【正文】 ，都可以轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)的依據(jù)。 各種生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出了不同的轉(zhuǎn)速控制要求，歸納起來有以下三個(gè)方面[1][3]： （1）調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔（有級(jí)）地或者平滑（無級(jí)）地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 （2）穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定地運(yùn)行，不因各種可能的外來干擾（如負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等）而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。 （3）加、減速控制。對(duì)頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求盡快地加、減速，縮短起、制動(dòng)時(shí)間，以提高生產(chǎn)率；對(duì)不宜經(jīng)受劇烈速度變化的生產(chǎn)機(jī)械，則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。 以上三個(gè)方面有時(shí)都須具備，有時(shí)只要求其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)，其中有些方面之間可能還是相互矛盾的。為了定量地分析問題，一般規(guī)定幾種性能指標(biāo)，以便衡量一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能。 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，又稱靜態(tài)指標(biāo)。例如，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)調(diào)速范圍和靜差率，位置隨動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差等等。下面我們具體分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)[1][3][5]。 （1）調(diào)速范圍D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即 其中nmax和nmin一般指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視nmax為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nnom。 （2）靜差率S 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δnnom與理想空載轉(zhuǎn)速n0稱為靜差率S，即 顯然，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是孤立的，必須同時(shí)提高才有意義。 動(dòng)態(tài)指標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在過渡過程中的性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類[1][3]。 （1）跟隨性能指標(biāo) 在給定信號(hào)（或稱參考輸入信號(hào)）R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C（t）的變化情況用跟隨性能指標(biāo)來描述。對(duì)于不同變化方式的給定信號(hào)，其輸出響應(yīng)不一樣。通常，跟隨性能指標(biāo)是在初始條件為零的情況下，以系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的輸出響應(yīng)（稱為單位階躍響應(yīng)）為依據(jù)提出的，如圖21所示。具體的跟隨性指標(biāo)有下述幾項(xiàng)： 圖 21 隨性能指標(biāo)的單位階躍響應(yīng)曲線 單位階躍響應(yīng)曲線從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。 動(dòng)態(tài)過程中，輸出量超過輸出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量，即 超調(diào)量用來說明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，說明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是系統(tǒng)從給定信號(hào)階躍變化起，到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時(shí)間，對(duì)于線性控制系統(tǒng)，理論上要到才真正穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，一般將單位階躍響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值的誤差進(jìn)入并且不再超出允許誤差帶（通常取穩(wěn)態(tài)值的177。5%或177。2%）所需的最小時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。（2） 抗擾性能指標(biāo) 圖 22 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)1．動(dòng)態(tài)降落△Cmax%系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)擾動(dòng)量，在過渡過程中所引起的輸出量最大降落值△Cmax叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C∞1的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值C∞2（C∞1 C∞2)是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。2．恢復(fù)時(shí)間tv從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值C∞2之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量Cb的177。5%（或177。2%）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間tv，其中Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)指標(biāo)則以跟隨性能為主。 PWM直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)的PWM控制原理制調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。圖23是脈寬調(diào)制型調(diào)速系統(tǒng)原理圖和波形圖。開關(guān)VT表示脈寬調(diào)制器，調(diào)速系統(tǒng)的外加電源Us，為固定的直流電壓，當(dāng)開關(guān)VT閉合時(shí)，直流電流經(jīng)過VT給電動(dòng)機(jī)M供電；開關(guān)VT斷開時(shí)，直流電源供給M的電流被切斷，M的儲(chǔ)能經(jīng)二極管VD續(xù)流，電樞兩端電壓接近為零。如果開關(guān)VT按照某固定頻率開閉而改變周期內(nèi)的接通時(shí)間時(shí)，控制脈沖寬度相應(yīng)改變，從而改變了電動(dòng)機(jī)兩端平均電壓，達(dá)到調(diào)速目的[1][2][12]。 圖 23（a) 原理圖 （b) 波形圖 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的組成由GTR構(gòu)成的脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成如下圖24[1][2][12]，其中GM為三角波振蕩器，UPW 為脈寬調(diào)制器， GD為基極驅(qū)動(dòng)器, PWM為脈寬調(diào)制變換器，F(xiàn)A為瞬時(shí)動(dòng)作的限流保護(hù)環(huán)節(jié)。電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速n由測(cè)速發(fā)電機(jī)TG測(cè)量，速度反饋信號(hào)Un 與速度給定電壓Um* 同時(shí)加在速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端，構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的速度外環(huán)。電動(dòng)機(jī)的電樞電流Ia 由電流傳感器TA檢測(cè)，其輸出電壓Ui 與速度調(diào)節(jié)器輸出電壓Ui*同時(shí)加到電流調(diào)節(jié)器ACR 的輸入端，構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)。 圖 24 雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（1） 鋸齒波發(fā)生器，如圖25，它是由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成，它們形成自激震蕩，A1輸出正負(fù)對(duì)稱的方波脈沖，A2輸出鋸齒波。這種鋸齒波發(fā)生器線性度好，調(diào)整簡(jiǎn)便，在工程中應(yīng)用廣泛，其震蕩頻率為[4] (21)式中，為電位器RP的分壓系數(shù)。圖25 鋸齒波發(fā)生器（二）脈寬調(diào)制器[4]這是最關(guān)鍵的部件，它是將輸入直流控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成為與之成比例的方波電壓信號(hào)，以便對(duì)電力晶體管進(jìn)行控制，從而得到希望的方波輸出電壓。實(shí)現(xiàn)上述電壓—脈寬變換功能的環(huán)節(jié)稱為脈沖寬度調(diào)制器，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制器。 圖26 脈寬調(diào)制器圖26為脈寬調(diào)制器的原理圖，它是一個(gè)電壓脈寬變換電路，由ACR輸出的控制電壓Uc進(jìn)行控制，其輸出電壓的脈沖寬度與Uc成正比。運(yùn)算放大器A3工作在開環(huán)狀態(tài)，它能輸出正、負(fù)的飽和電壓。它的輸入端有三個(gè)信號(hào)，除Uc外，還有調(diào)制信號(hào)Ua（也就是圖25的Uo2）和偏移電壓Ub。控制電壓Uc的極性與幅值隨時(shí)可變，與Uo2相減，從而在運(yùn)算放大器A3的輸出端得到周期不變、脈沖寬度可變的調(diào)制輸出電壓Upwm。為了在Uc=0時(shí)電壓比較器的輸出端得到正、負(fù)半周期脈沖寬度相等的調(diào)制輸出電壓Upwm；另一個(gè)輸入信號(hào)端是加一負(fù)的偏移電壓Ub，其值為這時(shí)Upwm如圖27a所示。當(dāng)Uc0時(shí)，使輸入端合成電壓為正的寬度增大，即鋸齒波過零的時(shí)間提前，經(jīng)比較器倒相后，在輸出端得到正半波比負(fù)半波窄的調(diào)制輸出電壓（圖27b）。當(dāng)Uc0時(shí)，輸入端合成電壓被降低，正的寬度減小，鋸齒波過零時(shí)間后移，經(jīng)倒相，得到正半波比負(fù)半波寬的輸出信號(hào)（圖27c）。 圖 27 鋸齒波脈寬調(diào)制波形圖 （二）基極驅(qū)動(dòng)電路[4][2][11]脈寬調(diào)制器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過信號(hào)分配和邏輯延時(shí)后，送給基極驅(qū)動(dòng)電路作功率放大，以驅(qū)動(dòng)主電路的電力晶體管，每個(gè)晶體管應(yīng)有獨(dú)立的基極驅(qū)動(dòng)電路。為了確保晶體管在開通時(shí)能迅速達(dá)到飽和導(dǎo)通，關(guān)斷時(shí)能迅速截止，正確設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)非常重要的?；鶚O驅(qū)動(dòng)電路有多種，下面介紹一種集成電路，它可以使電力晶體管具有多種自保護(hù)功能，且保證電力晶體管運(yùn)行于參數(shù)最優(yōu)的條件下。大規(guī)模集成電路UAA4002是為一塑封16引線雙列直插式集成電路，是由法國(guó)湯姆森半導(dǎo)體公司研制和生產(chǎn)。其端子排列與原理圖如圖28所示。 圖 28 UAA4002模塊14腳：接正電源；2腳：接負(fù)電源；9腳：接零，提供參考的電位；5腳：輸入端；3腳：封鎖端，高電位時(shí)完全封鎖輸出信號(hào)，零電位時(shí)選擇電位輸入；16腳：經(jīng)一小電阻RB接被驅(qū)動(dòng)功率晶體管基極，輸出正向驅(qū)動(dòng)電流IB1；1腳：經(jīng)一小電感L接驅(qū)動(dòng)功率晶體管基極，輸出反向基極關(guān)斷電流IB2。15腳（V+）：是UAA4002輸出級(jí)電源輸入端，經(jīng)一外接電阻接到正電源VCC；7腳：最小導(dǎo)通時(shí)間整定值。它經(jīng)一電阻RT接零，從而整定tonmin，在1~12181。s間調(diào)節(jié)。 為了使開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)中的電容充分放電，邏輯處理器的輸出脈沖有一最小的寬度，這個(gè)最小導(dǎo)通時(shí)間必須至少是RCD網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)的四倍。 tonmin保護(hù)是最高優(yōu)先保護(hù)，在tonmin內(nèi)無任何其它保護(hù)能中止導(dǎo)通tonmin保護(hù)功能不能舍棄不用。8腳:最大導(dǎo)通時(shí)間整定端。它經(jīng)一電容CT接地。tonmax保是一重要保護(hù)。11腳:退飽和保護(hù)闡值整定端。它經(jīng)一電阻RSD接零，從而整定退飽和保護(hù)閡值；12腳:功率晶體管集電極電流限制端。電流信號(hào)輸入為負(fù)，絕對(duì)值0. 2V時(shí)，過流保護(hù)動(dòng)作。若封鎖該功能，12腳直接接地；13腳:通過抗飽和二極管接被驅(qū)動(dòng)晶體管的集電極。起到抗飽和作用。（三）脈寬調(diào)制變換器[1][3][4][5][10] 可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)有H型，T型等類型，本論文主要討論的是常用的H型變換器，它是由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型變頻器在控制方式上分雙極式、單極式和受限單級(jí)式三種。這里著重分析雙極式H型PWM變換器。 圖 29 H 型雙極性可逆PWM變換器 H型PWM變換器的開關(guān)器件分為VT1， VT4和VT2， VT3兩組進(jìn)行通、斷控制。組內(nèi)兩器件VTl，VT4同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，兩組間的器件VTI， VT4和VT2，VT3則是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷，其柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)規(guī)律為ub1 =ub4，ub2=ub3=ub1。工作狀態(tài)與波形如下： (a) 正向運(yùn)行，如圖210所示 第1階段，當(dāng)電機(jī)工作在輕載情況下，在0≤tton期間，ubl ，ub4為正，VT1和VT4導(dǎo)通；ub2 、 ub3為負(fù)，VT2和VT3截止。電樞電流ia沿回路1(經(jīng)VTl和VT4)流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓UAB=+US。 第2階段，在ton≤ t T期間，ubl 、ub4為負(fù)，VTI和VT4截止；ub2 、ub3為正，在電樞電感La的作用下，電樞電流沿回路2(經(jīng)VD2和VD3 )流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓UAB= US 。 (b) 反向運(yùn)行，如圖21