【正文】 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 ,它包含了強大的仿真器和仿真庫。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 36 結(jié) 論 通 過這次設(shè)計，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。 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。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為基礎(chǔ)，以計算機為工 具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 33 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計、判斷和校驗。 顯然，若忽略不計粘性摩擦負載，則 KL=0，此時，永磁電動機的傳遞函數(shù) 式⑤與前描述式 ? ? 1/1 2 ?????? sTsTT CsWmame相同，若電樞電感也可忽略不計，則式⑤與前述式 ? ? 1/1 ??? sT CsWme 相同。 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( ????? SJTT le ffff ITSRU ????? )1( 00 ????????? ff IMpIMpE ? 00 dfdfe IIMpIIMpT ???????? 為簡化起見，式中表示增量的下標 1 已刪去。 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 fI 電動機電樞電流和勵磁電流； aR aL 電樞電路電阻和電感； fR fL 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 lT 電動機轉(zhuǎn)矩和負載阻轉(zhuǎn)矩。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點： 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： 20200 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通。當ρ 1/2 時，γ為正，電動機正轉(zhuǎn)；當ρ 1/2時，γ為負，電動機反轉(zhuǎn)；當ρ =1/2 時，γ =0，電動機停止。當正脈沖較寬時， 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、負脈沖相等， t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動機停止。因此， Uab 在一 個周期內(nèi)具有正負相間的脈沖波形，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。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。 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)的應用日益廣泛 [4]。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標見附錄表三。 （ 4）校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率 ??? sK ici? ， 本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 a) 晶閘管裝 置傳遞函數(shù)近似條件： sci T31?? ，現(xiàn)為 131 ???? sTs ，滿足近似條件； b) 忽 略 反 電 動 勢 對 電 流 環(huán) 影 響 的 條 件 ： ,13lmci TT?? 現(xiàn)為cilm sTT ????? ?? 1001 1 ，滿足近似條件； c) 小 時 間 常 數(shù) 近 似 處 理 條 件 ： oisci TT131??，現(xiàn)為oisTT131= cis ???? ? 131 ，滿足近似條件。 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 =30 2) 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) mT = 4) 調(diào)節(jié)器輸入電阻 0R =20 ?k 設(shè)計指標： 本科畢業(yè)設(shè)計論文 19 靜態(tài)指標：無靜差； 動態(tài)指標：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%。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)。圖 3 很好地說明了這一點。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，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(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。 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： dtUUKdtUCRURRU ininpiininex ?? ???? ?111001 本科畢業(yè)設(shè)計論文 16 piK ： 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： sKw pi ?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 。在設(shè)計 ASR 時，應要求有較好的抗擾性能指標。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應用。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當轉(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)。 ASR 的輸出電壓為 Lfigi IUU ??? ACR 的輸出電壓為 s Lgek KRInCU ??? 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。超調(diào)后， 0,0 ??? nfn UU ，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 UU與 也隨之降了下來，但是，由于 aI 仍大 于負載電流 LI ，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 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要求來整定的。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)過程就分成圖中標明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。 兩個給定電壓的最大值 *nmU 、 *imU 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。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本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 合于 0nn? 的情況，因為如果 0nn? ,則 *nnUU? ,ASR 將退出飽和狀態(tài) . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 ,這時 ,轉(zhuǎn)速負反饋起主要的調(diào)節(jié)作用 ,但負載電流達到 dmI 時 ,對應于轉(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 ,得到過電流的自動保護 .這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形 成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。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]。 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 本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 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。兩者之間實行嵌套連接，如圖 2— 4 所示。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 。 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值 ? ?212 , ??? ?ccc 是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。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。 圖 2— 2 2）超調(diào)量 %? 在典型的階躍響應跟隨系統(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，用百分數(shù)表示，叫做超調(diào)量： %100% m a x ?????c cc? （ 2— 4） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。當給定信號表示方式不同時，輸出響應也不一樣。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；本科畢業(yè)設(shè)計論文 6 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。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的 ?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉(zhuǎn)速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響 [1， 6]。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。 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)。 本文的主要工作： 1. 掌握電機傳動的工作原理及應用； 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。 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。 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]。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，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。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。 直流電動機具有良好的運行和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)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。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。今天正在逐步推廣應用的微機控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動的發(fā) 展方向。其特點是利用了直流電動機的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)節(jié)直流發(fā) 電機的勵磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動機，從而方便地實現(xiàn)調(diào)速。從機械特性上看 ,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械