【正文】 壓并不等于零，而是正負脈寬相等的 交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。 本設計中電動機部分的數(shù)據(jù)采集和計算 已知：電動機部分 [9， 10]：電動機電樞端電壓 aU =220V，電動機的電樞電 流 dI =，電樞電路電阻 aR =，轉速 n=1600r/min,額定功率 nP =185w，電樞電路電感 aL =，極對數(shù) p=2，電磁轉矩 M=,角速度ω =1600*2π/60=,頻率 W=50HZ； 勵磁部分：勵磁電壓 fU =220V，勵磁電流fI =,勵磁電路電阻 fR = ,勵磁電路電感 fL =。 本科畢業(yè)設計論文 34 圖 5— 1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真圖 本科畢業(yè)設計論文 35 仿真結果如下： 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： 仿真結果說明：轉速和電流滿足設計所需的靜、動態(tài)性能指標。由諸式可畫出直流電動機在獨立電樞電壓和磁場控制下的動態(tài)結構圖如下所示： 本科畢業(yè)設計論文 28 圖 43 1) 當電動機磁場恒定時，動態(tài)結構圖可化為下圖形式： 其傳遞函數(shù)為： ? ? 1/1)( )( 2 ??????? sTsTT CsU ssWmamea? 或寫成： 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電勢系數(shù)或轉矩系數(shù) 2CRJT am ?? 電動機的電氣機械時間常數(shù) 當ζ〈 1 時，輸出響應是振蕩的； 當ζ≥ 1 時，輸出響應是非振蕩的； 當ζ 2,即 Tm4Ta 時，傳遞函數(shù)可寫成如下形式： )1)(1(/1)( )()( ?????? sTsT CsU ssWmaea? 本科畢業(yè)設計論文 29 次式表明，在外施階躍電壓作用下，首先產生由于時間常數(shù) aT 而滯后的電樞電流，然后下一步輸出因 mT 滯后的響應速 度。圖 3— 6 所示的波形是電動機正轉時的情況。 直流斬波器 電動機系統(tǒng)的原理如圖 3— 1a 所示，其中 VT 用開關符號表示任何一種電力電子器件， VD 表示續(xù)流二極管。 計算反饋關鍵參數(shù)： AVIUnim 12* ???? ?? ????????? m i 0 0 015*rVnUnnm? 一 . 電流環(huán)的設計 （ 1）確定時間常數(shù) a) 整流裝置滯后時間常數(shù) sTs ? ；（見附錄表一） 電流濾波時間常數(shù) oiT = s（三相橋式電路每個波頭是時間是 ，為了基本濾平波頭，應有（ 1～ 2） oiT =，因此取 oiT =2ms=） 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 按小時間常數(shù)近似處理 sTTT oisi ???? 。接下來可用一個實例來說明這個問題。 動態(tài)抗干擾性分析 一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。轉速調節(jié)器在這個階段中起作用。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調節(jié)器的給本科畢業(yè)設計論文 11 定與反饋值計 算有關的反饋系數(shù)。當調節(jié)器飽和時，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使調節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。 動態(tài)性能指標 生產工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以改變電壓調速為主。 研究雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的目 的和意義 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調速系統(tǒng) , 采用轉速 、 電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性 。因此，調速技術一直是研究的熱點。在理論分析和仿真研究的基礎上，本文設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。 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中占主導地位。隨著電力電子學與電子技術的發(fā)展，特別是電力半導體器件的發(fā)展，使得采用半導體變流技術的交流調速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。 本科畢業(yè)設計論文 4 第二章 直流調速系統(tǒng) 直流調速系 統(tǒng)的調速原理及性能指標 直流調速系統(tǒng)的調速原理 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內平滑調速，所以由晶閘管 — 直流電動機 (V— M)組成的直流調速系統(tǒng)是目前應用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉速的相對穩(wěn)定性就越差。 3）調節(jié)時間 st 調節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調節(jié)過程的快慢。另外電流調節(jié)器的小時間常數(shù) , 還能夠對因電網(wǎng)波動引起的電動機 電樞電流的變化進行快速調節(jié) ,可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時 ,迅速使電流恢復到原來值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行 [1， 5， 6， 8]。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。當突加給定電壓 gnU 時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉動（ n=0），轉速負反饋電壓 0?fnU ，這時，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。故雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質。 建立調節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是： 1. 概念清楚、易懂； 2. 計算公式簡明、好記； 3. 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調整的方向； 4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式； 5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。至于轉速環(huán) ,穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求 ,所以轉速環(huán)通常設 計為Ⅱ型系統(tǒng)。 本科畢業(yè)設計論文 22 第三章 PWM 脈寬調制 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)了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器 — 直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調速系統(tǒng)，或直流 PWM 調速系統(tǒng)。 圖 3— 6 雙極式控制可逆 PWM 變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關系是： Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。為了克服上述缺點，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關次數(shù)和開關損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能會略有降低 [4， 8]。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)模越來越大 ,同時對電路的可靠性、性價比也越來越高 ,原來的方法已完全不能適應電路的要求。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為基礎，以計算機為工 具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。 圖 4— 1 上圖為一他勵直流電動機的等效電路，其中： aU E分別為電動機電樞端電壓和反電勢； dI fI 電動機電樞電流和勵磁電流； aR aL 電樞電路電阻和電感； fR fL 勵磁電路電阻和電感； fU 電動機的勵磁電壓； ω 電動機的角速度； J電動機軸上的轉動慣量； eT lT 電動機轉矩和負載阻轉矩。因此， Uab 在一 個周期內具有正負相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。 由于上述優(yōu)點，在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，直流 PWM 調速系統(tǒng)的應用日益廣泛 [4]。這樣 ,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ,電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié) ,要將其設計成典型Ⅰ型系統(tǒng) ,同理 ,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ,轉速環(huán)的被控對象形如式 (2)。 在選擇調節(jié)器結構時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設計方法規(guī)范化，大大減少了設計工作量。 本科畢業(yè)設計論文 15 （ 2）轉速超調：當轉速調節(jié)器 ASR 采用 PI 調節(jié)器時，轉速必然有超調。 速度調節(jié)器 ASR 的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。這樣是下垂特性只適本科畢業(yè)設計論文 10 合于 0nn? 的情況，因為如果 0nn? ,則 *nnUU? ,ASR 將退出飽和狀態(tài) . 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉速無靜差 ,這時 ,轉速負反饋起主要的調節(jié)作用 ,但負載電流達到 dmI 時 ,對應于轉速調節(jié)器的飽和輸出 *imU ,這時 ,電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用 ,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差 ,得到過電流的自動保護 .這就是采用了兩個 PI 調節(jié)器分別形 成內、外兩個閉環(huán)的效果。兩者之間實行嵌套連接，如圖 2— 4 所示。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。 由圖 2— 1 可見，對一個調速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉速運行的靜差率s，那么，其它轉速的靜差率也必然都能滿足。 從生產機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉速來實現(xiàn)的，因此，調速系統(tǒng)是最基本的電力拖動 控制系統(tǒng)。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動態(tài)響應，較高的工作效率以及可以四象限運行和制動，其靜特性已可以與直流電動機拖動系統(tǒng)相媲美。今天正在逐步推廣應用的微機控制的全數(shù)字直流調速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調速控制，代表著直流電氣傳動的發(fā) 展方向。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。 在實際應用中，電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，一是要具有較高的機電能量轉換效率；二是應能根據(jù)生產機械的工藝要求控制和調節(jié)電動機的旋轉速度。直流電動機可逆調速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向實用化，其主要特點是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結構，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； (2) 動態(tài)參數(shù)調整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級計算機交換信息； (7) 具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。 對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式最好。脫離了對靜差率的 要求。常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復時間： 1）動態(tài)降落 %maxc? 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負載擾動）后引起轉速的最大降落值 %maxc? 叫做動態(tài)降落，用輸 出量原穩(wěn)態(tài)值 1?c 的百分數(shù)來表示。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 PI 調節(jié)器輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。由于電流 aI保持恒定 值 amI ，即系統(tǒng)的加速度 dtdn/ 為恒值，所以轉速 n 按線性規(guī)律上升，由 nCRIU eamd ?? ? 知， dU 也線性增加，這就要求 kU 也要線性增加，故在啟動過程中電流調節(jié)器是不應該飽和的，晶閘管可控 整流環(huán)節(jié)也不應該飽和。但由于在起動過程Ⅰ、Ⅱ兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。因此 ,通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度 ,多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng) ,典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為 )1()( ?? Tss KsW （ 2） 本科畢業(yè)設計論文 17 )1( )1()( 2 ??? Tss sKsW ? （ 3） 典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可做到超 調小 ,但抗擾性能差 。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。為了節(jié)能，并實行無觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關器件，如快速晶閘管， GTO， IGBT 等。電動機的正反轉則體現(xiàn)在驅動電壓正、負脈沖的寬度上。如圖 4— 2 所示。使用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進行