【正文】 性價(jià)比也越來(lái)越高 ,原來(lái)的方法已完全不能適應(yīng)電路的要求。 2) 略去電樞電感 aL ，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為： 其傳遞函數(shù)為： 1/1)( )()( ???? sT CsU ssWmea? 其中： 2CRJCC RJT ameam ????? 3) 當(dāng)負(fù)載中含有隨轉(zhuǎn)速成比例變化的粘性摩擦負(fù)載，即 ???? lll KTT 1 時(shí)，結(jié)構(gòu)圖如下 ： 其中轉(zhuǎn)矩系數(shù) fem IMpCCC ????? 4) 忽略電樞電感但需要計(jì)入粘性摩擦負(fù)載時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 由上圖可得直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)： ? ?? ? 1)( ???????????sCCKR RJCCKRCsUssWmelaamelama? 以上四種的討論都是就恒定磁場(chǎng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)而言，而永磁直流電動(dòng)機(jī)只不過(guò)是用永久磁鐵代替了恒定他勵(lì)電動(dòng)機(jī)達(dá)到勵(lì)磁繞組， 故兩者具有相同的等效電路，如下圖： 當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)用于伺服系統(tǒng)時(shí)，常常要考慮帶有粘性負(fù)載的情況。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能會(huì)略有降低 [4， 8]。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： sonsonsond U)1Tt2(UT tTUTtU ????? 若占空比ρ和電壓系數(shù)γ的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：γ =2ρ 1 就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。 圖 3— 6 雙極式控制可逆 PWM 變換器的驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關(guān)系是： Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。當(dāng) VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 Us 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 第三章 PWM 脈寬調(diào)制 PWM 基本介紹 自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器 — 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 ( sT 和 oiT 一般都比 lT 小得多 ,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ) （ 2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： i? %≤ 5%，且 ???? ilTT，可按典型Ⅰ型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。至于轉(zhuǎn)速環(huán) ,穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差是最根本的要求 ,所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè) 計(jì)為Ⅱ型系統(tǒng)。設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)如式 (4): )12( 1)( ?? sssW obj （ 4） 若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng) ,則調(diào)節(jié)器僅僅是一個(gè)比例環(huán)節(jié) ,若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng) ,則調(diào)節(jié)器必須含有一個(gè)積分環(huán)節(jié) ,并帶有一個(gè)比例微分環(huán)節(jié) ,以便消除被控對(duì)象的一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ,故調(diào)節(jié)器采用如式 (5)的 PI 調(diào)節(jié)器。 建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是： 1. 概念清楚、易懂； 2. 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記； 3. 不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； 4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)明的計(jì)算公式； 5. 適用于各種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。開始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值， ASR 的給定電壓 gnU 與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 fnU 相平衡，輸入偏差 nU? 等于零。當(dāng)突加給定電壓 gnU 時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動(dòng)機(jī)還來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)（ n=0），轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 0?fnU ，這時(shí)，fngnn UUU ??? 很大，使 ASR 的輸出突增為 gioU ， ACR 的輸出為 koU ，可控整流器的輸出為 doU ，使電樞電流 aI 迅速增加。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α = *nmU / maxn 。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 的作用使輸入偏差電壓Δ U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī) 電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié) ,可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來(lái)得及發(fā)生改變時(shí) ,迅速使電流恢復(fù)到原來(lái)值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 [1， 5， 6， 8]。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)降落 %maxn? 。 3）調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢。自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。這表明平行機(jī)械特性低速時(shí)靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性就越差。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系 統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 — 直流電動(dòng)機(jī) (V— M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。 長(zhǎng)期以來(lái) ，直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于工程過(guò)程中。 1957 年晶閘管問世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直在直流傳動(dòng)中占主導(dǎo)地位。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn)。但這種調(diào)速方法后來(lái)被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。從 60 年代起，國(guó)外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速已開始重視。 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目 的和意義 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng) , 采用轉(zhuǎn)速 、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性 。 3. 建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算其參數(shù)； 4. 進(jìn)行數(shù)字仿真，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)； 5. 完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。對(duì)于圖 2— 1 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落1edn? = 2edn? ，但由于 0102 nn ? ，因此 12 ss ? 。 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。超調(diào)量越小，則相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。 對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng) ,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過(guò)速度調(diào)節(jié)器 、 電流調(diào)節(jié)器來(lái)修正觸發(fā)器的移相電壓 ,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化 ,從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說(shuō)，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 定與反饋值計(jì) 算有關(guān)的反饋系數(shù)。 第一階段是電流上升階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) ASR 發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速。 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。 為了解決上述問題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。接下來(lái)可用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問題。基于此 ,在轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,電流環(huán)的一個(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值 ,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問題 ,所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為Ⅰ型系統(tǒng) ,電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以此為限定條件。 計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)： AVIUnim 12* ???? ?? ????????? m i 0 0 015*rVnUnnm? 一 . 電流環(huán)的設(shè)計(jì) （ 1）確定時(shí)間常數(shù) a) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sTs ? ；（見附錄表一） 電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT = s（三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1～ 2） oiT =，因此取 oiT =2ms=） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和 按小時(shí)間常數(shù)近似處理 sTTT oisi ???? 。 （ 3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) shT nn 2 1 ?????? 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：22222 152 1 ???? ????? sThhKnN ASR 的比例系數(shù)： ? ? 1 ????? ???????nmen RTh TChK ? ? 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 （ 4）近似校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速截止頻率為： 111 ?? ????? ssKK nNN ??? ①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： i sT ??????? 15 1，滿足條件； ②轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：oni ssTT ???????? ?? 11 0 3 1312 131 （ 5）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)， %?n? ,不能滿足要求 .按 ASR 退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量 : %,%m ax ??bCC rC RInedn ????? ，滿足設(shè)計(jì)要求。 直流斬波器 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理如圖 3— 1a 所示，其中 VT 用開關(guān)符號(hào)表示任何一種電力電子器件， VD 表示續(xù)流二極管。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 圖 3— 5 橋式可逆 PWM 變換器 雙極式控制可逆 PWM 變換器的 4 個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖 3— 6 所示。圖 3— 6 所示的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過(guò)程中， 4 個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。由諸式可畫出直流電動(dòng)機(jī)在獨(dú)立電樞電壓和磁場(chǎng)控制下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 圖 43 1) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)恒定時(shí)，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為下圖形式： 其傳遞函數(shù)為： ? ? 1/1)( )( 2 ??????? sTsTT CsU ssWmamea? 或?qū)懗桑? 222 /)(nnen ss CsW ???? ????? 式中 : man TT ??1?固有振蕩頻率 ζ = amTT衰減系數(shù)或阻尼比 eC = ??eK = ??mK = mC = C電勢(shì)系數(shù)或轉(zhuǎn)矩系數(shù) 2CRJT am ?? 電動(dòng)機(jī)的電氣機(jī)械時(shí)間常數(shù) 當(dāng)ζ〈 1 時(shí)，輸出響應(yīng)是振蕩的； 當(dāng)ζ≥ 1 時(shí)，輸出響應(yīng)是非振蕩的； 當(dāng)ζ 2,即 Tm4Ta 時(shí)，傳遞函數(shù)可寫成如下形式： )1)(1(/1)( )()( ?????? sTsT CsU ssWmaea? 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 次式表明，在外施階躍電壓作用下，首先產(chǎn)生由于時(shí)間常數(shù) aT 而滯后的電樞電流，然后下一步輸出因 mT 滯后的響應(yīng)速 度。過(guò)去常用數(shù)學(xué)和物理這兩種方法 ,它們對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)模較小的一般電路是可行的。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 34 圖 5— 1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 35 仿真結(jié)果如下： 用繪圖命令 plot(tout , yout) 在 MATLAB 命令窗口里繪制圖形，觀察仿真輸出，如下圖所示： 仿真結(jié)果說(shuō)明：轉(zhuǎn)速和電流滿足設(shè)計(jì)所需的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。系統(tǒng)仿真就是用模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真能夠?yàn)楦鞣N試驗(yàn)提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。 本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)部分的