【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 入第Ⅲ段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照 PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR的輸人偏差電壓為負(fù)值，才能使 ASR 退出飽和。這就是說，采用 PI 調(diào)節(jié)器的雙武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 13 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。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。如果工藝上不允許超調(diào)，就必須采取另外的控制措施。 最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，不可逆的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然有很快的起動(dòng)過程，但在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車。如果必須加快制動(dòng)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。同樣，減速時(shí)也有這種情況。類似的問題還可能在空載起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)。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。 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 一般存在兩種狀況：飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值；不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。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，除非有反向信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。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。只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電 壓都是零。因此 *nnU U n??? *i i dU U I??? 由第一關(guān)系式可得： 0inUnn??? 與此同時(shí)，由于 ASR 不飽和， **i imUU? ，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知： d dmII? 。這就是說， 0nA? 段靜特性從 dI =0 （理 想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 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 14 d dmII? 。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。 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。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) *imd dmUII??? 最大電 流 dmI 是設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加度所描述的靜特性是圖 26中的 AB段。這樣的下垂特性只適合于 n0n的情況。因?yàn)槿绻? 0nn? ，則 *nnUU? ， ASR 將退出飽和狀態(tài) 圖 26 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí) dmI 表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn) 負(fù)反饋 起主要調(diào)節(jié)作用。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)。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。這樣的靜特性顯然比帶電流至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。 無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定 反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 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 15 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 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)，各變量之間有下列關(guān)系 * 0nnU U n n??? ? ? *i i d dlU U I I??? ? ? *d o e d e n d lct s s SU C n I R C U I RU k K K??? ? ? 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n是由給定電壓 *nU 決定的， ASR 的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dlI 決定的，而控制電壓 ctU 的大小則同時(shí)取決于 n 和 dlI ，或者說，同時(shí)取決于 *nU 和 dlI 。這些關(guān)系反映了 PI 調(diào)節(jié)器不同于 P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI 調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要 PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為 止。 鑒于這一點(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)速反饋系數(shù) * max/nmUn? ? 電流反饋系數(shù) * /im dmUI?? 兩個(gè)給定電壓的最大值 *imU 和 *nmU 是受運(yùn)算放大器的允許輸入電壓限制的。 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 16 三、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)初始條件 采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 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) 。 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。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，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為 PWM 的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用 PI 調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。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)?？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 41雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖所示，其中 UPE 是電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相 (或單相 )交流電源，輸出為可控的直流電壓鑄。對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由 IGBT 或 P 一 MOSFET 組成的 PWM 變換器 。對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如 GTO、 IGCT 等 。對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管裝置。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 18 的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏 差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。 圖 42 橋式可逆 PWM 變化器電路 雙極式 控制可逆 PWM 變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖 3 所示，它們的關(guān)系是： 1gU? 4 2 3gggUUU? ? ? ?。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) on0 tt?? 時(shí)， AB s=UU，電樞電流 di 沿回路 1 流通；當(dāng) ont t T?? 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反號(hào)， di 沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， AB s=UU? 。 因此， ABU 在一個(gè)周期內(nèi) 具有正負(fù)相間的脈沖波形。 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。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)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI調(diào)節(jié)器 UPE 環(huán)節(jié)的電路波形分析 圖 43 繪出了雙極式控制時(shí)的電壓和電流波形。電動(dòng)機(jī)電樞電壓的平均值則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，on 2Tt ?，則 ABU 的平均武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 19 值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；反之則反轉(zhuǎn)。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。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。 圖 43 雙極式控制可逆 PWM 變換器波形 直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓 ABU 的正、負(fù)變化，使電流波形隨之波動(dòng)。電流波形存在兩種情況，如圖 4 中的 d1i 和 d2i 。 d1i 相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，這時(shí)負(fù)載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電動(dòng)機(jī)始終工作在第 Ⅰ 象限的電動(dòng)狀態(tài)。 d2i 相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，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 20 于是二極管終止續(xù)流，而反向開關(guān)器件導(dǎo)通，電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。 d2i 電流中的線段 3 和 4 是工作在第 Ⅱ 象限的制動(dòng)狀態(tài)。電樞電