【正文】 是指調(diào)速系統(tǒng)在額定功率下，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個(gè)最低速度就是額定速度，比如： 1： 2，假定該調(diào)速系統(tǒng)的額定速度為 1000rpm，則其最高運(yùn)行速度為 2020rpm。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU ，圖中用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)節(jié)器的作用。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。 由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波 ，濾波時(shí)間常數(shù)用 onT 表示。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電 流或轉(zhuǎn)矩。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 圖 23 帶電流截至負(fù)反饋得單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程 在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng) 系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 的恒流 過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過(guò)程。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速和電流波形 由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)過(guò)渡過(guò)程也就分成三段，在圖中分別標(biāo)以 I、和 III。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。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)， 0dU 和 dU 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 dI 恒定。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后， ASR 輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即 ACR的給定電壓立即從限幅值降下來(lái)，主電流 dI 也因而下降。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 與 ACR 都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過(guò)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(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)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。這就是說(shuō)，采用 PI 調(diào)節(jié)器的雙武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。因此，不可逆的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然有很快的起動(dòng)過(guò)程，但在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車(chē)。這時(shí)，在起動(dòng)的第Ⅲ階段內(nèi)，電流很快下降到零而不可能變負(fù)，于是造成斷續(xù)的動(dòng)態(tài)電流，從而加劇了轉(zhuǎn)速的振蕩，使過(guò)渡過(guò)程拖長(zhǎng)，這是又 一種非線性因素造成的。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。這就是說(shuō)， 0nA? 段靜特性從 dI =0 （理 想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 d dmII? 。穩(wěn)態(tài)時(shí) *imd dmUII??? 最大電 流 dmI 是設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加度所描述的靜特性是圖 26中的 AB段。這就是采用了兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這些關(guān)系反映了 PI 調(diào)節(jié)器不同于 P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 三、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)初始條件 采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂?PWM 脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制 H電路中對(duì)電機(jī)速度的控制。對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管裝置。 因此， ABU 在一個(gè)周期內(nèi) 具有正負(fù)相間的脈沖波形。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI調(diào)節(jié)器 UPE 環(huán)節(jié)的電路波形分析 圖 43 繪出了雙極式控制時(shí)的電壓和電流波形。圖 4 所示的波形是電動(dòng)機(jī)工作在正向電動(dòng)時(shí)的情況。 d2i 相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20 于是二極管終止續(xù)流，而反向開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。 調(diào)速時(shí)， ? 的可調(diào)范圍為 0~1 ，相應(yīng)地， 1~ 1? ?? ? 。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù) lT 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT ，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 0??E ，這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，得到的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖 44。各變量之間的關(guān)系： 0nnUU nn ?? ???? dmdii IIUU ?? ???? 令 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入和輸出最大值都是 V10 ，額定轉(zhuǎn)速 min/1000 rnN ? ，額定電流 AIN 55? ， 最大電流 dm d=II? ， ? 為過(guò)載倍數(shù) ，一般取為 。 4）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 ciois sTT ?????? ? 131131 滿(mǎn)足近似條件。 ??11?sTo n1?sTo n?)( sUn?A S R)( sUi?111?sKI?)( sId)( sId L)( sn??sTCRme圖 47 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 ?/)(sUn? ，再把時(shí)間常數(shù) IK/1 和 onT 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 26 一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 nT? 的慣性環(huán)節(jié)，其中onIn TKT ??? 1. ??A S R)( sId)( sId L)( sn??TC sRme1/?? sT n???)(* sU n圖 48 等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中。為了分析方便，引入一個(gè)新的變量 h ，令 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 27 12??? ??Th h 是斜率為 decdB/20? 的中頻段的寬度，稱(chēng)作中頻寬。 可得 222211 2 12 1)1(2 1 ThhhhThK c ??????? ??? 可知轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益 NK 為 222 1nN ThhK ??? 因此 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 28 nmen RTh TChK??? ??2 )1( 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計(jì)算 已知 ??iITK ， sT i ?? ，電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： sTK iI ???? ? 令 sTon ? ，則小時(shí)間常數(shù)近似處理的時(shí)間常數(shù)為： sTKT onIn ?????? 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 5?h ，則 ASR 的超前時(shí)間常數(shù)為： shT nn 1 3 2 7 ???? ?? 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為： 22222 2 7 152 1 ?? ??????? sThhKnN 則 ASR 的比例系數(shù)為： 2 7 0 6 8 3 4 )1( ????? ?????? ? n men RTh TChK ? ? 參數(shù) 校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為： 11 3 5 9?????? sKK nNN ??? 1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)條件 iI sTK ????? ?? 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 29 滿(mǎn)足 簡(jiǎn)化要求。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口 (GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶(hù)可以立即看到系統(tǒng) 的仿真結(jié)果。 Simulink 與 MATLAB 緊密集成，可以直接訪問(wèn) MATLAB 大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的 定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 (4) 運(yùn)行后便可通過(guò)模擬示波器觀察波形。 電流環(huán)的仿真中， 在直流電動(dòng)機(jī)的恒流升速階段，電流值低于 NI? ，其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)的擾動(dòng)，它是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，所以系統(tǒng)做不到無(wú)靜差而是 dI 略低于 dmI 。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 34 六、心得體會(huì)及小結(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器串級(jí)連接，轉(zhuǎn)速反饋環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。由于電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)的起、制動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中電流的波形接近于理想的最佳過(guò)渡波形。在特性上，轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)作用保證了系統(tǒng)無(wú)靜差，電流環(huán)的作用使系統(tǒng)具有較理想的挖土機(jī)下垂特性。 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì) ，我 學(xué)習(xí)與掌握了 電力系統(tǒng)拖動(dòng) 的基本原理及其各種應(yīng)用，對(duì) 調(diào)速系統(tǒng) 的工作原理和設(shè)計(jì)方法有了較深入的了解