【正文】 壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的 交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。 本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)部分的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算 已知：電動(dòng)機(jī)部分 [9， 10]：電動(dòng)機(jī)電樞端電壓 aU =220V，電動(dòng)機(jī)的電樞電 流 dI =，電樞電路電阻 aR =，轉(zhuǎn)速 n=1600r/min,額定功率 nP =185w，電樞電路電感 aL =，極對(duì)數(shù) p=2，電磁轉(zhuǎn)矩 M=,角速度ω =1600*2π/60=,頻率 W=50HZ； 勵(lì)磁部分：勵(lì)磁電壓 fU =220V，勵(lì)磁電流fI =,勵(lì)磁電路電阻 fR = ,勵(lì)磁電路電感 fL =。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 34 圖 5— 1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 35 仿真結(jié)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(jié)果說(shuō)明：轉(zhuǎn)速和電流滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。由諸式可畫(huà)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： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 圖 43 1) 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： ? ? 1/1)( )( 2 ??????? sTsTT CsU ssWmamea? 或?qū)懗桑? 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(shì)系數(shù)或轉(zhuǎn)矩系數(shù) 2CRJT am ?? 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)ζ 2,即 Tm4Ta 時(shí)，傳遞函數(shù)可寫(xiě)成如下形式： )1)(1(/1)( )()( ?????? sTsT CsU ssWmaea? 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 次式表明，在外施階躍電壓作用下，首先產(chǎn)生由于時(shí)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(yīng)速 度。圖 3— 6 所示的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。 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(kāi)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。 計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)： AVIUnim 12* ???? ?? ????????? m i 0 0 015*rVnUnnm? 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) sTs ? ；（見(jiàn)附錄表一） 電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT = s（三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1～ 2） oiT =，因此取 oiT =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 sTTT oisi ???? 。接下來(lái)可用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。 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(mǎn)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。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。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)器的給本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 定與反饋值計(jì) 算有關(guān)的反饋系數(shù)。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(huà)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(kāi)環(huán)。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。 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)。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。 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，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。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)。 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。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)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 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)。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。 3）調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱(chēng)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。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]。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)。當(dāng)突加給定電壓 gnU 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 0?fnU ，這時(shí)，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(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 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(xiàn)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)。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)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 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(kāi)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(chēng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 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。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(kāi)關(guān)次數(shù)和開(kāi)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]。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?xún)r(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。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工 具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。 圖 4— 1 上圖為一他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路，其中： aU E分別為電動(dòng)機(jī)電樞端電壓和反電勢(shì)； dI fI 電動(dòng)機(jī)電樞電流和勵(lì)磁電流； aR aL 電樞電路電阻和電感； fR fL 勵(lì)磁電路電阻和電感； fU 電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電壓； ω 電動(dòng)機(jī)的角速度； J電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； eT lT 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。因此， Uab 在一 個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱(chēng)的由來(lái)。 由于上述優(yōu)點(diǎn)，在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛 [4]。這樣 ,經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ,電流環(huán)的控制對(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié) ,要將其設(shè)計(jì)成典型Ⅰ型系統(tǒng) ,同理 ,經(jīng)過(guò)小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ,轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對(duì)象形如式 (2)。 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。 速度調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅值正是按這個(gè)要求來(lái)整定的。這樣是下垂特性只適本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 合于 0nn? 的情況，因?yàn)槿绻?0nn? ,則 *nnUU? ,ASR 將退出飽和狀態(tài) . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差 ,這時(shí) ,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用 ,但負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時(shí) ,對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ,這時(shí) ,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(wú)靜差 ,得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù) .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。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖 2— 4 所示。對(duì)于線(xiàn)性控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線(xiàn)性等因素并不是這樣。 由圖 2— 1 可見(jiàn)，對(duì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果能滿(mǎn)足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿(mǎn)足。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類(lèi)型，各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng) 控制系統(tǒng)。目前交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行和制動(dòng)，其靜特性已可以與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相媲美。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機(jī)控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動(dòng)的發(fā) 展方向。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 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，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(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。直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點(diǎn)是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來(lái)提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級(jí)計(jì)算機(jī)交換信息； (7) 具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。脫離了對(duì)靜差率的 要求。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間： 1）動(dòng)態(tài)降落 %maxc? 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)（如額定負(fù)載擾動(dòng)）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 %maxc? 叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸 出量原穩(wěn)態(tài)值 1?c 的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 PI 調(diào)節(jié)器輸出量在動(dòng)態(tài)過(guò)程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，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(zhuǎn)速 n 按線(xiàn)性規(guī)律上升，由 nCRIU eamd ?? ? 知， dU 也線(xiàn)性增加，這就要求 kU 也要線(xiàn)性增加，故在啟動(dòng)過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控 整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。但由于在起動(dòng)過(guò)程Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與理想啟動(dòng)過(guò)程相比還有一些差距，不過(guò)這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無(wú)傷大局，可稱(chēng)作“準(zhǔn)時(shí)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 )1()( ?? Tss KsW （ 2） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 )1( )1()( 2 ??? Tss sKsW ? （ 3） 典型Ⅰ型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可做到超 調(diào)小 ,但抗擾性能差 。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管， GTO， IGBT 等。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬度上。如圖 4— 2 所示。使用 MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行