【正文】 .............................. 7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 ............................................... 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 ................... 11 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 ............................................. 11 起動(dòng)過程分析 ......................................................................................... 11 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析 ................................................................................. 15 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 ......................................... 15 PI 調(diào)節(jié)器 ................................................................................................ 15 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 ................................................................................. 16 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 ......................................................... 16 轉(zhuǎn)速 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 ............................................................... 17 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì) ......................................... 18 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用 ............. 18 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì) ................................................................................. 18 第三章 PWM 脈寬調(diào)制 ............................................. 22 PWM 基本介紹 ................................................. 22 脈寬調(diào)制變換器 ............................................... 22 橋式可逆 PWM 變換器 ........................................... 23 第四章 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 .................................. 26 數(shù)學(xué)模型的建立 ............................................... 26 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換 ......................................................... 26 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ............................................................................................. 27 本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)部分的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算 ........................... 31 第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 .................................... 33 MATLAB 簡介 .................................................. 33 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 ......................................... 33 結(jié) 論 ............................................................ 36 致 謝 ............................................................ 37 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 IV 參 考 文 獻(xiàn) ....................................................... 38 附 錄 ............................................................ 39 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第一章 緒 論 直流調(diào)速概念 直流調(diào)速 [1]是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,以滿足工作機(jī)械的要求。由于電力電子技術(shù)與器件的進(jìn)步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動(dòng)態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高，在 20 世紀(jì)相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)成為調(diào)速傳動(dòng)的主流。直流電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時(shí)，保持勵(lì)磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，保持電樞電壓恒定，可用改變勵(lì)磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。尤其是 70 年代以來，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進(jìn)了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法，和經(jīng)典控制理論的動(dòng)態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，即計(jì)算簡便、應(yīng)用 方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題，等等。它在理論上實(shí)踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) [1， 6]。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，速度穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動(dòng)能力。在 1000r/min 時(shí)降落 10r/min，只占 1%；在100r/min 時(shí)也降落 10r/min，就占 10%；如果 0n 只有 10r/min，再降落 10r/min 時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全都降落完了。 一、跟隨性能指標(biāo) 在給定信號（或稱參考輸入信號） R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時(shí)間。 2）恢復(fù)時(shí)間 ft 從 階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2?c 之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量 bc 的 ? ?%2%5 ?? 或 范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間 ft ，其中 bc稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 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。穩(wěn)態(tài)時(shí)： dI = ?*imU= dmI 其中，最大電流 dmI 取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的 AB 段，它是一條垂直的特性。 電流反饋系數(shù)：β = *imU / dmI 。當(dāng)增加到 La II ? （負(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以 后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出很快達(dá)到限幅值 gimU ，從而使電樞電流達(dá)到所對應(yīng)的最大值 amI （在這過程中 dk UU, 的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的，即 amfigim IUU ??? 式中， ? —— 電流反饋系數(shù)。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 gimU ，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流 amI 下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 圖 2— 8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形 綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （ 1）飽和非線形控制：隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。 1． 抗負(fù)載擾動(dòng) 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù) 的工程設(shè)計(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。仿真結(jié)果如圖 3所示。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts 和電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi 一般都比電樞回本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 路電磁 Tl 小很多 ,可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié) ,取 T∑ i=Ts+Toi。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的 ,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成 PI 型的 . 檢查對電源電壓的抗擾性能 : ???? ssTTil 由附錄表二 ,各項(xiàng)指標(biāo)可接受 . （ 3）選擇 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) ACR 超 前 時(shí) 間 常 數(shù) ?i? lT = ； 電 流 環(huán) 開 環(huán) 時(shí) 間 增 益 ????? ssTK ii ， ACR 的比例系數(shù) ?? ???? siii KRKK ?? 。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： 主電路線路簡單，需用的功率器件少； 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。? 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1： 10000 左右； 若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)； 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗 也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)效率因數(shù)比相控整流器高。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形 u=f(t),如圖 3— 1b 所示，好象是電源電壓 Us 在 ton 時(shí)間內(nèi)被接上，又在（ Tton）內(nèi)被斬?cái)?，故稱為“斬波”。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0≤ tton時(shí)， Uab= Us，電樞電流 id 沿回路 1 流通；當(dāng) ton≤ tT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反相， id沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， Uab=Us。調(diào)速時(shí)，ρ的可調(diào)范圍為0~1，相應(yīng)的，γ =（ 1） ~（ +1）。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 第四章 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 數(shù)學(xué)模型的建立 建立電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法的要點(diǎn)是：首先列寫出電動(dòng)機(jī)主電路電 壓平衡方程式，軸上力矩平衡方程式和勵(lì)磁電路電壓平衡方程式等基本關(guān)系式，加以整理，然后進(jìn)行拉普拉斯變換，根據(jù)此變換，即可求出電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)的表達(dá)式 [1， 10]。此時(shí)，用下列諸式描述起其動(dòng)態(tài)過程： ?? ????? le KsJT ① dml ICT ?? ② ? ?aadea LsRICU ?????? ? ③ 由①、②可得： ? ?? ?lmd KsJCsI s ????④ 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 31 令 me am CCRJT ???為電動(dòng)機(jī)的電氣機(jī)械時(shí)間常數(shù)， aaa RLT ?為電動(dòng)機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)，由③、④式可得： ? ? ? ?? ??????? ?????????? ????????1/12 mlamlmamea TJKsTTJKTsTTCsUssW ?⑤ 式④、⑤分別是以電樞電流 dI 和電樞電壓 dU 為輸入，以角速度ω為輸出時(shí)，永 磁電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)，這兩種表達(dá)式可根據(jù)組成控制系統(tǒng)時(shí)的具體情況來選用， 通常把永磁直流電動(dòng)機(jī)作為電流變換裝置，選取式④較好，因?yàn)橄鄬τ谑舰荩? ④只有 一個(gè)極點(diǎn)。控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)法仿真是一門涉及到控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新興學(xué)科。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時(shí)，進(jìn)一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊(yùn)涵的發(fā)展?jié)摿?，掌握了這一方面未來的發(fā)展動(dòng)態(tài)；第二，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性；第三， ASR、 ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計(jì)算；第四，直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，參數(shù)的計(jì)算；第六， PWM 脈寬調(diào)制系統(tǒng)的