【正文】 電壓。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。 eK —— 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 U —— 電樞電壓（ V）。 由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這種發(fā)展是以采用電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的，在世界各國(guó)的工業(yè)部門(mén)中，直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)至今仍廣泛的應(yīng)用著。 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，幾乎無(wú)處不使用電力拖動(dòng)裝置。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。故需要引入轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)，本文著重闡明其控制規(guī)律﹑性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，是各種交﹑直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 引 言 目前，轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好﹑應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。首先介紹轉(zhuǎn)速﹑電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性，接著說(shuō)明該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并從起動(dòng) 和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用。 長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)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(guò)程中。軋鋼機(jī)、電鏟、提升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等各類生產(chǎn)機(jī)械都要采用電動(dòng)機(jī)來(lái)傳動(dòng)。直流拖動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn)在于： 容易控制，能在很寬的范圍內(nèi)平滑而精確的調(diào)速，以及快速響應(yīng)等。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。 I —— 電樞電流（ A）。 由式 (11)可以看出，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法： 1） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)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。 2）靜止式可控整流器 —— 用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫“調(diào)速范圍”和“靜差率”。 在了解了這些后，再來(lái)介紹一下轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 nU ，與給定電壓 *nU 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 nU? ，經(jīng)過(guò)放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器 UPE 所需的控制電壓 cU ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 。 1．被調(diào)量有靜差 從原理圖 11 中分析可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù) K 值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。 2）交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使 Ks 變化）。 6）檢測(cè)誤差的擾動(dòng)（使 ? 變化）。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6 檢測(cè)精度 —— 反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無(wú)法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。 堵轉(zhuǎn)電流 —— 有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。 為了 解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。下面一章就是關(guān)于此系統(tǒng)的介紹。采用 PI 控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動(dòng)的最大電流。我們希望使電流在起動(dòng)時(shí)始終保持在最大允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大大縮短。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 21a） 所示 ,起動(dòng)電流突破 dcrI 以后，受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)某一最大值 dmI 后，就降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量?jī)?nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。 圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 cU 為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和 — 輸出達(dá)到限幅值，不飽和 — 輸出未達(dá)到限幅值。 ? — 電流反饋系數(shù) 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。這就是說(shuō)， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 0?dI 一直延續(xù)到 dmd II ? ，而 dmI 一般都是大于額定電流 dNI 的。穩(wěn)態(tài)時(shí) dmimd IUI ?? ?* (22) 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見(jiàn)圖 25 中的虛線。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流 dI 顯露出來(lái)。 第 I 階段是電流上升的階段（ 0～ 1t ） 突加給定電壓 *nU 后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用 , cU ﹑ doU ﹑ dI 都跟著上升，當(dāng) dLd II ? 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 第Ⅱ階段是恒流升速階段（ 1t ～ 2t ） 在這個(gè)階段中， ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi) 環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定 *imU 下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 呈線性增長(zhǎng)。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中 ACR 是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。直到 dLd II ? 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達(dá)峰值（ t = 3t 時(shí)）。 圖 32 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn) 由上一節(jié)所述，我們得到起動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)有以下三點(diǎn)： 1） 飽和非線性控制。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是允許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。采用飽和非 線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍也得到應(yīng)用。 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 1．抗負(fù)載擾動(dòng) 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。在設(shè)計(jì) ASR 時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下。 4） 當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 2） 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。于是便產(chǎn)生建立更簡(jiǎn)便實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法的必要性。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。 4） 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)單的計(jì)算公式。 第二步，再 選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。根據(jù) 0,1,2,r? … 的不同數(shù)值，分別稱作 0 型、 I 型、 II 型、 … 系統(tǒng)。 1．典 型 I型系統(tǒng) 作為典型 I型系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)的傳遞函數(shù)為 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 18 ()( 1)KWs s Ts? ? (32) 式中 T —— 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)； K —— 系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益。 a） 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 b） 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性 圖 35 典型Ⅰ型系統(tǒng) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 2．典型 II型系統(tǒng) 在各種 II型系統(tǒng)中，選擇一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且能保證穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型 II型系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 2 ( 1)() ( 1)KsWs s Ts? ?? ? (33) 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性如 圖 36所示 。線以上，也就無(wú)法保證系統(tǒng)穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)圖36 b） 中的特性，顯然應(yīng)保證 11c T?? ?? 或 T?? 而相角裕度為 Tar c t gar c t gTar c t gar c t gr cccc ?????? ?????? 00 180180 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20 ? 比 T 大得多，則系統(tǒng) 的穩(wěn)定裕度越大。這是設(shè)計(jì)時(shí)選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。當(dāng)給定信號(hào)變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。在跟隨過(guò)程中，輸出量從零起第一次上升到 ?C 所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱作上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。 3） 調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它衡量輸出量整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢。 2． 抗擾性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，突加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)量 F 后，輸出量由降低到恢復(fù)的 過(guò)渡 過(guò)程是系統(tǒng)典型的抗擾過(guò)程，如圖 38所示 。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 2?C ，（ 21 ?? ?CC ）是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，即靜差。如果允許的動(dòng)態(tài)降落較大，就可以新穩(wěn)態(tài)值 2?C 作為基準(zhǔn)值。工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床用的位置隨動(dòng)系統(tǒng)需要很強(qiáng)的跟隨性能，而大型天線的隨動(dòng)系統(tǒng)除需要良好的跟隨性能外，對(duì)抗擾性能也有一定的要求。此圖有濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)遲延作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 1． 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù) lT 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT ，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中 ,可認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 0??E 。則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化為圖 42。其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 ssKSW iiiA C R ?? )1()( ?? (41) 式中 Ki —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i? —— 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 25 圖 44 校正后電流環(huán)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性 3． 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 由式 (41)可以看出電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是 Ki 和 i? ，其中 i? 以選定，見(jiàn)式 (42)， 待定的只有比例系數(shù) Ki ,可根據(jù)題目所要求的電流超調(diào)量 %5?i? ，由附表 1，可選 ?? ， ??iITK ，則 RKKK i siI ? ?? (43) 再利用式 (43)和 (42)得到 )(22 ilsis li TTKRTK RTK ?? ?? ?? (44) 4． 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖 45 所示。 圖 46 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)小慣性的近似處理 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中（見(jiàn)圖 46） 。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，由 hT?? 有 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 28 nn hT??? (413) 再由 K=222 1Thh? 得 222 1nN ThhK ??? (414) 因此 nmen RTh TChK??? ??2 )1( (415) 4． 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖