【正文】 線速度提高到了 320Mbps。除了 VME 總線工控 機(jī)外，產(chǎn)生了一系列基于 PC的、與 ISA/PCI 總線標(biāo)準(zhǔn)兼容的嵌入式工控機(jī)，其中比較有代表性的是 CompactPCI/PXI總線、 AT96 總線、 STD 總線、 STD32 總線、 PC/104 和 PC/104Plus 總線嵌入式工業(yè)控制機(jī)。但相對(duì)于 PCI/ISA 加固型工控機(jī)而言，由于總體成本高、技術(shù)開發(fā)難度大、無源背板定義并不完全統(tǒng)一導(dǎo)致模板配套性差、電磁兼容性設(shè)計(jì)要求高等因素， CompactPCI 工控機(jī)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域并未得到實(shí)際應(yīng)用，反而在電信市場獲得廣泛應(yīng)用。 2) 控制局域網(wǎng) (Control Area Network， CAN)控制網(wǎng)絡(luò) 最早由德國 BOSCH 公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間數(shù)據(jù)通信。這兩大集團(tuán)于 1994 年合并，成立現(xiàn)場總線基金會(huì) (Fieldbus Foundation,FF)，致力于開發(fā)國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。但技術(shù)革新是永無止盡的，為了進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個(gè)方面展開： 1）采用新型電力電子器件 電力電子器件的不斷進(jìn)步，為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（ PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢。 3）采用總線技術(shù) 現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢，總線化使得各種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。 本文主要開展的研究工作 根據(jù)本課題的實(shí)際情況，宜從以下幾個(gè)方面入手分析： 第 10 頁 共 43 頁 10 1） 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型 ； 2） 雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計(jì) ； 3） 應(yīng)用 MATLAB 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正 ； 本設(shè)計(jì)要求基于 VM 的雙閉環(huán)直流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正，從要求出發(fā)，本文先介紹各種調(diào)速方案中選擇電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的原因，再重點(diǎn)闡述該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。弱磁調(diào)速只能在額定轉(zhuǎn)速以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)壓調(diào)速所得到的認(rèn)為機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在基 速（額定轉(zhuǎn)速）以下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。由于該設(shè)計(jì)對(duì)起動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速精度要求較高，故選用直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)。 2） 靜止可控整流器。 [5] 一般說來，在整流器功率很小時(shí)（ 4kW 以下 ） ，用單相整流；功率較大時(shí)，用三相整流電路，故選用三相整流電路 [6]。而三相橋式整流電路，在輸出整流電壓相同時(shí)，電源相電壓可較三相零整流電路小一半，困此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求，變壓器二次繞組電流中沒有直流分量、利用率高。 由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是移相范圍小于 180176。 已知系統(tǒng)當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為 第 12 頁 共 43 頁 12 5 5 1 2 8 6 .4 6 r / m in0 .1 9 2NdN IRn Ce ?? ? ? 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為 2 8 6 .4 6 1 0 0 % 2 2 .2 7 %2 8 6 .4 6 1 0 0 0NNNNnS nn?? ? ? ?? ? ? 已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 5%的要求，更何況滿足調(diào)速范圍最低轉(zhuǎn)速的情況以及考慮電流斷續(xù)時(shí)的情況。 圖 11 閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系 第 13 頁 共 43 頁 13 閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng) 1） 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速 ： 圖 12 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 如圖是帶有比例放大器的轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。對(duì)于一切被負(fù)反饋環(huán) 包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，都能被反饋控制系統(tǒng)有效地加以抑制。 引入 PI 調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)靜特性指標(biāo)和穩(wěn)定性發(fā)生矛盾的情況下，能改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使它能同時(shí)滿足穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差兩方面的要求。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 對(duì)于電流調(diào)節(jié)器： （ 1）啟動(dòng)過程保證電動(dòng)機(jī)能獲得最大允許的動(dòng)態(tài)電流。 方案選擇 方案一采用直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，所檢測的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。在啟動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。 為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 調(diào)速性能指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)） 直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)是衡量調(diào)速性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，也是直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中考核的主要指標(biāo)。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視 maxn 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 Nn 。 [5] 第 17 頁 共 43 頁 17 第 4章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 原理 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖 41 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 如圖 41所示為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。 在圖上標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照觸發(fā)裝置 GT的控制電壓 Ur,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。因此系統(tǒng)具有絕對(duì)硬的靜特性（無靜差），即 n nU U n?? ?? 得 0nUnn???? 且 i i dU U I?? ?? 從而得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖中的 0n — A 段。 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流上升時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器的輸出 iU? 也將上升，當(dāng) dI 上升到某一數(shù)值dmI 時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅值 imU? ，轉(zhuǎn)速環(huán)失去調(diào)節(jié)作用，呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變 第 19 頁 共 43 頁 19 化對(duì)系統(tǒng)不再影響。 由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流 d dmII? 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí) ASR 起主要調(diào)節(jié)作用。分析放大系數(shù)的方法的前提是把整個(gè)調(diào)速范圍工作點(diǎn)都落在晶閘管觸發(fā)和整流裝置的特性的近似線性范圍內(nèi)，并有一定的調(diào)節(jié)余量。通過輸入階躍信號(hào) 1（ t），得到晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出關(guān)系式，再經(jīng)過拉式變換得到其原始傳遞函數(shù)是一個(gè)非最小相位系統(tǒng)，最后依據(jù)工程近似處理的原則，忽略高次項(xiàng)，可把整流裝置近 似看作一階慣性環(huán)節(jié)，其 傳遞函數(shù)可以表示為 s () 1 ssKWs Ts? ? 其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如 圖 45所示。它們分別表示了電氣與機(jī)械慣性的影響。設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程。 第 1階段 0 一 t1 是電流上升的階段。在這一階段中， ASR 由不飽和很快達(dá)到飽和，而 ACR 一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng) 勢正也按線性增長。 第 III階段 t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。到 Id=IdL 時(shí)，轉(zhuǎn)速 n達(dá)到峰值。 2)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程 的 特點(diǎn) 特點(diǎn)一： 飽和非線性控制。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。起動(dòng)過程中主要的階段是第Ⅱ階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。如果一定要追求嚴(yán)格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。按照 PI 調(diào)節(jié)器的特性，只有 使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR 的輸人偏差電壓為負(fù)值，才能使 ASR 退出飽和。 第 25 頁 共 43 頁 25 最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。類似的問題還可能在空載起動(dòng) 時(shí)出現(xiàn)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中，能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。負(fù)載擾動(dòng)作用在被調(diào)量的前面，它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測出來，從而在調(diào)節(jié)器 ASR上得到反映。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。選擇過高，又會(huì)造成控制角 α 加大，功率因數(shù)變壞 ，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。 由查 表 得： A=，取 ε= ； α 角考慮 30176。 晶閘管額定電流 選擇晶閘管額定電流 的原則是必須使 晶閘管 允許通過的額定電流有效值 TNI 大于實(shí)際流過 晶閘管 電流最大有效值 TI ，即 TAVTTN III )( ?? 第 28 頁 共 43 頁 28 表 2 晶閘管額定電壓、電流 線路圖 元件承受峰值電壓 mTU 控制角 2dUU K 26U 0 30 60 90 26U 0 30 60 90 26U 0 30 60 dddTTAVT KIIIIII ??? )( 其中 IK I? 為電流計(jì)算系數(shù)，可由表查得 K=. 考慮 (～ 2)倍的裕量 () ( 1. 5 ~ 2) ( 1. 5 ~ 2) 0. 36 7 55 30 .2 8 ~ 40 . 37T A V dI KI A A? ? ? ? ? 取 ()50T AVIA? ，可選 KP1007 晶閘管元件 [12]。因電磁時(shí)間常數(shù) Tl 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm，轉(zhuǎn)速變化比電流變化慢得多，因此，對(duì)電流環(huán)的電流瞬變過程來說 E基本不變，△ E≈ 0，即暫且把 E的作用去掉，得到忽略 E影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖 如下圖所示 ，等效簡化后得： 圖 01 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡 確定時(shí)間常數(shù) 1） 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sT ：由已知 sT =，查表知，為三相橋式電路的平均失控時(shí)間。從這一考慮出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)校正為典型 I型系統(tǒng)。 表 62 典型 II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 1 2 2//m T T T T?? 15 110 120 130 max 100%bCC? ? % % % % /mtT v/tT 所以電流環(huán)按典型 I 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器選用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 i( s ) iACRiKW s??? （ s+1 ） 傳遞函數(shù)參數(shù)計(jì)算 為了將電流環(huán)校正為典型 I 系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器的領(lǐng)先時(shí)間常數(shù) i? 應(yīng)對(duì)消控制對(duì)象中的大慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù) lT ，即取 ? ?? 取電流超調(diào)量 5%i?? ，則有 I iKT ??,因此 111 1 3 6 . 22 2 0 . 0 0 3 6 7IiKsT ?? ? ??? 于是可以求得 ACR 的比例放大系數(shù) iK ， 其中 電流反饋系數(shù) / ( 10 / )NV A V I? ?? 1 3 6 . 2 0 . 0 3 4 1 0 . 8 7 70 . 1 2 4 4IiisKRK K?? ??? ? ?? 第 32 頁 共 43 頁 32 校驗(yàn)近似條件 1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件為 13ci sw T? 現(xiàn)在 113 Iw K s??? ，而 111 1 9 9 .63 3 0 .0 0 1 6 7s sT ????顯然滿足近似條件。 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器原理如圖 53 所示，按所用運(yùn)算放大器取 0 40Rk??,各電阻和電容值計(jì)算如下： 圖 53 含濾波環(huán)節(jié)的 PI型電流調(diào)節(jié)器 第 33 頁 共 43 頁 33 0 40 ( )iiR K R k? ? ? ? ? (取 35k? ) 630 . 0 1 7 0 . 4 8 5 1 0 0 . 4 8 53 5 1 0iiiC F FR? ??? ?