【文章內(nèi)容簡介】 直流電動機具有良好的起、制動 性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 —直流電動機 (V— M)組成的直流調(diào)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)。它在理論上實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎 [ 6]。 從生產(chǎn)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(diào)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(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電動機的轉(zhuǎn)速和其它參量的關系和用式（ 2— 1）表示 ??? eK IRUn （ 2— 1） 式中 n—— 電動機轉(zhuǎn)速； U—— 電樞供電電壓； I—— 電樞電流； R—— 電樞回路總電阻，單位為 ? Ke—— 由電機機構決定的電勢系數(shù)。 在上式中， Ke 是常數(shù)，電流 I 是由負載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （ 2） 減弱勵磁磁通 ? ； （ 3） 改變 電樞回路電阻 R。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 5 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標。靜態(tài)調(diào)速指標要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時，速度穩(wěn)定；動 態(tài)調(diào)速指標要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響 [ 6]。 一、靜態(tài)性能指標 1）．調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉(zhuǎn)速 nmax與最低轉(zhuǎn)速 nmin 之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D 表示 minmaxnnD? （ 2— 2） 2）．靜差率 靜差率是用來表示負載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s 來表示 。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值時，對應的轉(zhuǎn)速降落 Δned與理想空載轉(zhuǎn)速 n0之比，用百分數(shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 2— 3） 顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大， Δned越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對于圖 2— 1 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落Δ ned1=Δned2，但由于 n01n02，因此 s2s1。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。在 1000r/min 時降落 10r/min，只占 1%；在 100r/min 時也降落 10r/min，就占10%；如果 n0只有 10r/min，再降落 10r/min 時，電動機就停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全都降落完了。 由圖 2— 1可見，對一個調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。 廣東石油化工學院畢業(yè)設計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設計 6 圖 2— 1 事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼 此孤立的，必須同時提才有意義。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對靜差率的要求。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。 動態(tài)性能指標 生產(chǎn)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。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。 一、跟隨性能指標 在給定信號（或稱參考輸入信號） R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況可用跟 隨性能指標來描述。當給定信號表示方式不同時，輸出響應也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應又稱為階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?c 的偏差越小越好，達到 ?c 的時間越快越好。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間： 1）上升時間 tr 在典型的階躍響應跟隨過 程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性，見圖 2— 2。 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 7 圖 2— 2 2）超調(diào)量 %? 在典型的階躍響應跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，叫做超調(diào)量： （ 2— 4） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(wěn)。 3）調(diào)節(jié)時間 ts 調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢。原則上它應該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。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。因此，一般在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取的范圍 作為允許誤差帶，以響應曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間，可見圖 2— 2。 二、抗擾性能指標 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標，可見圖 2— 3。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 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(zhuǎn)速的最大降落值 叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值 是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落 。 2）恢復時間 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2?c 之差進入某基準量 的 范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復時間 ，其中 稱為抗擾指標中輸出量的基準值。 %100% m a x ??? ? ?c cc?? ?%2%5 ?? 或%maxc?%maxc? 1?c? ?212 , ??? ?ccc%maxn?ftbc ? ?%2%5 ?? 或 ft bc廣東石油化工學院畢業(yè)設計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設計 8 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定。 一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。 圖 2— 3 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理 : 電動機在啟動階段 ,電動機的實際轉(zhuǎn)速 (電壓 )低于給定值 ,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號 ,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號 ,直流電壓迅速上升 ,電流也隨即增大直到等于最大給定值 , 電動機以最大電流恒流 加速啟動。電動機的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流 )可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 , 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零 ,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài) ,閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負載引起的轉(zhuǎn)速波動 ,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 ,使整流橋輸出的直流電壓相應變化 ,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié) ,可以在電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下運行 [ 8]。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 9 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，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，如圖 2— 4所示。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。從閉環(huán)結(jié)構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖 2— 4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中： ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器 Un*轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui電流反饋電壓 二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 圖 2— 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構框圖 分析靜特性的關鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和 — 輸出達到限幅值，不飽和 — 輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時， 輸出為恒值，輸入量的廣東石油化工學院畢業(yè)設計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設計 10 變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI的作用使輸入偏差電壓 ΔU在穩(wěn)態(tài)時總為零。 實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況 [ 8]。 1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， *Un = Un = n?? = (1) *Ui = Ui = dI?? (2) 由第一個關系式可得： n= =n0 從而得到圖 25 所示靜特性 曲線的 CA 段。與此同時，由于 ASR 不飽和， 可知 IdIdm，這就是說， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0一直延續(xù)到 Id=Idm。而 Idm，一般都是大于額定電流 Idn的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。 2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達到限幅值 U*im，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。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(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時： dI = = dmI 其中，最大電流 Idm取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的 AB 段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于 的情況，因為如果 ,則 ,ASR 將退出飽和狀態(tài) . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 ,這時 ,轉(zhuǎn)速負反饋起主要的調(diào)節(jié)作用 ,但負載電流達到 Idm時 ,對應于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 U*im,這時 ,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 ,得到過電流的自動保護 .這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖 2— 6 中虛線。 *imU*Ui?*imU0nn? *nn UU??*nU0n??0nn?第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 11 圖 2— 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 3. 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關系： *Un =Un = n?? = = = dI?? = dlI?? cU = = = 上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *Un 決定， ASR 的輸出量 是由負載電流 Idl決定的，而控制電壓 Uc的大小則同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于 *Un 和 Idl。 PI調(diào)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。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。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)