【正文】 強(qiáng)大的仿真器和仿真庫(kù)。結(jié) 論通過這次設(shè)計(jì)，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1. 掌握電機(jī)傳動(dòng)的工作原理及應(yīng)用。4. 進(jìn)行數(shù)字仿真，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)。正是有了這次設(shè)計(jì)，讓我在大學(xué)四年的最后一個(gè)學(xué)期過的豐富而又充實(shí)，我應(yīng)該拿出作畢業(yè)設(shè)計(jì)的這份精神和態(tài)度去面對(duì)以后工作中所面臨的難題，為以后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。致 謝感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師麻鴻儒老師以及在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)的，再次向輔導(dǎo)老師表示感謝。包括：可控硅整流電路，觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。總之，在設(shè)計(jì)過程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對(duì)，分析，解決新問題的能力，不僅學(xué)到了知識(shí)，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。 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(gè)完整模塊。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 MATLAB簡(jiǎn)介 系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設(shè)計(jì)電路時(shí),要對(duì)所設(shè)計(jì)的電路的性能進(jìn)行預(yù)計(jì)、判斷和校驗(yàn)。 顯然，若忽略不計(jì)粘性摩擦負(fù)載，則KL=0，此時(shí)，永磁電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)式⑤與前描述式 相同，若電樞電感也可忽略不計(jì)，則式⑤與前述式 相同。圖4—2如果將討論的問題限制在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的小偏差情況，經(jīng)過化簡(jiǎn)，可得此時(shí)系統(tǒng)的增量方程為： 為簡(jiǎn)化起見，式中表示增量的下標(biāo)1已刪去。圖4—1上圖為一他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路，其中： E分別為電動(dòng)機(jī)電樞端電壓和反電勢(shì)； 電動(dòng)機(jī)電樞電流和勵(lì)磁電流； 電樞電路電阻和電感； 勵(lì)磁電路電阻和電感；電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電壓；ω電動(dòng)機(jī)的角速度；J電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：1) 電流一定連續(xù)；2) 可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；3) 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)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(dá)1：20000左右；5) 低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。當(dāng)ρ1/2時(shí)，γ為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ1/2時(shí)，γ為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ=1/2時(shí)，γ=0，電動(dòng)機(jī)停止。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，tonT/2,則Uab的平均值為正，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)停止。因此，Uab在一個(gè)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。 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。這樣，電動(dòng)機(jī)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(shí)間ρ占空比，ρ= ton/T= ton*f，其中f為開關(guān)頻率。采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，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。 由于上述優(yōu)點(diǎn)，在中、小容量的高動(dòng)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]。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。（4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率，a)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，現(xiàn)為，滿足近似條件；b)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：現(xiàn)為，滿足近似條件；c)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，現(xiàn)為=，滿足近似條件。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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)：=302) 電樞回路總電阻：R=3) 時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)=機(jī)電時(shí)間常數(shù)=4) 調(diào)節(jié)器輸入電阻=20設(shè)計(jì)指標(biāo)：靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量%≤5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量%≤15%。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(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié),要將其設(shè)計(jì)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(duì)象形如式(2)。圖3很好地說明了這一點(diǎn)。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些,抗擾性能卻比較好。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)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：：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(shí)間常數(shù)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)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(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時(shí)間；3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。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)控制中得到普遍應(yīng)用。（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(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。ASR的輸出電壓為 ACR的輸出電壓為 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過程的大部分時(shí)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(shí)現(xiàn)理想過程。超調(diào)后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負(fù)載電流，在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個(gè)要求來整定的。由于在起動(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)階段。兩個(gè)給定電壓的最大值、由設(shè)計(jì)者給定，受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。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。這樣是下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?則,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)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(fù)載電流達(dá)到時(shí),對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出,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)為電流無靜差,、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。因此，對(duì)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]。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(cè)速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流給定電壓 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(dá)到限幅值，不飽和—輸出未達(dá)到限幅值。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖2—4所示。在電動(dòng)機(jī)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(hào)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。 實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。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)值是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。對(duì)于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到才真正穩(wěn)定，但是實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。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： （2—4）超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。當(dāng)給定信號(hào)表示方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。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。由圖2—1可見，對(duì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的?？箶_動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響[1，6]。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱勵(lì)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。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)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(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。本文的主要工作：1. 掌握電機(jī)傳動(dòng)的工作原理及應(yīng)用；2. 設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)；主要內(nèi)容包括：觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。通過對(duì)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(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對(duì)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(chǎng)合，提高其使用效率。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)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(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索[1]。目前交流電力拖動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行和制動(dòng)，其靜特性已可以與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相媲美。雖然直流電動(dòng)機(jī)可以滿足這些要求，但由于直流電動(dòng)機(jī)在容量、體積、重量、成本、制造和運(yùn)行維護(hù)方面都不及交流電動(dòng)機(jī)，所以長(zhǎng)期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)代替直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長(zhǎng)期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)