【正文】 回饋制動(dòng) 第3章 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速及其雙閉環(huán)控制 晶體管脈寬調(diào)制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬調(diào)制電源特點(diǎn)：電流脈動(dòng)小，電樞電流容易連續(xù)，不用在主回路中串入大電感，僅靠電樞電感就可濾波。于是電磁轉(zhuǎn)矩 (27)由此可解出 (28)圖24表示串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性，從圖中可見，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，這種特性稱為軟特性。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載[4]運(yùn)行，因?yàn)榭蛰d時(shí)I很小，主磁通亦很小，使轉(zhuǎn)速極高，產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象，十分危險(xiǎn)。圖中為電樞電壓，U為電機(jī)兩端電壓為電樞電流，為勵(lì)磁電流圖21 直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式分類a） 他勵(lì)式 b)并勵(lì)式 c)串勵(lì)式 d)復(fù)勵(lì)式第2章 串勵(lì)電機(jī)的特性及建模 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性在本論文中電動(dòng)游覽車通常使用的就是前文中所提到的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的接線圖如圖22所示。利用Matlab軟件中的Simulink工具箱對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并在給定系統(tǒng)各種參數(shù)的條件下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真，通過查看仿真波形和數(shù)據(jù)，既可獲得參數(shù)整定的依據(jù)，又可驗(yàn)證本調(diào)速系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、模糊控制等各種智能控制策略正在不斷涌現(xiàn)。至今在金屬切削機(jī)床、軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙機(jī)等需要高調(diào)速性能的各類可控電力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動(dòng)，直流調(diào)速到目前為止仍是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速)以上作小范圍的弱磁升速。電動(dòng)游覽車作為旅游觀光用車，市場(chǎng)需求量不斷加大，因而對(duì)于電動(dòng)游覽車核心部分——直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)與研究具有較大的可行性及較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而對(duì)于可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可以分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。由于在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。 國(guó)外在集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方面已有定型成套裝置。 78第2章 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性及其建模 直流電動(dòng)機(jī)的分類 直流電機(jī)按照勵(lì)磁繞組的供電方式可以分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類[2]：他勵(lì)式：他勵(lì)式直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組由其他電源供電，勵(lì)磁繞組與電樞繞組不相連接，如圖21a所示。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)[3]是電樞電流與勵(lì)磁電流相等，即。所以串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為式中，為輸出功率等于時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型[5]的等效模型如圖25圖25 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的等效模型根據(jù)基爾霍夫定律可以列出以下方程： (29) (210) (211) (212) (213)其中，為電樞繞組電感，為電機(jī)的飛輪矩，為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩函數(shù)，為阻尼系數(shù)。系統(tǒng)低速特性穩(wěn)定調(diào)整范圍寬，且無需另加設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速。在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動(dòng)能力，只能單象限運(yùn)行。圖32 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題 調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。如圖33所示圖33 轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)[7]是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，他就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。 電流截止負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋的提出：根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的平衡方程式可知，電樞電流Id為： (31)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)直流電機(jī)起動(dòng)時(shí)突然加上給定電壓，由于存在機(jī)械慣性，所以不可能立即轉(zhuǎn)動(dòng)起來，即n=0，則其反電動(dòng)勢(shì)E=0。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)，根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。這對(duì)一般要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已經(jīng)滿足了要求。電流環(huán)的調(diào)節(jié)過程如圖311所示直至，,調(diào)節(jié)過程結(jié)束穩(wěn)態(tài)時(shí)：其物理意義：當(dāng)Usi為一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用，圖39 速度電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖整流裝置的電流將保持在的數(shù)值上。當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定恒值，也就是說，應(yīng)略小于。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一段震蕩過程。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。1)對(duì)負(fù)載變化其抗擾作用。本章主要闡述了直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)以及轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)，說明了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)在調(diào)速方面的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。但是，這種方法也有其弱點(diǎn):在勵(lì)磁換向的瞬間，磁通瞬時(shí)過零，此時(shí)若電樞電壓仍作用在電機(jī)上，電機(jī)會(huì)發(fā)生飛轉(zhuǎn)，造成設(shè)備損壞或人身傷害事故。但是出于對(duì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)回饋制動(dòng)的考慮，選擇了第二種換向方式，即電樞反接的換向方式?；仞佒苿?dòng)是指將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電能回鎖給電源，即對(duì)電源進(jìn)行充電。此時(shí)即電流反向。反向接觸器閉合后，B點(diǎn)的電位將為正，A點(diǎn)的電位為負(fù)，電樞上的電流反向。通過選擇Look under the mask可以查看電機(jī)的模型基于數(shù)學(xué)模型的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真得到系統(tǒng)開環(huán)控制的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖建立串勵(lì)電機(jī)的Matlab仿真模型是在做畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到的最大的困難，在咨詢老師和閱讀了大量的資料后發(fā)現(xiàn)，在做Matlab仿真時(shí)串勵(lì)電機(jī)仿真模型的負(fù)載與轉(zhuǎn)速是成一定的比例關(guān)系，如圖51所示。控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器 ASR 設(shè)置輸出限幅，以限制最大起動(dòng)電流。介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)以及轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)，說明了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)在調(diào)速方面的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。置身其間，耳濡目染，使我不僅接受了全新的思想觀念，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多的道理。隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高，以及國(guó)家推動(dòng)消費(fèi)的各項(xiàng)政策出臺(tái)，旅游業(yè)不斷繁榮。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速)以上作小范圍的弱磁升速。至今在金屬切削機(jī)床、軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙機(jī)等需要高調(diào)速性能的各類可控電力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動(dòng)，直流調(diào)速到目前為止仍是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 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(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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。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(dòng)機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 研究主要成果 目前，國(guó)外主要電氣公司，如德國(guó)的西門子公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國(guó)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。 對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)目前的發(fā)展方向是大型化和智能化。 主要參考文獻(xiàn) [1] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社2006．[2] 王春會(huì). 新一代開關(guān)電源芯片SG3525 工作原理剖析 [J]．遼寧師專學(xué)報(bào)，2009(4)：2325．[3] 劉細(xì)平等 基于SG3525控制的雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)[J]．電工技術(shù)，2003(10)：2830．[4] 王兆安等．電力電子技術(shù)[M]．北京：北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．[5] 徐科軍．一種基于SG3525的可逆直流脈寬調(diào)速[J]．通訊電源技術(shù)[6] ：[7] Idea and design[8] 鄧開連。 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右。ne ALLAOUA Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle Swarm Optimization Strategy Bechar University, Departement of Electrical Engineering, BP 417 BECHAR (08000)14) Bord .,Novotny Control of VSIPWM Trans .IA,1985,21(2)15) Patel .,Hoft Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inventers:Part 1Harmonic ,1997,9(3)附錄附錄4外文文獻(xiàn)翻譯直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的建模與仿真摘要 直流串勵(lì)電機(jī)是需要高轉(zhuǎn)矩/速度之比為機(jī)電應(yīng)用的首選。在一個(gè)典型的應(yīng)用包括人類操作員駕駛一臺(tái)直流電機(jī)通過一個(gè)油門踏板或一根桿。一種開環(huán)的數(shù)字速度控制的基礎(chǔ)上,最后提出了一種IGBTs和這里發(fā)展起來的。最后,合模擬了電機(jī)和電機(jī)速度控制運(yùn)用于精煉和調(diào)試該控制器設(shè)計(jì),甚至在它的建模之前。在以前的工作,由其他作者的反彈道導(dǎo)彈已應(yīng)用于施工做了詳細(xì)的IGBT模型[3]。這是進(jìn)行控制的功率輸出階段通常由電力半導(dǎo)體元件:二極管整流器、IGBT,MOSFET等,[6]。3。如果變阻器連接丟失分流電阻Rpp確保Vcond到零。這樣的脈沖寬度的各不相同,根據(jù)Vcond 256個(gè)步驟。 除了保護(hù)損失的踏板,另一種是執(zhí)行上述保護(hù)功能以及使用電壓電流傳感器和溫度傳感器的需要。 模擬行為建模的直流系列電動(dòng)機(jī) Eqs(1)(5)提供了一個(gè)數(shù)學(xué)模型,為直流系列電動(dòng)機(jī)適用于本文的目的[2,5]。在結(jié)合(5)和(2) 磁化特性的電動(dòng)馬達(dá)的通常是按照一組測(cè)量點(diǎn)的Ea vs。(4)。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了以允許renement測(cè)量參數(shù)。它由四個(gè)基本積木:踏板信號(hào)護(hù)發(fā)素,單片機(jī),門司機(jī)和輸出功率的階段。只有模型是不能在這個(gè)IGBT模塊庫(kù),但是它可以輕易地從制造商的網(wǎng)絡(luò)信息的網(wǎng)站下載。圖8a顯示情節(jié)的穩(wěn)態(tài)電流注入通過模擬一個(gè)直流電機(jī)獲得50%的責(zé)任周期和頻率2,100赫茲。 電流瞬變函數(shù)圖。這種方法得到了進(jìn)一步的應(yīng)用發(fā)展中的一個(gè)轉(zhuǎn)速控制,為一個(gè)1點(diǎn)直流系列電動(dòng)機(jī)。 PSPICE能詳細(xì)時(shí)表現(xiàn)的電子與電力電子模塊包括制造商提供模塊,ABM實(shí)用工具使精確的描述電機(jī)的機(jī)電特性。確定了合適的模擬中幫助的起始條件和適當(dāng)?shù)碾娏﹄娮釉O(shè)備。這兩個(gè)數(shù)字之間的協(xié)議也是令人滿意的。這它的執(zhí)行允許調(diào)試和調(diào)整的初步設(shè)計(jì)均勻之前。 表示一個(gè)詳細(xì)的微控制器就沒有必要,那是不現(xiàn)實(shí)的,除此之外,為桌上型電腦被應(yīng)用于這項(xiàng)工作。值的變量和參數(shù)用于模擬如下:Rt 55 mX、J 0:06,對(duì)kgm2 12v(摩擦系數(shù),A和A0),Cp一萬個(gè)低頻和寄生電感Lc被忽視了。在結(jié)合Eqs。這個(gè)值通常相當(dāng)于電機(jī)銘牌的名義或速度。 圖模塊1是一個(gè)串聯(lián)支路對(duì)應(yīng)Eq的元素。1） 利用直流系列電動(dòng)機(jī)模型模擬行為模塊摘要機(jī)電方程,描述行為的直流系列電動(dòng)機(jī)給出如下。然而,如果方便的話這種線性特征能容易地改變。然后OpAmp輸出的1進(jìn)入D1允許兩種不同的時(shí)間常數(shù),一為加速和其他為減速。一個(gè)單處理器取代模擬模塊和與之相關(guān)的幾種離散組件[1]。主要保護(hù)的一個(gè)列表功能如下:。2。當(dāng)一些這些包裹提供通用模型的各種電力電子設(shè)備和/或機(jī)電組件的使用,其他制造商提供方便specic裝置模型以及用戶的發(fā)展模型。 設(shè)計(jì)原型通常是實(shí)現(xiàn)機(jī)電由一個(gè)嘗試和錯(cuò)誤的過程,其中,大部分是非常昂貴又費(fèi)時(shí)。這樣的一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用在開環(huán)或是閉環(huán)情況下[8]。不斷嘗試的設(shè)計(jì)既昂貴又費(fèi)時(shí)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的等效圖如下圖：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的等效圖則可以列出以下方程：1)2)3)4)5) 其中，為電樞繞組電感，為電機(jī)的飛輪矩，為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩函數(shù)，為阻尼系數(shù)。工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置2010，(2)：3436，67[9] 張麗華，電動(dòng)叉車用直流斬波調(diào)速器，起重運(yùn)輸機(jī)械，1999，(3)：2325[10] 劉海燕，基于Matlab的直流電動(dòng)機(jī)斬波調(diào)速系統(tǒng)，煤礦機(jī)械[11] 朱立圣,直流電機(jī)閉環(huán)控制技術(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(lì)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),南京工程學(xué)院，江蘇南京210013[13] Boumedi232。由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，于是給出了國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。國(guó)外在集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方面已有定型成套裝置。但缺點(diǎn)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。三、設(shè)計(jì)(研究)方案本設(shè)計(jì)方案總框圖如下圖所示：蓄電池直流供電直流直流電動(dòng)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(cè)轉(zhuǎn)速檢測(cè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SG3525PWM發(fā)生電路本設(shè)計(jì)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(hào)，根據(jù)正負(fù)脈沖占空比的不同，實(shí)時(shí)地控制雙極式H型橋式可逆變換器中電力