【正文】 值上。電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用：電流環(huán)為由ACR和電流負(fù)反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是穩(wěn)定電流。即被要求頻繁地起動(dòng)或總是處于正反轉(zhuǎn)切換狀態(tài)，如龍門刨床、軋鋼機(jī)等經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，為提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短反轉(zhuǎn)過渡過程時(shí)間。 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速問題的提出：采用比例積分的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行下實(shí)現(xiàn)了無靜差調(diào)速，又限制了啟動(dòng)時(shí)的最大電流。這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，很不方便。為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，在電壓不可調(diào)的場合，可采用電樞串電阻起動(dòng)，在電壓可調(diào)的場合則采用降壓起動(dòng)。如圖35所示系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程:閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路的電阻壓降的變化。讀出量又分模擬量和數(shù)字量。UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接直流電源，輸出為可控的直流電壓Ud，對(duì)于中小容量系統(tǒng)多采用由IGBT或MOSFET組成的PWM變換器；對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管裝置。開環(huán)系統(tǒng)是沒有能力完成其調(diào)速指標(biāo)的。 不足是：在工作過程中，4個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故。2)可以使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。改變占空即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖31 脈寬調(diào)制電路及輸出電壓脈寬調(diào)制變換器實(shí)際上就是一種直流斬波器。第3章 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)及回饋制動(dòng) 第3章 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速及其雙閉環(huán)控制 晶體管脈寬調(diào)制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬調(diào)制電源特點(diǎn)：電流脈動(dòng)小，電樞電流容易連續(xù)，不用在主回路中串入大電感，僅靠電樞電感就可濾波。注意到該方程組的非線性是由反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)為電樞電流的函數(shù)造成的，如果把和視為常量，則上述非線性方程組將退化為線性方程組： (214) (215) (216) (217) (218)其中和為常量。于是電磁轉(zhuǎn)矩 (27)由此可解出 (28)圖24表示串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性，從圖中可見，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，這種特性稱為軟特性。隨著負(fù)載的增加，串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)增大，磁路呈現(xiàn)飽和，此時(shí)常值，于是 (24)此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩將與電樞電流成正比。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載[4]運(yùn)行，因?yàn)榭蛰d時(shí)I很小，主磁通亦很小，使轉(zhuǎn)速極高，產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象，十分危險(xiǎn)。串勵(lì)時(shí)，把電機(jī)的磁化曲線近似的用表示，則從轉(zhuǎn)速公式可知 (21)式中，為串勵(lì)繞組的電阻。圖中為電樞電壓，U為電機(jī)兩端電壓為電樞電流，為勵(lì)磁電流圖21 直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式分類a） 他勵(lì)式 b)并勵(lì)式 c)串勵(lì)式 d)復(fù)勵(lì)式第2章 串勵(lì)電機(jī)的特性及建模 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性在本論文中電動(dòng)游覽車通常使用的就是前文中所提到的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的接線圖如圖22所示。自勵(lì)式直流電機(jī)又可分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)等三種。利用Matlab軟件中的Simulink工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并在給定系統(tǒng)各種參數(shù)的條件下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真，通過查看仿真波形和數(shù)據(jù)，既可獲得參數(shù)整定的依據(jù)，又可驗(yàn)證本調(diào)速系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。此外，由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)運(yùn)行的圖形功能比較強(qiáng)，對(duì)控制過程的參數(shù)和狀態(tài)可以有更直觀的了解，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控和管理。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、模糊控制等各種智能控制策略正在不斷涌現(xiàn)。 直流調(diào)速國內(nèi)外現(xiàn)狀 目前，我國的直流調(diào)速控制主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行著研究． 1．提高調(diào)速的單機(jī)容量．我國現(xiàn)有最大單機(jī)容量比國外單機(jī)容量小的多。至今在金屬切削機(jī)床、軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙機(jī)等需要高調(diào)速性能的各類可控電力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動(dòng)，直流調(diào)速到目前為止仍是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速)以上作小范圍的弱磁升速。經(jīng)典控制理論是現(xiàn)代控制理論的基石，直流調(diào)速的研究同樣也是交流調(diào)速研究的前奏。電動(dòng)游覽車作為旅游觀光用車，市場需求量不斷加大，因而對(duì)于電動(dòng)游覽車核心部分——直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)與研究具有較大的可行性及較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。電動(dòng)游覽車調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 直流調(diào)速國內(nèi)外現(xiàn)狀 2 3第2章 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性及其建模 4 直流電動(dòng)機(jī)的分類 4 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性 5 7 9第3章 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速及其雙閉環(huán)控制 10 晶體管脈寬調(diào)制的直流調(diào)速系統(tǒng) 10 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題 12 12 電流截止負(fù)反饋 14 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 17 21第4章 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)及回饋制動(dòng) 22 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)及實(shí)現(xiàn) 22 24 本章小結(jié) 27第5章 MATLAB雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真 28 28 31 34 38結(jié)論 39參考文獻(xiàn) 40致謝 42附錄1 開題報(bào)告 43附錄2文獻(xiàn)綜述 47附錄3中期報(bào)告 50附錄4外文文獻(xiàn)翻譯 57附錄5外文文獻(xiàn) 66I第1章 緒論 第1章 緒論 課題背景 電動(dòng)車是以電池為動(dòng)力的車輛[1]。而對(duì)于可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可以分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。首先應(yīng)該更好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。50年代末出現(xiàn)的晶閘管，它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。由于在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。，增加品種．．目前國內(nèi)使用較多的仍然是小規(guī)模集成運(yùn)放和組件構(gòu)成的調(diào)速控制系統(tǒng)，觸發(fā)裝置甚至仍是分立元件的。 國外在集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方面已有定型成套裝置。 本文研究的主要問題是，在理論分析和Matlab仿真研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)電動(dòng)游覽車直流電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)一套雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行，以及轉(zhuǎn)速的可逆控制，雙閉環(huán)控制。 78第2章 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性及其建模 直流電動(dòng)機(jī)的分類 直流電機(jī)按照勵(lì)磁繞組的供電方式可以分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類[2]：他勵(lì)式：他勵(lì)式直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組由其他電源供電，勵(lì)磁繞組與電樞繞組不相連接，如圖21a所示。勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)的就是并勵(lì)式，如圖21b所示。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)[3]是電樞電流與勵(lì)磁電流相等，即。上式表明，n與大體成雙曲線關(guān)系，如圖23所示。所以串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為式中，為輸出功率等于時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這是串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型[5]的等效模型如圖25圖25 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的等效模型根據(jù)基爾霍夫定律可以列出以下方程： (29) (210) (211) (212) (213)其中，為電樞繞組電感，為電機(jī)的飛輪矩，為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩函數(shù)，為阻尼系數(shù)。如果在某一采樣間隔內(nèi)對(duì)電機(jī)電樞電流進(jìn)行采樣，并認(rèn)為再改采樣間隔內(nèi)電流近似不變，則在每個(gè)采樣間隔內(nèi)，和為常數(shù)，既滿足線性方程組214至218，從而可以用經(jīng)典的控制理論對(duì)其進(jìn)行控制。系統(tǒng)低速特性穩(wěn)定調(diào)整范圍寬，且無需另加設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速。當(dāng)電子開關(guān)在控制電路作用下按某種控制規(guī)律進(jìn)行通斷時(shí)，在電動(dòng)機(jī)兩端就會(huì)得到調(diào)速所需的、有不同占空比的直流供電電壓。在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動(dòng)能力，只能單象限運(yùn)行。3)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。圖32 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題 調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。要把額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降低到滿足要求就必須采用負(fù)反饋，這就構(gòu)成了閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速。如圖33所示圖33 轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)[7]是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，他就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。此系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋量需要的是模擬量，一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)。 電流截止負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋的提出：根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的平衡方程式可知，電樞電流Id為： (31)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)直流電機(jī)起動(dòng)時(shí)突然加上給定電壓，由于存在機(jī)械慣性，所以不可能立即轉(zhuǎn)動(dòng)起來，即n=0，則其反電動(dòng)勢(shì)E=0。另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)情況。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)，根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。其原理圖如圖36所示：圖36 電流負(fù)反饋 電流截止負(fù)反饋的作用：由則可以通過一個(gè)電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過某個(gè)允許值時(shí)才起作用，這就是電流截止負(fù)反饋。這對(duì)一般要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已經(jīng)滿足了要求。為了充分利用晶閘管元件和電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力，使啟動(dòng)電流保持在最大允許值上，以最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，可以使轉(zhuǎn)速迅速直線上升，減少啟動(dòng)時(shí)間。電流環(huán)的調(diào)節(jié)過程如圖311所示直至，,調(diào)節(jié)過程結(jié)束穩(wěn)態(tài)時(shí)：其物理意義：當(dāng)Usi為一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用，圖39 速度電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖整流裝置的電流將保持在的數(shù)值上。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程分析：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程如圖313所示。當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。第Ⅱ階段()是恒流升速階段，是起動(dòng)過程中的主要階段。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定恒值，也就是說，應(yīng)略小于。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一段震蕩過程。2)轉(zhuǎn)速超調(diào)。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。1)對(duì)負(fù)載變化其抗擾作用。3)在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。本章主要闡述了直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)以及轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)，說明了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)在調(diào)速方面的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。又因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)矩正比于電機(jī)磁通，所以磁通反向?qū)?dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩反向，從而使電機(jī)反轉(zhuǎn)。但是，這種方法也有其弱點(diǎn):在勵(lì)磁換向的瞬間，磁通瞬時(shí)過零，此時(shí)若電樞電壓仍作用在電機(jī)上，電機(jī)會(huì)發(fā)生飛轉(zhuǎn)，造成設(shè)備損壞或人身傷害事故。電樞反接的原理圖如圖42所示。但是出于對(duì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)回饋制動(dòng)的考慮，選擇了第二種換向方式，即電樞反接的換向方式。能耗制動(dòng)的原理如下：電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，接觸器的常閉觸點(diǎn)閉合，常開觸點(diǎn)斷開，電機(jī)兩端形成上正下負(fù)的反電勢(shì)，電流由反電勢(shì)的正端流入，經(jīng)電機(jī)反電勢(shì)的負(fù)端流出:制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，接觸器常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，制動(dòng)電阻被切入，由于電機(jī)反電勢(shì)的存在，電流由電機(jī)的反電勢(shì)正端流出，經(jīng)制動(dòng)電阻流回電機(jī)的反電勢(shì)負(fù)端，此時(shí)與電動(dòng)狀態(tài)相比，電機(jī)電樞上的電流反向，因?yàn)殡姍C(jī)的磁通仍保持原方向，故轉(zhuǎn)矩將與電動(dòng)時(shí)向反，即與電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反，從而形成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)是指將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電能回鎖給電源，即對(duì)電源進(jìn)行充電。)；當(dāng)負(fù)載拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)式的電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于理想同步轉(zhuǎn)速時(shí)，EaU，則變?yōu)檎?，電流反向，如圖中虛線所示，此時(shí)電流由電機(jī)流向電源，即電機(jī)向電源回鎖電能，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。此時(shí)即電流反向。假設(shè)原來電動(dòng)機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性如圖中所示(等效電路圖如圖46所示)。反向接觸器閉合后，B點(diǎn)的電位將為正，A點(diǎn)的電位為負(fù)，電樞上的電流反向。等效電路圖如圖47所示。通過選擇Look under the mask可以查看電機(jī)的模型基于數(shù)學(xué)模型的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真得到系統(tǒng)開環(huán)