【文章內(nèi)容簡介】 D調(diào)節(jié)器設(shè)計原理直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計要完成開環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速、雙閉環(huán)調(diào)速等過程，需要觀察比較多的性能，再加上計算參數(shù)較多，往往難以如意。如在設(shè)計過程中使用 matlab 中的 simuLink 實用工具來輔助設(shè)計，由于它可以構(gòu)建被控系統(tǒng)的動態(tài)模型，直觀迅速觀察各點波形，因此調(diào)速系統(tǒng)性能的完善可以通過反復(fù)修改其動態(tài)模型來完成，而不必對實物模型進行反復(fù)拆裝調(diào)試 matlab 中的動態(tài)建模、河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書仿真工具 simuLink 具有模塊組態(tài)方便，性能分析直觀等優(yōu)點，可縮短產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，也可以給教學提供了虛擬的實驗平臺。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電*imU壓 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 。c dmU由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動機的轉(zhuǎn)速準確跟隨給定電壓, 把由電流負反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。如圖 31 所示：河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書給定電壓速 度調(diào) 節(jié) 器電 流調(diào) 節(jié) 器三 相 集 成觸 發(fā) 器三 相全 控 橋直 流電 動 機電 流檢 測轉(zhuǎn) 速檢 測U n *U n+Δ UnU i *U i+U cnU d圖 31 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)其原理圖如圖 32 所示：圖 32 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，可繪出電流、轉(zhuǎn)速雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 33 所示。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法校正環(huán)節(jié)的設(shè)計方法很多，而且是很靈活的，用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互矛盾的靜動態(tài)性能要求，需要設(shè)計者具有扎實的理論基礎(chǔ)，豐富的實際經(jīng)驗和熟練的設(shè)計技巧。這樣初學者往往不易掌握，在工程應(yīng)用中也不很方便。于是便產(chǎn)生建立更簡便實用的工程設(shè)計方法。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 33 所示：圖 33 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù) 按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，oiT濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用 表示，根onT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間常數(shù)為 的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器如圖 34 所示：圖 34 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器其中 為電流給定電壓， 為電流負反饋電壓， 為電力電子變換器*iUdI??cU的控制電壓。(1)確定時間常數(shù)①三相橋式電路的平均失控時間為 。?②電流濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給出，即 。?③電流環(huán)小時間常數(shù)之和 。.3isois??(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)量 ，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計電路5%i??調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為： （31）(1))iACRKsW???電磁時間常數(shù) 。河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書檢查對電源電壓的抗擾性能： ，參照典型 I ??態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項指標都是可以接受的。(3)計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： 。??電流環(huán)開環(huán)增益：要求 時，應(yīng)取 ，因此5%i??.5IiK?? （32）1..??ACR 的比例系數(shù)為 （?????3）(4)檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率： ???機電時間常數(shù) (34)???① 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 （35） sT?????滿足近似條件。② 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 （36） sTs??????滿足近似條件。③ 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 （37） sTs??????滿足近似條件。(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖 34，按所用運算放大器取 ，各電阻和電容值為04Rk?? ，取 （38）??56k ，取 （39）? ，取 （310）???.2按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 ，%5i???滿足設(shè)計要求。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖 35 所示：圖 35 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中 為轉(zhuǎn)速給定電壓， 為轉(zhuǎn)速負反饋電壓， ：調(diào)節(jié)器的輸出是*nUn??*iU電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書(1)確定時間常數(shù)①電流環(huán)等效時間常數(shù) ????②轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給，即 .25onT③轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) ?????(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (311)n nn 2emnemn(1) (1))(1)RKsKRsWsCTsCT?????????????(3)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 ，則 ASR 的超前時間常數(shù)為5h ?????轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 ????ASR 的比例系數(shù)為 emnn()()????????(4)檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 (312)?????①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 (313) i sT???????滿足簡化條件。②轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 (314) onKsT??????滿足簡化條件。(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取 ，則04Rk??，???3k?，?.5F，???.3u(6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當 時， ，不能滿足設(shè)計要求。應(yīng)按 ASR 退飽和的情況重5h?%n?新計算超調(diào)量。(7)按 ASR 退飽和重新計算超調(diào)量過載倍數(shù) 2dmblNI??max*()8.%%85nnbmCTz?????????能滿足設(shè)計要求。河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書4 直流電機控制系統(tǒng)的仿真分析為了提高本系統(tǒng)的實際運行效果，必須進行復(fù)雜的參數(shù)調(diào)試，控制參數(shù)可以通過電機控制的數(shù)學模型來確定，但考慮到系統(tǒng)實際運行時的種種不確定因素，如被控電機本身的性能參數(shù)、環(huán)境溫度、信號干擾以及傳感器的測量精度等等。所以采用直接的數(shù)學模型參數(shù)確定的方法和實際運行過程中的理想?yún)?shù)之間存在‘ 定的出入。直接解決的方法是反復(fù)試驗，通過系統(tǒng)軟件的反復(fù)編程來改變控制參數(shù)設(shè)置，同時與實際輸出的控制效果相比較，從中找到最好的輸入輸出關(guān)系。該法固然非常直觀簡單，但反復(fù)的調(diào)試試驗顯然要增加系統(tǒng)的軟件負擔，而且通過這種簡單的輸入輸出比較來確定控制參數(shù)的方法對不同運行環(huán)境的適應(yīng)能力比較差。為減小反復(fù)調(diào)試的工作量，我們可以采用仿真軟件模擬的方法確定控制參數(shù)的取值。鑒于此，本章進行了電機控制系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)仿真。 動態(tài)仿真工具SIMULINK簡介SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。使用SIMULINK來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)(包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)) ，將是一件非常輕松的事件。它提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需要用鼠標拖動的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫行代碼。它和MATLAB的無縫結(jié)合使得用戶可以利用MATLAB豐富的資源，建立仿真模型，監(jiān)控仿真過程，分析仿真結(jié)果。另外，SIMULINK在系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的承認和應(yīng)用，許多專業(yè)的仿真系統(tǒng)都支持SIMULINK模型，這非常有利于代碼的重用和移植。使用SIMULINK可以方便地進行控制系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)的仿真分析和原型設(shè)計。SIMULINK強大的功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)交互式、圖形化的建模環(huán)境河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書SIMULINK提供了豐富的模塊庫以幫助用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型。建模時只需要使用鼠標拖放不同模塊庫中的系統(tǒng)模塊并將它們連接起來。另外，還可以把若干個功能塊組合成子系統(tǒng)，建立起分層的多級模型，SIMULINK提供的模型瀏器(model brower)可以使用戶方便地瀏覽整個模型的結(jié)構(gòu)和細節(jié)。SIMULINK這種圖形化、交互式的建模過程非常直觀，且容易掌握。(2)交互式的仿真環(huán)境SIMULINK框圖提供了交互性很強的仿真環(huán)境，即可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過命令進行仿真。菜單方式對于交互T作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真(如蒙特卡羅非常有用)。有了SIMULINK，用戶在仿真的同時，可采用交互或批處理的方式，方便地更換參數(shù)來進行“what—if”式地分析仿真。仿真過程中各種狀態(tài)參數(shù)可以在仿真運行同時通過示波器或者利用Actives技術(shù)的圖形窗口顯示。(3)專業(yè)模塊庫(block sets)作為SIMULINK建模系統(tǒng)的補充，Math Works 公司還開發(fā)了專用功能塊程序包，如DSP Block set和 Communication Block set等。通過使用這些程序包，用戶可以迅速地對系統(tǒng)進行建模、仿真與分析。更重要的是用戶還可以對系統(tǒng)模型進行代碼生成，并將生成的代碼下載到不同的目標機上?？梢哉f，Math Works為用戶從算法設(shè)計、建模仿真，一直到系統(tǒng)實現(xiàn)提供了完整的解決方案。而且，為了方便用戶系統(tǒng)的實施，Math Works公司還開發(fā)了實施軟件包，如 TI和Motorola開發(fā)工具包，以方便用戶進行目標系統(tǒng)的開發(fā)。(4)提供了仿真庫的擴充和定制機制SIMULINK的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶可以擴展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN 和 c代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標和界面。因此用戶可以將使用FORTRANA或c編寫的代碼鏈結(jié)起來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進行更高級的系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析。(5)與MATLAB 工具箱的集成由于SIMULINK可以直接利用MATLAB的諸多資源和功能，因此用戶可以直接在SIMULINK下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、參數(shù)優(yōu)化等工作。工具河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書箱提供的高級的設(shè)計和分析功能可以融入仿真過程。簡而言之，SIMULINK具有一下特點：①基于矩陣的數(shù)值運算②高級編程語言③圖形與可視化④工具箱提供面向具體應(yīng)用領(lǐng)域的功能。⑤豐富的數(shù)據(jù)I／O工具。⑥提供與其他高級語言的接口⑦支持多平臺(PC／Macintosh／UNIX) 。⑧開發(fā)與可擴展的體系結(jié)構(gòu)。 三相無刷直流電動機的數(shù)學模型由于建立無刷直流電動機系統(tǒng)的仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計時問，及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時可以充分利用計算機仿真的優(yōu)越性，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、加入不同的擾動和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動、靜態(tài)特性。因此，仿真已經(jīng)成為研究的重要手段。本章在建立