【正文】 技術(shù)研究 ,南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文[12] 劉漢忠，邵群濤,單相串勵電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制器的設(shè)計與實現(xiàn),南京工程學(xué)院，江蘇南京210013[13] Boumedi232。因此采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)來獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。由于進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，于是給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。但缺點是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。國外在集散型計算機(jī)控制系統(tǒng)方面已有定型成套裝置。2． 提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，增加品種．3． 提高控制單元水平．目前國內(nèi)使用較多的仍然是小規(guī)模集成運放和組件構(gòu)成的調(diào)速控制系統(tǒng)，觸發(fā)裝置甚至仍是分立元件的。但缺點是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。三、設(shè)計(研究)方案本設(shè)計方案總框圖如下圖所示：蓄電池直流供電直流直流電動機(jī)供電電流調(diào)節(jié)器H型橋式電路調(diào)制給定量電流檢測轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SG3525PWM發(fā)生電路本設(shè)計方案通過二極管橋式整流電路將交流電壓變換為直流電壓，再由SG3525提供斬波電路的PWM信號，根據(jù)正負(fù)脈沖占空比的不同，實時地控制雙極式H型橋式可逆變換器中電力電子元件的導(dǎo)通與關(guān)閉，在直流電機(jī)上就可得到正的或負(fù)的直流電壓，實現(xiàn)電機(jī)的四象限運行。二、設(shè)計(論文)主要內(nèi)容本設(shè)計是在理論分析和Matlab仿真研究的基礎(chǔ)上，針對電動游覽車直流電動機(jī)，設(shè)計一套雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，可實現(xiàn)電機(jī)四象限運行，以及轉(zhuǎn)速的可逆控制，雙閉環(huán)控制。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試。因而，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)迅速發(fā)展，晶閘管變流技術(shù)也日益成熟，直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。直流電動機(jī)的調(diào)速的方法有：調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 、減弱勵磁磁通 F 、改變電樞回路電阻 R 。近幾年，雖然交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。附錄附錄1 開題報告一、背景及意義 電動車是以電池為動力的車輛。進(jìn)入課題以來，顧老師給了我無私的關(guān)懷和幫助，在此，我衷心的感謝顧老師對我的關(guān)懷和愛護(hù)。ne ALLAOUA Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle Swarm Optimization Strategy Bechar University, Department of Electrical Engineering, BP 417 BECHAR (08000)Algeria12 卞金洪 基于 Matlab 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真,鹽城工學(xué)院 信息工程學(xué)院， 江蘇 鹽城 22400113 ： 10310714 張麗華，電動叉車用直流斬波調(diào)速器，起重運輸機(jī)械，1999，(3)：232515 Bord .,Novotny Control of VSIPWM Trans .IA,1985,21(2)致謝致謝本人在做畢業(yè)設(shè)計過程中，得到了導(dǎo)師顧和榮教授的精心指導(dǎo)和鼓勵。闡述了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型構(gòu)建及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電動機(jī)本體模塊等參數(shù)的設(shè)置。 從仿真結(jié)果可以看出模型及參數(shù)設(shè)置的正確性。 從仿真結(jié)果可以看出， 若給定信號為10V，電動機(jī)起動時，在電流調(diào)節(jié)器作用下電機(jī)電樞電流接近最大值，使得電機(jī)以最優(yōu)時間準(zhǔn)則開始上升，最高轉(zhuǎn)速為90rad/s，超調(diào)量為35%。仿真參數(shù)選擇，仿真時間Start time設(shè)為0，Stop time設(shè)為10，其他設(shè)置可以參考開環(huán)系統(tǒng)仿真設(shè)置。圖51 基于電氣原理圖的系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真結(jié)果 a)轉(zhuǎn)速波形b)電流波形c)轉(zhuǎn)矩波形a)轉(zhuǎn)速仿真波形 b)電流仿真波形 c)轉(zhuǎn)矩仿真波形圖52 系統(tǒng)仿真結(jié)果從轉(zhuǎn)速，電流和轉(zhuǎn)矩波形可以看出來在與轉(zhuǎn)速成一定比例的負(fù)載下，轉(zhuǎn)速在1s內(nèi)迅速上升最后穩(wěn)定在67rad/s電流穩(wěn)定在130A這與任務(wù)要求的額定電流130A相符。第5章 MATLAB 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真 第5章MATLAB雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真直流電動機(jī)參數(shù)計算[10]已知某直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)主回路與直流電動機(jī)的主要參數(shù)如下：電動機(jī)： 主回路： 轉(zhuǎn)動慣量： 計算得到此直流電動機(jī)的相關(guān)參數(shù)： 反電動勢系數(shù)：轉(zhuǎn)矩常數(shù)：電磁時間常數(shù)：直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)[11] 由前文的式(325)可知基于電氣原理圖的直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)電動機(jī)模型位于SimPowerSystems工具箱下machines庫中的DC machines 和DiscreteDC machines分別是直流電動機(jī)和離散直流電動機(jī)模型F＋和F:此端子為直流電動機(jī)勵磁電路控制端子，分別連接勵磁電源的正極與負(fù)極[12]A＋和A: 電動機(jī)電樞回路控制端；TL：電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號輸入端；m: 電動機(jī)信號的測試端，包括轉(zhuǎn)速w(rad/s),電樞電流Ia(A)，勵磁電流If(A)，電磁轉(zhuǎn)矩Te()。因二者疊加之和大于電池電，所以電流經(jīng)二極管D2流向電池正端，即向電池回饋電能。此時，由于電機(jī)勵磁線圈大電感的作用，勵磁電流方向不變，因而磁場方向不變(勵磁線圈兩端感生出上負(fù)下正的感生電動勢)。本課題中，結(jié)合換向的考慮，采用了如下的正反轉(zhuǎn)及回饋制動電路如圖45所示：其原理解釋如下:正常運轉(zhuǎn)時，回饋制動開關(guān)打在右邊，使電動機(jī)處于正常的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過切換正反轉(zhuǎn)接觸器，可以使電機(jī)運行在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)，功率MOSFET管用來實現(xiàn)PWM調(diào)速。電原理圖如下所示。反接制動，即是通過反接電樞(圖43)或反接勵磁線圈的方式，是電機(jī)產(chǎn)生一個與電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反的制動轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到快速制動的目的。能耗制動是指去掉電機(jī)的外加電壓，在電樞回路內(nèi)串入電阻，使電機(jī)儲存的能量在串入的電阻上消耗掉的一種制動方法，為具休說明，給出了下面的示意圖。由于電樞電流一般較大，對電樞電流進(jìn)行切換，必須選擇功率較大的元器件，提高了設(shè)備的造價，另一方面也增大了設(shè)備的切換損耗。電樞反接的切換方式是指保持磁場方向不變，改變電樞電流的方向。圖41 勵磁電壓正反接原理圖圖中以接觸器來完成對勵磁電壓的反向。勵磁線圈反接，是指將勵磁電壓反接，從而造成磁場反向，并最終使電機(jī)轉(zhuǎn)速反向。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。1)作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 (即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。本文中便是如此。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)控制系統(tǒng)中普遍的得到應(yīng)用。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。圖312 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：1)飽和非線性控制。直到時，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速n才達(dá)到峰值(時)。第Ⅲ階段(以后)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。與此同時，電動機(jī)的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。第Ⅰ階段()是電流上升階段。速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)作用速度環(huán)是由ASR和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差，直到，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖310所示：速度、電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，且?guī)薹δ?。實際生產(chǎn)中，有許多生產(chǎn)機(jī)械很大一部分時間是工作在過渡過程中。當(dāng)較大，即時，則二極管VD導(dǎo)通，電流截止負(fù)反饋起作用，減小，下降，下降到允許的最大電流。但是，這種作用只應(yīng)在啟動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常時又得取消，讓電流自由隨著負(fù)載增減。在這些情況下，由于閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性很硬，若沒有限流環(huán)節(jié)的保護(hù)，電樞電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。由于電樞電阻很小，所以起動電流是很大的。測速反饋信號，南轉(zhuǎn)速成正比，有： 稱為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。該調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖如圖34所示：圖34 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)速的檢測方式很多，有測速發(fā)電機(jī)、電磁感應(yīng)傳感器、光電傳感器等。與電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓與給定電壓Us相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓UK用以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。一般要求，調(diào)速范圍，靜差率s小于等于5%，又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨的電動機(jī)拖動，鋼材在幾個機(jī)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，必須使調(diào)速范圍，%%，在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。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。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器[6]有下列優(yōu)點：1)電流一定連續(xù)。由于本論文只用到了可逆調(diào)速，因而在這里只對可逆調(diào)速進(jìn)行著重分析，可逆調(diào)速： 為直流電源電壓，C為濾波電容器，VT為功率開關(guān)器件，VD為續(xù)流二極管，M為直流電動機(jī)，VT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。直流脈寬調(diào)制是利用電子開關(guān)．將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成為一定頻率的方波脈沖電壓，然后再通過對方波脈沖寬度的控制改變供電電壓大小與極性．從而達(dá)到對電動機(jī)進(jìn)行變壓調(diào)速的一種方法。本章主要闡述了直流電動機(jī)的分類，詳細(xì)說明了串勵電動機(jī)的運動特性，并給出了串勵電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的具體推導(dǎo)過程，完成了串勵電動機(jī)的數(shù)學(xué)建模。因而無法用經(jīng)典的控制理論對其進(jìn)行校正。矩—轉(zhuǎn)速特性：串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性是指時 (25)從電動機(jī)的電壓方程可知 (26)式中。從轉(zhuǎn)矩公式可知， (22)輕載時，串勵磁動勢較小，磁路處于不飽和狀態(tài)，為常值，于是 (23)即電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流的平方成正比。這是串勵電動機(jī)的特點。先說明轉(zhuǎn)速特性。具有復(fù)勵方式的直流電機(jī)，主極鐵心上裝有兩個勵磁繞組，一個是與電樞并聯(lián)的并勵繞組，另一個是與電樞串聯(lián)的串勵繞組，如圖21d所示。自勵式：在自勵式發(fā)電機(jī)中，利用自身發(fā)出的電流勵磁，在自勵式電動機(jī)中，勵磁繞組和電樞繞組由同一電源供電。 最后在詳細(xì)分析調(diào)速系統(tǒng)的原理和要求的靜態(tài)、動態(tài)性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計直流脈寬調(diào)速電路，建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。目前的發(fā)展方向是大型化和智能化。目前，國外主要電氣公司，如德國的西門子公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的GE公司等，均已開發(fā)出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的應(yīng)用產(chǎn)品供選用。從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用，計算調(diào)節(jié)器參數(shù)以達(dá)到轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制要求。直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過載能力大、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。但是直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。隨著我國人民生活水平的不斷提高，以及國家推動消費的各項政策出臺，旅游業(yè)不斷繁榮。近幾年來，由于能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大問題的日益嚴(yán)重，加之科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展電動車自身難點的不斷解決，使電動車具有更多突出的優(yōu)點。近幾年雖然交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。直流電動機(jī)的調(diào)速的方法有：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U、減弱勵磁磁通F、改變電樞回路電阻R。最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。因而，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)迅速發(fā)展，晶閘管變流技術(shù)也日益成熟，直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。因此采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)來獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。目前，國外的第四代產(chǎn)品以微處理器為基礎(chǔ)，具有控制、監(jiān)視、保護(hù)、診斷及復(fù)原等多種功能．近年來，各國學(xué)者正致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用監(jiān)測定子電壓、電流等容易測量的物理量進(jìn)行速度估算，以取代速度傳感器，這種控制方式不需要監(jiān)測硬件，也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應(yīng)性、安裝維護(hù)等麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本，引起了國內(nèi)外學(xué)者廣泛的興趣。對復(fù)雜的電氣自動化系統(tǒng)進(jìn)行在線實時控制，技術(shù)已過關(guān)，尤其使用單片機(jī)使控制更方便、可靠，更容易調(diào)節(jié)參數(shù)。其中具體介紹系統(tǒng)主電路、PWM信號發(fā)生電路、雙閉環(huán)控制電路、動態(tài)參數(shù)等幾部分內(nèi)容的設(shè)計過程。永磁式直流電機(jī)通常亦歸屬于這一類。勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)的就是串勵式，如圖31c所示。工作特性：串勵電動機(jī)的工作特性是指時，n，或n。當(dāng)負(fù)載增加時，增加時，使使電樞回路的電阻壓降增大，此時串勵磁動勢和主磁場亦同時增大，這兩個因素都促使轉(zhuǎn)速下降，所以串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的增加而迅速下降。再看轉(zhuǎn)矩特性。圖23中同時顯示除了串勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。由式29至式213可以看出，該方程組為非線性方程組。在式214至式218所示的方程組中若忽略粘滯摩擦系數(shù)，且把視為系統(tǒng)的擾動而暫不考慮，令,，,對上述方程組兩端取拉式變換得： 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