【正文】 的電動機(jī)一直以直流電動機(jī)為唯一方式。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。直流傳動之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達(dá)到較高的性能指標(biāo)。但這種調(diào)速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 直流傳動具有良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較早并沿用至今。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)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(shí)現(xiàn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)和仿真 學(xué) 生 姓 名： 班 級： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 所 在 單 位： 電氣學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 I 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(diǎn)，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。早期直流傳動采用有接點(diǎn)控制，通過開關(guān)設(shè)備切換直流電動機(jī)電樞或磁場回路電阻實(shí)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(dǎo)地位。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達(dá)數(shù)十萬分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達(dá) 1： 10000以上，快速響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時間已縮短到幾毫秒以下。 長期以來 ，直流電動機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于工程過程中。到了 19 世紀(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用的交流籠型電動機(jī)以后，交流電動機(jī)傳動在不調(diào)速的場合才代替了直流電動機(jī)傳動裝置。隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)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(yīng)用。轉(zhuǎn)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(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 本文的研究內(nèi)容 本文從直流電動機(jī)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(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 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(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動機(jī)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(jī) (V— M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)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(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)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(biāo)。具體是指電動機(jī)穩(wěn)定工作時，在一條機(jī)械特性線上，電動機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 2— 3） 顯然，機(jī)械特性硬度越大，機(jī)械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。這表明平行機(jī)械特性低速時靜差率較大，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速可調(diào)范圍。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?c 的偏差越小越好，達(dá)到 ?c 的時間越快越好。 3）調(diào)節(jié)時間 st 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(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)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(biāo)，可見圖 2— 3。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落 %maxn? 。 圖 2— 3 電流、轉(zhuǎn)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(jī)在啟動階段 ,電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 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(jī)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?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機(jī) 電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié) ,可以在電動機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時 ,迅速使電流恢復(fù)到原來值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 [1， 5， 6， 8]。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi) 環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 的作用使輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時總為零。與此同時，由于 ASR 不飽和，*Ui *imU 可知 dI dmI ，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 dI = dmI 。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(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系： *Un =Un = n?? = 0n?? *iU = iU = dI?? = dlI?? cU = sdKU0 =sde K RInC ??? =sdlneKRIUC ???? 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *Un 決定， ASR 的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dlI 決定的，而控制 電壓 cU 的大小則同時取決 于 n 和 dI ，或者說，同時取決于 *Un 和 dlI 。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α = *nmU / maxn 。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(guān)系為： )c o s (c o s 220 cta KUAUAUU ?? ? 其中： A整流器系數(shù)； 2U 整流器輸入交流電壓； ? 整流器觸發(fā)角； ctU 觸發(fā)器移項(xiàng)控制電壓； K觸發(fā)器移項(xiàng)控制斜率； 整流與觸發(fā)關(guān)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= cta UU /0 。當(dāng)突加給定電壓 gnU 時，由于電動機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動機(jī)還來不及轉(zhuǎn)動（ n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 0?fnU ，這時，fngnn UUU ??? 很大，使 ASR 的輸出突增為 gioU ， ACR 的輸出為 koU ，可控整流器的輸出為 doU ，使電樞電流 aI 迅速增加。從電流升到最大值 amI 開始，到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值， ASR 的給定電壓 gnU 與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 fnU 相平衡，輸入偏差 nU? 等于零。在這個階段中 ASR 與 ACR 同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)， ASR 處于主導(dǎo)地位，而 ACR 的作用則力圖使 aI 盡快地跟隨 ASR 輸出 giU 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(zhì)。 （ 3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)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(jī)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(fù)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)方法所遵循的原則是： 1. 概念清楚、易懂； 2. 計(jì)算公式簡明、好記； 3. 不僅給出參數(shù)計(jì)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(jì)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(shè)被控對象的傳遞函數(shù)如式 (4): )12( 1)( ?? sssW obj （ 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(zhuǎn)速 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速環(huán) ,穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求 ,所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè) 計(jì)為Ⅱ型系統(tǒng)。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。 ( sT 和 oiT 一般都比 lT 小得多 ,可以當(dāng)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(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： i? %≤ 5%，且 ???? ilTT，可按典型Ⅰ型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。 二 . 速度環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1）確定時間常數(shù) ①電流環(huán)等效時間常數(shù) IK1： IK1= sT i 0 0 7 0 3 ???? ②轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： sTon ? ③轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理： sTTT onin 0 2 1 0 7 ??????? 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 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(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器 — 直流電動機(jī)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(jī)的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。當(dāng) VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 Us 加到電動機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時，直流電源與電機(jī)脫開，電動機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。 VT1 和 VT4 同時導(dǎo)通和關(guān)斷，VT2 和 VT3 同時通斷，使電動機(jī) 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(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關(guān)系是： Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。 1dI 相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動電流的方向始終為正； 2dI 相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： sonsonsond U)1Tt2(UT tTUTtU ????? 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 =2ρ 1 就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。為了克服上述缺點(diǎn)，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(guān)次數(shù)和開關(guān)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(jī)的結(jié)構(gòu)。 2) 略去電樞電感 aL ，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為： 其傳遞函數(shù)為： 1/1)( )()( ???? sT CsU ssWmea? 其中： 2CRJCC RJT ameam ????? 3) 當(dāng)負(fù)載中含有隨轉(zhuǎn)速成比例變化的粘性摩擦負(fù)載，即 ???? lll KTT 1 時，結(jié)構(gòu)圖如下 ： 其中轉(zhuǎn)矩系數(shù) fem IMpCCC ????? 4) 忽略電樞電感但需要計(jì)入粘性摩擦負(fù)載時動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 由上圖可得直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)： ? ?? ? 1)( ???????????sCCKR RJCCKRCsUssWmelaamelama? 以上四種的討論都是就恒定磁場他勵直流電動機(jī)而言，而永磁直流電動機(jī)只不過是用永久磁鐵代替了恒定他勵電動機(jī)達(dá)到勵磁繞組， 故兩者具有相同的等效電路，如下圖： 當(dāng)永磁電動機(jī)用于伺服系統(tǒng)時，常常要考慮帶有粘性負(fù)載的情況。轉(zhuǎn)