【正文】 第 7章 直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析及仿真 內(nèi)容提要： 本章主要通過(guò)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋 (單閉環(huán) )直流調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)以及兩個(gè)系統(tǒng)的 MATLAB仿真，來(lái)介紹分析與設(shè)計(jì)仿真自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般方法 (其中包括系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)框圖的建立、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析、系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程、系統(tǒng)可能達(dá)到的技術(shù)性能和性能指標(biāo)的計(jì)算 )。 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)，且已比較成熟，所以在機(jī)械、冶金、紡織、印刷、造紙等許多部門(mén)仍有不少的應(yīng)用。下面主要通過(guò)典型的直流調(diào)速系統(tǒng)來(lái)介紹分析的方法。 圖 711 具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 由圖可見(jiàn)，該系統(tǒng)的控制對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī) M，被調(diào)量是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n，晶閘管觸發(fā)電路和整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例調(diào)節(jié)器為電壓放大和電壓 (綜合 )比較環(huán)節(jié)，電位器 RP1為給定元件，測(cè)速發(fā)電機(jī) TG與電位器 RP2為轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件，此外還有由取樣電阻 RC、二極管 VD和電位器 RP3構(gòu)成的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖可參見(jiàn)圖 712。 (Direct Current Motor) 直流電動(dòng)機(jī)的物理關(guān)系式、微分方程、系統(tǒng)框圖以及自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程，在第二章，均作了分析。這里暫不作詳細(xì)分析。 (Thyristor Rectifier) ① 晶閘管元件的過(guò)載能力很小，因此選定元件的電流、電壓規(guī)格時(shí)，至少加大一倍以上的容量，而且要加散熱片，以防溫升過(guò)高，損壞元件。 ② 因交流側(cè)電流中含有較多的諧波成分（ Harmonic Content）對(duì)電網(wǎng)（ line）（ AC Supply）產(chǎn)生不利影響。因此在大、中功率整流電路的交流側(cè)，大多采用交流電抗器 (串接電抗器 Series Reactor)或通過(guò)整流變壓器 (Rectifier Transformer)供電，以抑制諧波分量 (Harmonic Component) ③ 晶閘管元件的過(guò)載能力很小，因此不僅要限制過(guò)電流（ Overcurrent）和反向過(guò)電壓（ Reverse Overvoltage） ,而且還要限制電壓上升率（ Rate of Rise of Voltage） (dv/dt)和電流上升率（ di/dt）。所以晶閘管整流電路設(shè)有許多保護(hù)環(huán)節(jié)，如快速熔絲、過(guò)電流繼電器、阻容吸收電路、硒堆、或壓敏電阻等過(guò)電流與過(guò)電壓保護(hù)裝置。 ④ 晶閘管整流裝置的輸出特性如圖 713a所示。圖中為整流平均電流，為整流輸出平均電壓。 當(dāng)輸出電流較大、電流為連續(xù)時(shí)，其輸出特性近似為直線(xiàn)（如曲線(xiàn) b段所示）。而且線(xiàn)段比較平坦；這意味著整流裝置的電壓降較小，裝置的等效內(nèi)阻也較小。圖 714 晶閘管整流裝置調(diào)節(jié)特性 當(dāng)輸出電流較小、電流為斷續(xù)時(shí)，其輸出特性變?yōu)楹芏傅那€(xiàn)（如曲線(xiàn) a段所示）。此線(xiàn)段較陡意味著電壓降落較大；等效內(nèi)阻顯著增加。 ⑤ 由于晶閘管整流裝置的上述特性，使得晶閘管整流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為上圖 b所示。其中 b段為電流連續(xù)時(shí)的特性，其特性較硬。 a段為電流斷續(xù)時(shí)的特性，其特性很軟。這樣從總體上看，機(jī)械特性很軟，一般滿(mǎn)足不了對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求，因此需要增設(shè)反饋環(huán)節(jié)，以改善系統(tǒng)的機(jī)械特性。 dU cU)( Cd UfU ?⑥ 晶閘管整流電路的調(diào)節(jié)特性為輸出的 平均電壓 與觸發(fā)電路的控制電壓 之間的關(guān)系，即 圖 714為晶閘管整流裝置的調(diào)節(jié)特性。 cUcd KUU ?由圖可見(jiàn)，它既有死區(qū)，又會(huì)飽和。 （當(dāng)全導(dǎo)通以后， 再增加， 也不會(huì)再 上升了），且低壓段還有彎曲段。面對(duì) 這非線(xiàn)性特性，常用的辦法是講它“看 作”一條直線(xiàn)，即處理成 。其比例系數(shù) K的取值有兩種方法： ① 對(duì)動(dòng)態(tài)特性，可取其動(dòng)態(tài)工作區(qū)的 線(xiàn)性段（ Q段）的比例系數(shù)，即 Cd UUK ??? /。 cNdN UUK ?? / dNUdUcNU cU② 對(duì)穩(wěn)定特性，則取額定范圍內(nèi)的平均值，即 ， ， 為 （ 為 的額定值， 為 的額定值）如圖中的 P直虛線(xiàn)所示。 cU0? ?? ms50 ??若再考慮到控制電壓 改變后，晶閘管要等到下一個(gè)周 期開(kāi)始后，導(dǎo)通角才會(huì)改變，因而會(huì)出現(xiàn) 的延遲 (三相橋式 ，單相全波 )。這樣晶閘管整流裝置的 傳遞函數(shù)為： kskkeUU scd ???? ?100??cU dU若控制電壓 ＝ 10V時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出的平均電壓 ＝ 440V(采 用 440V直流電動(dòng)機(jī) )，則 K＝ 440V/10V＝ 44。 (Amplitiet) ? 此處采用的是由運(yùn)放器組成的比例調(diào)節(jié)器。其放大倍數(shù)為 ，在其輸入端有三個(gè)輸入信號(hào)：給定電壓（ ），測(cè)速反饋信號(hào)（ ）及電流截止反饋信號(hào) ( ）。所以，此系統(tǒng)中的比例調(diào)節(jié)器，既是電壓放大環(huán)節(jié)，又兼作信號(hào)比較環(huán)節(jié)。 01 / RRfnU? fiU?sU (Speed Measurement Element) 轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方式很多，有測(cè)速發(fā)電機(jī)、電磁感應(yīng)傳感器、光電傳感器等。讀出量又分模擬量和數(shù)字量。此系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋量需要的是模擬量，一般采用測(cè) 測(cè)速發(fā)電機(jī)分直流和交流兩種。直流測(cè)速機(jī)又分永磁式（如 CY型）和他激式（如 ZCF型）。永磁式不需勵(lì)磁電源，使用方便，但要注意避免在劇烈震動(dòng)和高溫的場(chǎng)合使用。使用久了，永久磁鐵會(huì)退磁，影響精度。他勵(lì)式，體積較小，為了保證其精度，應(yīng)使其磁場(chǎng)盡可能工作在飽和狀態(tài)或采用穩(wěn)流電源勵(lì)磁。 若調(diào)速系統(tǒng)采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，其測(cè)速機(jī)分壓電位器的阻值不宜選得過(guò)大，過(guò)大則測(cè)速機(jī)電樞電流過(guò)小，碳刷接觸電阻影響增大，影響測(cè)速精度。但阻值也不宜選得過(guò)小，過(guò)小則電流過(guò)大，電樞反應(yīng)和壓降均增加，也影響精度。所以一般按測(cè)速發(fā)電機(jī)以在最高電壓時(shí)，輸出電流為測(cè)速機(jī)額定電流的 10%～20%來(lái)確定阻值。有的測(cè)速機(jī)上標(biāo)有額定負(fù)載電阻的阻值。 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相近，其勵(lì)磁繞組通以 50Hz（有的為400Hz）交流電，它的另一繞組輸出電壓也是交流電，所以還必須經(jīng)過(guò)解調(diào)或整流濾波，以轉(zhuǎn)換直流信號(hào)。 一般來(lái)說(shuō)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的精度，不及磁電傳感器或光電傳感器的精度高，但磁電傳感和光電傳感輸出的功率很小，需要增加放大環(huán)節(jié)。另一方面，它們的輸出多為脈沖量，它對(duì)計(jì)算機(jī)控制較合適。若對(duì)模擬控制，則還需增加數(shù)模轉(zhuǎn)換（ DAC）和濾波環(huán)節(jié)，這又會(huì)增加時(shí)間上的滯后，影響系統(tǒng)的快速性。 fnU ?? ,nU fn ?測(cè)速反饋信號(hào) 與轉(zhuǎn)速成正比， 稱(chēng)為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。 由于直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、堵轉(zhuǎn)或過(guò)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電流，這樣大的電流會(huì)燒壞晶閘管元件和電機(jī)，因而要設(shè)法加以限制。若采用電流負(fù)反饋，以后的分析表明，會(huì)使系統(tǒng)的機(jī)械特性變軟，而這又是我們希望避免的。為此，可以通過(guò)一個(gè)電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過(guò)某個(gè)允許值 (稱(chēng)為閾值 )時(shí)才起作用，這就是電流截止負(fù)反饋。 cRcR caRI aI0UcaRI0U)( 0URIU cafn ??sU在圖 711中，主電路中串聯(lián)了一個(gè)阻值很小的取樣電阻 (零點(diǎn)幾歐 )。電阻 上的電壓 與 成正比。比 較閾值電壓 是由一個(gè)輔助電源經(jīng)電位器 RP3提供的。電 流反饋信號(hào) ( )，經(jīng)二極管 VD，與比較電壓 反極性串 聯(lián)后，再加到放大器的輸入端，即 。由于是 負(fù)反饋，所以其極性與給定電壓 相反 。 當(dāng) 時(shí)，（亦即 ），則二極管 VD截止， 時(shí)，（亦即 ），則二極管 VD導(dǎo)通， [此處略去二極管的死區(qū)電壓 ]，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)起作用，它將使整流輸出電壓 下降，使整流電流下降到允許最大電流。 的數(shù)值稱(chēng)為截止電流，以 表示。調(diào)節(jié)電位器 RP3即可整定 ，亦即整定 的數(shù)值。一般取 〔 為額定電流 〕 由于電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)在正常工作狀況下不起作用，所以系統(tǒng)框圖上可以省去。 0URI ca ?ca RUI 0?0URI ca ?ca RUI 0?dUcRU0BI0U BI NB II ?NI 根據(jù)以上分析，便可畫(huà)出如圖 715所示的系統(tǒng)框圖。 由圖 715可以清楚地看出，調(diào)速系統(tǒng)存在著“兩個(gè)”閉環(huán)，一個(gè)是電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電勢(shì)構(gòu)成的閉環(huán)，另一個(gè)是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)。此外它還清楚表明了電樞電壓、電流、電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n由于某種原因（例如機(jī)械負(fù)載 LT 增加）而下 降時(shí)，系統(tǒng)將同時(shí)存在著兩個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程：一個(gè)是電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn) 生的以適應(yīng)外界負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程，另一個(gè)則是由 于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)作用而使控制電路產(chǎn)生相應(yīng)變化的自動(dòng)調(diào)節(jié) 過(guò)程。這兩個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程如圖 716所示。 ； 由上述調(diào)節(jié)過(guò)程可以看出，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的調(diào)節(jié)，主要是通過(guò)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì) E下降，使電流增加的 ；而轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，則主要通過(guò)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 下降，使偏差電壓 增加， ( )，整流裝置電壓 上升，電樞電壓 上升，而使電流增加的 。而電樞電流的增加，在磁場(chǎng)的作用下，將使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 增加，以適應(yīng)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 的增加。這兩個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程一直進(jìn)行到 時(shí)才結(jié)束。 圖 716具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程 此外，由圖 716還可以看出，轉(zhuǎn)速降的減小，是依靠偏差電壓 的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在這里，反饋環(huán)節(jié)只能減小轉(zhuǎn)速偏差 ( )，而不能消除偏差。因?yàn)樘热艮D(zhuǎn)速偏差被完全補(bǔ)償了，即 n回到原先的數(shù)值，那么 將回到原先數(shù)值，于是 、 、 、 也將回復(fù)到原先的數(shù)值；這意味著，控制系統(tǒng)沒(méi)有能起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速自然也不會(huì)回升。所以這種系統(tǒng)是以存在偏差為前提的，反饋環(huán)節(jié)只是檢測(cè)偏差，減小偏差，而不能消除偏差，因此它是有靜差調(diào)速系統(tǒng)。 aaa REUI /)[( ??fnU U? fns UUU ???dU aUaaa REUI /)[( ??eTLT Le TT ?U?U?fnUU? cU dU aU 當(dāng)電樞電流小于截止電流值時(shí)，電流負(fù)反饋不起作用。圖 717調(diào)速系統(tǒng)的 “ 挖土機(jī) ”機(jī)械特性 當(dāng)電樞電流大于截止電流值時(shí)，電流負(fù)反饋信號(hào)電壓