【正文】 2. 設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算：= =所以得出結(jié)論：電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)恒定時(shí)，= (2) 略去電樞電感時(shí)， =（4）忽略電樞電感但需要計(jì)入粘性摩擦負(fù)載時(shí) =其中，是由負(fù)載決定的。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。改變兩組開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，也就改變了電壓脈沖的寬度，得到電動(dòng)機(jī)兩端電壓波形如圖3—2 b)所示圖3—2 橋失可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形a)基本原理圖 b)電壓波形如果用ton表示VT1和VT4導(dǎo)通的時(shí)間，開關(guān)周期T和占空比ρ的定義和上面相同，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓平均值為：Ud=(ton/T)*Us [（Tton）/ T]* Us=（2*ton/ T1）* Us=（2ρ1）*Us脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要Ⅱ由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng)—選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)小得多。穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負(fù)載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖2—7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 起動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過(guò)程如圖2—8所示。而，一般都是大于額定電流的。電動(dòng)機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過(guò)整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來(lái)改變。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間：1）上升時(shí)間在典型的階躍響應(yīng)跟隨過(guò)程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過(guò)的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖2—2。然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過(guò)仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。然而，隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，調(diào)速對(duì)變速傳動(dòng)裝置是一項(xiàng)基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動(dòng)系統(tǒng)，在滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無(wú)級(jí)）調(diào)速的同時(shí)，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。1930年以后出現(xiàn)電機(jī)放大器控制的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組供電給直流電動(dòng)機(jī)（由交流電動(dòng)機(jī)M和直流發(fā)電機(jī)G構(gòu)成，簡(jiǎn)稱G—M系統(tǒng)），以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，實(shí)現(xiàn)了直流傳動(dòng)的無(wú)接點(diǎn)控制。從機(jī)械特性上看,就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn),使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場(chǎng)合，提高其使用效率?？箶_動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響[1，6]。當(dāng)給定信號(hào)表示方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。 實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況[1，5，6，8]。兩個(gè)給定電壓的最大值、由設(shè)計(jì)者給定，受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。超調(diào)后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來(lái)，也隨之降了下來(lái)，但是，由于仍大于負(fù)載電流，在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。（4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率，a)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，現(xiàn)為，滿足近似條件；b)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：現(xiàn)為，滿足近似條件；c)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，現(xiàn)為=，滿足近似條件。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為： Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us式中 T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期 ton開通時(shí)間ρ占空比，ρ= ton/T= ton*f，其中f為開關(guān)頻率。當(dāng)ρ1/2時(shí)，γ為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ1/2時(shí)，γ為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ=1/2時(shí)，γ=0，電動(dòng)機(jī)停止。 顯然，若忽略不計(jì)粘性摩擦負(fù)載，則KL=0，此時(shí)，永磁電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)式⑤與前描述式 相同，若電樞電感也可忽略不計(jì)，則式⑤與前述式 相同。總之，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過(guò)的新知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對(duì)，分析，解決新問(wèn)題的能力，不僅學(xué)到了知識(shí)，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。4. 進(jìn)行數(shù)字仿真，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展,電路品種日新月異,規(guī)模越來(lái)越大,同時(shí)對(duì)電路的可靠性、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。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]。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。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(wèn)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)。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)。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)。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)。當(dāng)突加給定電壓時(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，這時(shí)，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。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)。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]。 3）調(diào)節(jié)時(shí)間調(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。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。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)。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)。1957年晶閘管問(wèn)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。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)。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。 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。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。 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)。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。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)。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)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。 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。接下來(lái)可用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)： 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)；（見附錄表一）電流濾波時(shí)間常數(shù)= s（，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1～2）=，因此取=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。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。圖3—6所示的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。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：圖431) 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： 或?qū)懗桑?式中: 固有振蕩頻率 ζ=衰減系數(shù)或阻尼比 = = == C電勢(shì)系數(shù)或轉(zhuǎn)矩系數(shù) 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)ζ2,即Tm4Ta時(shí)，傳遞函數(shù)可寫成如下形式： 次式表明，在外施階躍電壓作用下，首先產(chǎn)