【正文】 或少受擾 動(dòng)的影響。 (2) 打開 MATLAB 中的 Simulink 工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并將其相連。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那么線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 在 上 圖點(diǎn)劃線框的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì) 工作帶來麻煩。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外 環(huán)。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 17 四、 PWMM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 直流 PWMM 調(diào)速系統(tǒng) 整個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖 41所示。 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。如果工藝上不允許超調(diào)，就必須采取另外的控制措施。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 12 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程三個(gè)特點(diǎn)： 飽和非線性控制 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)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流 dI 迅速上升。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程 理想啟動(dòng)過程 由前面的分析可知，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 6 調(diào)速指標(biāo) 調(diào)速范圍（包括：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍 /恒功率調(diào)速范圍） 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍是指調(diào)速系 統(tǒng)在額定負(fù)載下，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)最高速度就是額定速度，比如： 1： 1000，假定該調(diào)速系統(tǒng)的最大（額定速度）為 2020rpm，則其最小運(yùn)行速度為 2rpm。電動(dòng)機(jī)的調(diào) 速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要在。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 7 二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖 21 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的 PI 調(diào)節(jié)器。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正也按線性增長(zhǎng)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。類似的問題還可能在空載起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載電流達(dá) dmI 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。主電路部分采用了以GTR 為可控開關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié) 構(gòu)。如果正、負(fù)脈沖相等，on 2Tt ?，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量%5?i? ，查表可選 ?? ， ??iITK ， 已知 三相橋式電路的平均失控時(shí)間 sTs ? oisi TTT ??? = s0 0 3 0 1 ?? 電流環(huán)開環(huán)增益： 3 50 0 3 ?? ??? sTK iI 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)。這一準(zhǔn)則表明，對(duì)于一定的 h 值，只有一個(gè)確定的 c? 可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值 minrM ，這時(shí) c? 和 1? ， 2? 之間的關(guān)系是 122 ??hhc?? 211 ??hc?? 以上兩式稱 作 minrM 準(zhǔn)則的“最佳頻比”，因而有 ccc hhh ????? 2121221 ?????? )11(21)(21 21 Tc ???? ???? 確定 h 之后根據(jù)上式即可分別求得 ? 和 c? 。 圖 52 雙閉環(huán)仿真 波形 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 33 其中，紅色曲線為電流環(huán)，黃色曲線為轉(zhuǎn)速環(huán)波形。由于要求轉(zhuǎn)速無靜差，此轉(zhuǎn)速環(huán)按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)可逆直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)電樞電流的最大脈動(dòng)量與電源壓 sU 成正比，與電樞電感 L和開關(guān)頻率 f成反比，電樞 PWM電壓的交變分量對(duì)轉(zhuǎn)速的影響是及其微小的。當(dāng)轉(zhuǎn)速超調(diào)后，速度調(diào)節(jié)器退出飽和，對(duì)轉(zhuǎn)速起主要調(diào)節(jié)作用，電流環(huán)成為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。 Simulink 仿真步驟 (1) 在 MATLAB 命令窗口中輸入 simulink， 桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為 Simulink Library Browser 的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng) 該設(shè)計(jì)成 典型Ⅱ系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) 12?? 時(shí)， 0?? ，電動(dòng)機(jī)停止。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在 系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接 ，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM 調(diào)制器。 電機(jī)參數(shù)： uN=220V， IN=136A， Nn=1460r/min； 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù) 2 m in /eC V r? 晶閘管放大系數(shù) 40sK? 電樞回路總電阻 R=； 電磁時(shí)間常數(shù) TL=； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm= 額定轉(zhuǎn)速時(shí)給定 電壓為 10V； 穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量σ i≤ 5%； 空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的過度過程時(shí)間 ts≤ 要求完成的主要任務(wù) （ 1） PWMM 可逆調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)； （ 2） 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)； （ 3） 過程分析 ,參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算與校驗(yàn) 。而 dmI 一般都是大于額定電流 dnomI 的，這就是靜特性的運(yùn)行段。在 一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對(duì)實(shí)際運(yùn)行影響不大。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)， ASR 處于主導(dǎo)地位，而 ACR 的作用則是力圖使 dI 盡快地跟隨 ASR 的輸出 量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 （ 1） 第 Ⅰ 階段 電流上升的階段 突加給定電壓后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù) onT 的給定濾波環(huán)節(jié)。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，首先要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；其次應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。因此，為了使調(diào)速達(dá)到高精度、高準(zhǔn)度的要求，本次設(shè)計(jì)使用了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，以此來組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。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。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 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)允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（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，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，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。 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 起動(dòng)過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)的過載能力，使起動(dòng)過程盡可能最快。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，使過渡過程拖長(zhǎng)，這是又 一種非線性因素造成的。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?？刂?PWM 脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制 H電路中對(duì)電機(jī)速度的控制。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。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? ， ? 為過載倍數(shù) ，一般取為 。 可得 222211 2 12 1)1(2 1 ThhhhThK c ??????? ??? 可知轉(zhuǎn)速環(huán)開環(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)說明書 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：