【正文】 速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。雖然直流電動機可以滿足這些要求，但由于直流電動機在容量、體積、重量、成本、制造和運行維護方面都不及交流電動機，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動機代替直流電動機。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運行和制動，其靜特性已可以與直流電動機拖動系統(tǒng)相媲美。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究和探索 [1]。通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。本文的主要工作：1. 掌握電機傳動的工作原理及應(yīng)用；2. 設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)；主要內(nèi)容包括：觸發(fā)電路設(shè)計；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉(zhuǎn)速上運行時，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動等因素的影響 [1，6] 。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。由圖 2—1 可見，對一個調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。當(dāng)給定信號表示方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。圖 2—22）超調(diào)量 %? 在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： %10max????c （2—4）超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到 ??t才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達到新的穩(wěn)態(tài)值 ??212,??c是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。兩者之間實行嵌套連接，如圖 2—4 所示。圖 2—4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)其中：ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器 *Un轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 *Ui電流給定電壓 Ui電流反饋電壓二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析圖 2—5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和 —輸出達到限幅值，不飽和—輸出未達到限幅值。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況 [1，5， ，6，8] 。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。這樣是下垂特性只適合于 0n?的情況，因為如果 0n?,則*nU?,ASR 將退出飽和狀態(tài). 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(fù)載電流達到 dI時,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出*imU,這時,電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。后面需要 PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。兩個給定電壓的最大值*nm、 i由設(shè)計者給定，受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。速度調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。超調(diào)后， 0,???nfnU，使 ASR 退出飽和，其輸出電壓（也就是 ACR的給定電壓） giU才從限幅值降下來， dk與 也隨之降了下來，但是，由于 aI仍大于負(fù)載電流 LI，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。ASR 的輸出電壓為 LfigiIU??ACR 的輸出電壓為 sLgekKRInC??由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)，ASR 處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。在設(shè)計 ASR 時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 PI 調(diào)節(jié)器PI 調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式 [1，2，3] ：由圖可得：dtUKdtUCRUininpininex ???????11001piK：PI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)?：PI 調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： sKwpi?1?? 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：1. 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)；2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些,抗擾性能卻比較好。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。圖 3 很好地說明了這一點。這樣 ,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié),要將其設(shè)計成典型Ⅰ型系統(tǒng),同理,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形如式(2)。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計本設(shè)計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下：1) 晶閘管裝置放大系數(shù)： sK=302) 電樞回路總電阻：R=3) 時間常數(shù)：電磁時間常數(shù) lT=機電時間常數(shù) m=4) 調(diào)節(jié)器輸入電阻 0R=20 ?k設(shè)計指標(biāo)：靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 i?%≤5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n?%≤15%。（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率?sKici?，a)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： sciT3??，現(xiàn)為???ss，滿足近似條件；b)忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：,1lmci?現(xiàn)為cilmsT??????，滿足近似條件；c)小時間常數(shù)近似處理條件： oisciT13?，現(xiàn)為 oisT13=cis?????，滿足近似條件。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。 由于上述優(yōu)點，在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛 [4]。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。這樣，電動機得到的平均電壓為： Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us式中 T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期 ton開通時間ρ 占空比，ρ= ton/T= ton*f，其中 f 為開關(guān)頻率。 橋式可逆 PWM 變換器可逆 PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 型）電路，如圖3—5 所示。因此， Uab 在一個周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。當(dāng)正脈沖較寬時，tonT/2, 則 Uab 的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等，t=T/2, 平均輸出電壓為零，則電動機停止。當(dāng) ρ1/2 時，γ 為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng) ρ1/2 時，γ 為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng) ρ=1/2 時， γ=0 ，電動機停止。雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點：1) 電流一定連續(xù)；2) 可使電動機在四象限運行；3) 電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；4) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達 1：20220 左右；5) 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。圖 4—1上圖為一他勵直流電動機的等效電路，其中： aU E分別為電動機電樞端電壓和反電勢；dI f電動機電樞電流和勵磁電流；aR L電樞電路電阻和電感；f 勵磁電路電阻和電感；fU電動機的勵磁電壓；ω電動機的角速度；J電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量；eT l電動機轉(zhuǎn)矩和負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。圖 4—2如果將討論的問題限制在穩(wěn)態(tài)工作點附近的小偏差情況，經(jīng)過化簡，可得此時系統(tǒng)的增量方程為： daaa ITSREU????)1( ??SJTle ffff IR??)1( 00??ffMpIpEdfdfe IT?為簡化起見，式中表示增量的下標(biāo) 1 已刪去。 顯然，若忽略不計粘性摩擦負(fù)載，則 KL=0，此時，永磁電動機的傳遞函數(shù)式⑤與前描述式 ??1/2???sTCsWmame相同，若電樞電感也可忽略不計，則式⑤與前述式 1/??sTe 相同。第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 MATLAB 簡介 系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設(shè)計電路時,要對所設(shè)計的電路的性能進行預(yù)計、判斷和校驗。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計算機為工具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真下圖為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖：說明：在 SIMULINK 中，PWM 為一個完整模塊?？傊?，在設(shè)計過程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識，而且學(xué)會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學(xué)到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。包括：可控硅整流電路，觸發(fā)電路設(shè)計；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。致 謝感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師麻鴻儒老師以及在我做畢業(yè)設(shè)計過程中給予我較大幫助的輔導(dǎo)老師，沒有他們的幫助，我是無法順利的完成這次設(shè)計的，再次向輔導(dǎo)老師表示感謝。本文針對同步電機中具有代表性的凸極機，在忽略了一部分對誤差影響較小而使算法復(fù)雜度大大增加的因素（如諧波磁勢等） ，對其內(nèi)部電流、電壓、磁通、磁鏈及轉(zhuǎn)矩的相互關(guān)系進行了一系列定量分析，建立了簡化的基于 abc 三相變量上的數(shù)學(xué)模型，并將其進行派克變換，轉(zhuǎn)換成易于計算機控制的 d/q 坐標(biāo)下的模型。The Simulation Platform of Synchronous Machine by MATLAB Abstract: The utilization of transducer realizes the control of voltage’s frequency. It changes the situation that Synchronous Machine is always running with constant speed. Just like Asynchronous Machine, Synchronous machine can also be viewed as a member of the timing machine. This thesis intends to aim at the typical salient pole machine in Synchronous Machine. Some quantitative analysis are made on relations of salient pole machine among current, voltage, flux, flux linkage and torque, under the condition that some factors such as harmonic electric potential are ignored. These factors have less influence on error but greatly increase plexity of arithmetic. Thus, simplified mathematic model is established on the basis of a, b, c three phase variables. By the Park transformation, this model is transformed to d, q model which, is easy to be controlled by puter. Simulink is used to mas