【正文】 在理論分析和仿真研究的基礎上，本文設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。本科畢業(yè)設計論文雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設計和仿真 學 生 姓 名： 班 級： 學 號： 指 導 教 師： 所 在 單 位： 電氣工程學院 答 辯 日 期： 2007年 6月 25日摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設計要求。早期直流傳動采用有接點控制，通過開關設備切換直流電動機電樞或磁場回路電阻實現(xiàn)有級調(diào)速。1957年晶閘管問世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直在直流傳動中占主導地位。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達數(shù)十萬分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達1：10000以上，快速響應系統(tǒng)的響應時間已縮短到幾毫秒以下。 長期以來，直流電動機由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結構復雜等缺點廣泛的應用于工程過程中。到了19世紀末，出現(xiàn)了三相電源和結構簡單，堅固耐用的交流籠型電動機以后，交流電動機傳動在不調(diào)速的場合才代替了直流電動機傳動裝置。隨著電力電子學與電子技術的發(fā)展，特別是電力半導體器件的發(fā)展，使得采用半導體變流技術的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應用。轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎。 本文的研究內(nèi)容本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管—直流電動機(V—M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。在上式中， 是常數(shù)，電流I是由負載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機的轉速可以有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2） 減弱勵磁磁通；（3） 改變電樞回路電阻R。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標根據(jù)各類典型生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值時，對應的轉速降落與理想空載轉速之比，用百分數(shù)表示為 （2—3）顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大，越小，靜差率就越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉速的相對穩(wěn)定性就越差。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉速可調(diào)范圍。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。一般希望在階躍響應中輸出量c(t)與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達到的時間越快越好。 3）調(diào)節(jié)時間調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢。二、抗擾性能指標一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標，可見圖2—3。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落。圖2—3 電流、轉速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理: 電動機在啟動階段,電動機的實際轉速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠對因電網(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié),可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行[1，5，6，8]。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓ΔU在穩(wěn)態(tài)時總為零。與此同時，由于ASR不飽和，可知，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到=。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖2—6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性三、　各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關系：=========上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速n是由給定電壓決定，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決 于n和，或者說，同時取決于 和。轉速反饋系數(shù)：α= /。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓Ua0的關系為：其中：A整流器系數(shù)； 整流器輸入交流電壓； 整流器觸發(fā)角； 觸發(fā)器移項控制電壓；K觸發(fā)器移項控制斜率；整流與觸發(fā)關系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K=。當突加給定電壓時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉動（n=0），轉速負反饋電壓，這時，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。從電流升到最大值開始，到轉速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉速負反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。開始時轉速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質。（3）準時間最優(yōu)控制：在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。在圖2—7所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。建立調(diào)節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計算公式簡明、好記；3. 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。自動控制理論證明,0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。設被控對象的傳遞函數(shù)如式(4): （4）若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器僅僅是一個比例環(huán)節(jié),若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器必須含有一個積分環(huán)節(jié),并帶有一個比例微分環(huán)節(jié),以便消除被控對象的一個慣性環(huán)節(jié),故調(diào)節(jié)器采用如式(5)的PI調(diào)節(jié)器。 轉速電流調(diào)節(jié)器結構的確定一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗憂性能差。至于轉速環(huán),穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求,所以轉速環(huán)通常設計為Ⅱ型系統(tǒng)。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。(和一般都比小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結構根據(jù)設計要求：%≤5%，且，可按典型Ⅰ型設計電流調(diào)節(jié)器。二. 速度環(huán)的設計（1）確定時間常數(shù) ①電流環(huán)等效時間常數(shù)：=②轉速濾波時間常數(shù)：③轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：。第三章 PWM脈寬調(diào)制 PWM基本介紹自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。當VT導通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。VT1和VT4同時導通和關斷，VT2和VT3同時通斷，使電動機M的電樞兩端承受電壓+ Us或 Us。圖3—6 雙極式控制可逆PWM變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關系是：Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。相當于一般負載的情況，脈動電流的方向始終為正；相當于輕載情況，電流可在正負方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負載電流。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為： 若占空比ρ和電壓系數(shù)γ的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：γ=2ρ1就和不可逆變換器中的關系不一樣了。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗，這是雙極式控制的缺點。為了克服上述缺點，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關次數(shù)和開關損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能會略有降低[4，8]。所以由上式可畫出直流電動機的結構。2) 略去電樞電感，動態(tài)結構圖可化為：其傳遞函數(shù)為： 其中： 3) 當負載中含有隨轉速成比例變化的粘性摩擦負載，即時，結構圖如下：其中轉矩系數(shù)4) 忽略電樞電感但需要計入粘性摩擦負載時動態(tài)結構圖如下：由上圖可得直流電動機的傳遞函數(shù)： 以上四種的討論都是就恒定磁場他勵直流電動機而言，而永磁直流電動機只不過是用永久磁鐵代替了恒定他勵電動機達到勵磁繞組，故兩者具有相同的等效電路，如下圖：當永磁電動機用于伺服系統(tǒng)時，常常要考慮帶有粘性負載的情況。轉動慣量J=*m。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展,電路品種日新月異,規(guī)模越來越大,同時對電路的可靠性、性價比也越來越高,原來的方法已完全不能適應電路的要求。目前應用的比較多的是MATLAB ,它包含了