他参数不变,则当通过调节外加电压使Θ增加时,则式中(1-Θ)会减小,从而∃n 也相应减小。

控制系统(图1)中的稳压调节装置采用可控整流桥,可根据当前转速设定整流输出电压,使得PWM 占空比始终在85%左右调节。

同时,为了消除电网电压突变引起的整流输出电压变化,在电网电压进入控制系统前增加了交流稳压装置。

2.2.3　影响转速稳态精度的因素本控制系统采用双闭环调速,转速、电流调节器采用P I D 形式,所以影响转速稳态精度的因素如图3所示,主要包括:转速给定误差和转速反馈误差。

1)转速给定误差对转速稳态精度的影响要求的转速控制范围为(10～150)r m in ,由于光栅每转发出的脉冲为32400个,所以,转速n 与25清华大学学报(自然科学版)2001,41(3)图1　控制系统的总体结构其对应的频率f 关系为f =n ×32400 60(H z )。

则f 变化范围为5.4～81kH z 。

转速给定步长取0.0001H z ,用32b it 二进制数表示(高17b it 表示整数部分,低15b it 表示小数部分),可知给定精度为10-8量级。

图2　电压,电流及转速变化曲线图3　影响转速稳态精度的因素 2)转速反馈对转速控制精度的影响下面依次分析图3中影响转速反馈误差的4个因素:①标准晶振精度　10M H z 高频标准晶振是专门定做的,精度高于10-8。

②有限字长　处理方法与转速给定相同。

③光栅制造误差　所采用光栅的制造误差Εp高于10-6,由于对转速进行连续测量(计数器循环累加计数),所以制造误差不会积累,只在每次测量的最后一个周期对时钟的高频计数产生影响,从而引起的测速误差为Εt =Εp m 1(其中m 1为一个测量周期内被测量频率的脉冲数)。

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基于PLC控制的1250离心机变频调速系统的设计

基于PLC控制的1250离心机变频调速系统的设计

基于PLC控制的1250离心机变频调速系统的设计1.前言1250 离心机是立式刮刀卸料自动过滤离心机，主要用于固相为颗粒状悬浮物料固液相分离，也可用于纤维状物料固液相分离。

矿物、环保、医药、化工等行业中广泛应用。

目前多数离心机仍由继电器控制，采用有级调速，离心机工作转速调节单一、设备故障率较高，生产效率低下。

为克服这些问题，我们对制药厂1250 离心机电控系统进行技术改造，采用PLC 控制和变频器调速，该系统自动化程度高、稳定性好，运行可靠，现已成功应用于多家制药厂。

2.系统原理离心机工作原理是将待分离物料经进料管送入高速旋转离心机转鼓内，离心机力场作用下，物料滤布（滤网）实现过滤，液相经出液管排出，固相则截留转鼓内，待转鼓内滤饼达到机器规定装料量，停止装料，对滤饼进行洗涤，同时将洗涤液滤出，达到分离要求后，离心机低速运转，刮刀装置动作，将滤饼刮下，完成一次工作循环。

图1 为1250 离心机结构图。

离心机离心工艺过程：1）进料：当变频器速度达到20Hz 时，首先打开进料阀、料层检测阀，当检测到料层满时，关闭进料阀并延时10S，料层满信号消失再次打开进料阀连续执行上述动作2 次。

2）离心：当第三次料满信号产生时，关闭进料阀变频器升速至50Hz 进行高速分离，离心时间可由触摸屏设置，时间到后变频器降速至40Hz。

3）清洗甩干：打开清洗阀进行清洗，清洗时间、暂停时间和清洗次数所分离药物品种由触摸屏设置。

清洗工艺完成后进入甩干过程，变频器升至50Hz，甩干时间由触摸屏设置。

时间到后进入卸料状态。

4）卸料：甩干后料层过厚，刮刀采用分段定时旋转卸料，即刮刀旋转（时间可设置）→停2 秒→刮刀下降（下降高度可设置），重复上述动作，直至最后一次刮刀下降至下限感器动作，然后上升到顶部至上限位停止动作。

卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统的设计与实现

卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统的设计与实现

卧式螺旋卸料离心脱水机控制系统的设计与实现摘要卧式螺旋卸料离心脱水机（简称卧螺离心机）是实现固液分离的关键设备。

卧螺离心机工作时，转鼓转速及其与螺旋输送器之间的差速，决定着物料的分离效果和分离效率等。

是离心机的重要控制参数。

离心机的高效分离性能必须通过完善的自控系统才能得以实现。

随着离心机设备的要求越来越高，设备不断更新，可靠性、易操作性、可监视性和易维护性已是最基本的要求了。

由继电器组成的控制电路具有可靠性差、不易维护、不易监示等缺点，己不能适应当前的要求。

随着电子技术、软件技术和控制技术飞速发展，可编程控制器（ＰＬＣｌ控制已成为国内外的主流控制方式。

本课题主要是根据卧式螺旋卸料离心脱水机的特点，设计研制满足卧式螺旋卸料离心脱水机使用要求的、高性能的控制系统。

本课题深入分析了离心脱水机的工作原理及其关键技术，选用电磁调速电机驱动污泥泵，选用变频器调速方式驱动卧式螺旋卸料离心脱水机的转鼓和螺旋输送器，实现了对污泥泵、转鼓和螺旋输送器的无级调速。

并对转鼓支承轴承实行温度自动控制，保证了设备的长期可靠运行。

我们根据设备的特点与要求，完成了ＰＬＣ电控系统的操作方便性设计和可靠性设计，结合软件编程实现系统的功能。

在制作控制箱及现场调试的过程中，进行了抗干扰分析，并从硬件和软件等方面采取措施，提高了控制系统的抗干扰能力。

在本课题的设计与研究中，以实用为原则，注意设计方案的可行性、可靠性及稳定性等。

本课题虽然是选择的某一特定型号的卧螺离心机，但其设计思路和方法可为其他型号的卧螺离心机控制系统的设计提供参考。

关键词：卧螺离心机，控制系统，变频器，可编程控制器，抗干扰插图清单图２一ｌ图２－２图３—１污水处理过程…………………………………………………………８卧螺离心机结构图…………………………………………………………．．９离心机系统总体结构……………………………………………．．１４变频器结构图…………………………………………………………………．．１５变频器的功用……………………………………………………………………．１６电动势原理图…………………………………………………………………．１６图３—２图３—３图３－４图３－５图３－６图３—７表３－Ｉ变频器并联操作两个及两个以上电动机………一１９变频器顺次起动多台电动机……………………………………．１９ＰＬＣ机硬件构成…………………………………………………２０ＰＬＣ端子分配表………………………………………………………２１ＰＬＣ外部硬件配置图……………………………………………．２４图３—８控制系统硬件配置图……………………………………………２３图３－９图３—１０污泥泵调速电机接线图…………………………………………２５图３－１１共直流母线交流变频调速系统的结构…………………………～２６图３－１２卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的面板………………………．．２７图３—１３卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的外型………………………．．２８图３—１４卧式螺旋卸料离心脱水机控制箱的内部结构…………………．．２９图４—１图４—２图４—３图４－４图５—１图５—２图５—３图５－４卧式螺旋卸料离心脱水机的工作过程…………………………．３２转鼓和螺旋输送器的升速流程图………………………………．３２离心机／污泥泵控制电压的计算程序流程图……………………３５ＰＬＣ、变频器及若干外围设备的综合接线图……………………．３６采用继电器进行隔离……………………………………………４２ＤＩ输入模块光电隔离……………………………………………４３ＤＯ输出模块光电隔离………………………………………………４３变频器抗干扰外部接线…………………………………………４７可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检致谢值此论文完成之际，谨向我的导师陈远龙表示最真诚的感谢和敬意！在研究生阶段近三年的学习和生活期间，陈老师都给予了我无微不至的关怀和毫无保留的教导。

离心机转速调节方法

离心机转速调节方法

离心机转速调节方法离心机是一种重要的工业设备，广泛应用于化工、制药、食品等领域。

而离心机的转速调节是保证其正常运转和工艺需求的关键。

本文将介绍几种常用的离心机转速调节方法，以及它们的优缺点和适用场景。

一、电子调速方法电子调速是目前最常用的离心机转速调节方法之一。

它通过控制电机的供电电压或频率来实现转速的调节。

常见的电子调速设备有变频器和电机软启动器。

1. 变频器调速：变频器是一种能够将输入电源频率和电压调整为可控输出频率和电压的设备。

通过调节变频器的输出频率，可以控制驱动离心机的电机转速。

变频器具有调速范围广、调速精度高、操作简便等优点，适用于大多数离心机。

2. 电机软启动器调速：电机软启动器是一种能够通过逐渐增加电机电压来实现启动和转速调节的设备。

它通常使用在启动负载较大的离心机上，能够有效地减小启动时的电流冲击，延长设备寿命。

电子调速方法的优点是调速范围广，调速精度高，可以实现平稳起停和工艺要求，同时还能提高设备的能效。

然而，它的设备和维护成本较高，对电力和电气设备的要求也较高。

二、机械调速方法机械调速是一种传统的离心机转速调节方法。

它通过改变驱动和离心机之间的传动比来实现转速的调节。

常见的机械调速装置有皮带传动、齿轮传动和变速箱传动。

1. 皮带传动调速：皮带传动是一种简单可靠的传动方式，通过更换不同直径的皮带轮，可以改变传动比从而实现转速的调节。

皮带传动调速应用广泛，适用于转速变化不大的离心机。

2. 齿轮传动调速：齿轮传动是一种精度较高的传动方式，通过更换不同齿数的齿轮组合，可以实现转速的精确调节。

齿轮传动调速适用于对转速要求较高的离心机。

3. 变速箱传动调速：变速箱是一种特殊的机械传动装置，通过切换不同齿轮组合来改变传动比，从而实现转速的调节。

变速箱传动调速适用于对转速范围要求较大的离心机。

机械调速方法的优点是结构简单、成本较低、可靠性高。

然而，机械调速装置存在传动效率低、噪音大等问题，且调速范围相对较小。

基于西门子PLC的变频调速离心机控制系统的设计

基于西门子PLC的变频调速离心机控制系统的设计

基于西门子PLC的变频调速离心机控制系统的设计摘要：变频调速及控制技术应用于实际中，如在中小型冷库恒温与节能自动化控制系统中，由于系统控制过程较复杂，压缩机功率较大，需要启动，并要求控制系统恒温可调可控，节能可靠，因此采用与变频调速控制系统是最佳选择可以大幅度节约电能，提高系统恒温控制的自动化程度，并使系统运行可靠稳定，结构简单，维修、维护、调整方便，经济实用易配置等优势，取代了传统的继电器控制系统。

本文针对离心机自动化程度低、分离效率低、操作困难、运行不稳定等问题，介绍了基于西门子可编程逻辑控制器（PLC）的变频调速离心机控制系统的设计。

该系统利用西门子S7-200PLC对变频器的控制，在线调整离心机主、副电机的转速，从而控制离心机电机的调速；利用扭矩信号,实现了在不同物料浓度条件下离心机的恒差速恒扭矩控制，有效改善了离心机的分离效率及稳定性，达到自动化生产要求，降低操作难度。

关键词：PLC；变频器；离心机可编程控制器是集汁算机技术与自动化控制技术于一体的一种新型工业控制系统，它采用易于理解和掌握的梯形图语言及简单指令，形象直观，结构简单、可靠性高、抗干扰能力强、故障率低、易于操作和维修、且根据不同工艺要求修改程序及参数简单等优势，被广泛应用于生产、科研、社会生活等诸多领域。

1离心机的基本工作原理离心脱水机全称卧式螺旋卸料沉降离心机，简称离心机。

将高速旋转产生的离心加速度转化为重力加速度，使固体颗粒的沉降时间较在重力场作用下缩短至数千分之一，快速沉积的固体颗粒通过螺旋输送器排出转鼓，从而实现不间断连续运行。

通过控制差速器输入轴的速度（背驱动装置包括恒扭矩变频电机、耦合器、液压马达等），可对螺旋输送器与转鼓间的速度差（即差转速）进行调整，控制排渣速度和分离性能。

2变频器电机调速的基本工作原理变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。