【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 法的成熟，使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。 3）采用總線技術(shù) 現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢(shì)，總線化使得各種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。 4）內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域 當(dāng)今是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，信息化的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)上工作，控制 系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)提供了方便。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開放式自由軟件 Linux 操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。 本文主要開展的研究工作 根據(jù)本課題的實(shí)際情況，宜從以下幾個(gè)方面入手分析： 第 10 頁(yè) 共 43 頁(yè) 10 1） 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型 ； 2） 雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計(jì) ； 3） 應(yīng)用 MATLAB 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正 ； 本設(shè)計(jì)要求基于 VM 的雙閉環(huán)直流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正，從要求出發(fā)，本文先介紹各種調(diào)速方案中選擇電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的原因，再重點(diǎn)闡述該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。運(yùn)用所給定的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并校驗(yàn)，最后通過(guò)建立調(diào)速系統(tǒng)的模型應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。 第 2章 方案 設(shè)計(jì) 直流調(diào)速 方法 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 方法 主要有以下幾種 ： 1） 改變電樞回路電阻調(diào)速法 保持直流電動(dòng)機(jī)外加電樞電壓與勵(lì)磁磁通為額定值，改變電樞回路電阻而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速過(guò)程中，直流電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變，但在相同的轉(zhuǎn)矩下，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降落將隨外加電阻的增大而增大，機(jī)械特性的斜率就越大。 2） 減弱磁通調(diào)速法 保持電 樞電壓為額定值，電樞回路不加入附加電阻，而減小直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流以減弱磁通。弱磁調(diào)速只能在額定轉(zhuǎn)速以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 3） 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法 保持直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值，電樞回路不串入外加電阻，僅改變電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。 以上 3 種調(diào)速方法，改變電樞回路電阻調(diào)速只能對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作有極的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差，調(diào)速系統(tǒng)效率低。弱磁調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但只能在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)壓調(diào)速所得到的認(rèn)為機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在基 速（額定轉(zhuǎn)速）以下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。所以直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速要達(dá)到基速以上時(shí)才輔以弱磁調(diào)速。 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)來(lái)選定。對(duì)起動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速有較高要求的 產(chǎn)機(jī)械，宜選用直流他勵(lì)時(shí)電動(dòng)機(jī)；而需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的機(jī)械 (如電車，蓄電池車，牽引機(jī)械等 )常用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)或直流復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。由于該設(shè)計(jì)對(duì)起動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速精度要求較高，故選用直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)。 [5] 直流調(diào)速系統(tǒng)可用的可控直流電源 1） 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電 機(jī) 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 GM 系統(tǒng)。 2） 靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生 第 11 頁(yè) 共 43 頁(yè) 11 可調(diào)的直流電壓。 3） 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。 [5] 一般說(shuō)來(lái)，在整流器功率很小時(shí)（ 4kW 以下 ） ，用單相整流；功率較大時(shí)，用三相整流電路，故選用三相整流電路 [6]。 在三相整流電路中，三相零式電路突出的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，用的晶閘管少、觸發(fā)器少，對(duì)需要 220V 電壓的 用電設(shè)備直接用 380V 電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器 [2]。但缺點(diǎn)是要求晶閘管耐壓高，整流輸也電壓脈動(dòng)大，需要平波電抗器容量大，電源變電器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因零線流過(guò)負(fù)載電流，在零線截面小時(shí)壓降大，往往需要從車間變壓器單獨(dú)敷設(shè)零線。而三相橋式整流電路，在輸出整流電壓相同時(shí)，電源相電壓可較三相零整流電路小一半，困此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求，變壓器二次繞組電流中沒有直流分量、利用率高。輸出整流電壓脈動(dòng)小，所以平波電抗器容量就可小一些。三相橋式整流電路的缺點(diǎn)是整流器件用得多，全控 橋需要六個(gè)觸發(fā)電路，需要 220V 電壓的設(shè)備也不能用 380V 電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。三相半控橋式整流電路，雖然只用三只晶閘管、三個(gè)觸發(fā)電路，但整流輸出電壓脈動(dòng)大，且不能用于需要有源逆變的場(chǎng)合，故在要求較高的場(chǎng)合應(yīng)選擇三項(xiàng)全控橋式整流電路。 由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。電動(dòng)機(jī)額定電壓為 220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器 ,將電源電壓降低，為避三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器 采用 Δ/Y接法。 觸發(fā)電路的選擇 門極電壓又叫觸發(fā)電壓。晶閘管 [7]的觸發(fā)電路種類很多，為使線路簡(jiǎn)單、工作可靠、裝置體積小宜選用 KJ004 組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是移相范圍小于 180176。 ，為保證觸發(fā)脈沖對(duì)稱度，要求高流電網(wǎng)波形畸變率小于 5%，廣泛應(yīng)用于各種晶閘管裝置中。 調(diào)速系統(tǒng)的類型 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 該 系統(tǒng)中，只通過(guò)改變觸發(fā)或驅(qū)動(dòng)電路的控制電壓來(lái)改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，都屬于開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)。 在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的，輸出的轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。 已知系統(tǒng)當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為 第 12 頁(yè) 共 43 頁(yè) 12 5 5 1 2 8 6 .4 6 r / m in0 .1 9 2NdN IRn Ce ?? ? ? 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為 2 8 6 .4 6 1 0 0 % 2 2 .2 7 %2 8 6 .4 6 1 0 0 0NNNNnS nn?? ? ? ?? ? ? 已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 5%的要求，更何況滿足調(diào)速范圍最低轉(zhuǎn)速的情況以及考慮電流斷續(xù)時(shí)的情況。 如果要滿足 D=10， S=5%的要求，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落 Nn 可以根據(jù)公式求得 1 0 0 0 0 . 0 5 5 . 2 6 r / m in( 1 ) 1 0 ( 1 0 . 0 5 )NN nSn DS ?? ? ?? ? ? 顯然，簡(jiǎn)單的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)機(jī)械工藝要求，這就應(yīng)采用負(fù)反饋控制，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的立場(chǎng)分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)可通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電壓自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。穩(wěn)速原理可從圖 11所示的閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系得到理解。 圖 11 閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系 第 13 頁(yè) 共 43 頁(yè) 13 閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng) 1） 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速 ： 圖 12 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 如圖是帶有比例放大器的轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。 （ 1）只有比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。從靜特性中可以看到閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)速性能比開環(huán)系統(tǒng)有了很大的提高，而提高的程度與閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K有關(guān)。 （ 2）閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)于一切被負(fù)反饋環(huán) 包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，都能被反饋控制系統(tǒng)有效地加以抑制。 （ 3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)精度。高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源 和高精度的檢測(cè)原件。 應(yīng)用電流截止負(fù)反饋，能夠解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問題，引入了限制電樞電流的環(huán)節(jié)，關(guān)鍵時(shí)候維持電流基本不 變。 引入 PI 調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)靜特性指標(biāo)和穩(wěn)定性發(fā)生矛盾的情況下，能改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使它能同時(shí)滿足穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差兩方面的要求。 [5] 第 14 頁(yè) 共 43 頁(yè) 14 2） 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ： 圖 13 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置 TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 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，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接 。 這就是說(shuō)，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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。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)環(huán)在外邊，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)。 對(duì)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器： （ 1）使被調(diào)量轉(zhuǎn)速 跟 隨給定轉(zhuǎn)速變化，保證穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。 （ 2）其穩(wěn)態(tài)輸出值正比于電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作電流值（由負(fù)載大小而決定），輸出限幅值取決于電動(dòng)機(jī)允許最大電流值（或負(fù)載允許最大轉(zhuǎn)矩）。 （ 3）對(duì)負(fù)載擾動(dòng)起 抗擾作用。 對(duì)于電流調(diào)節(jié)器： （ 1）啟動(dòng)過(guò)程保證電動(dòng)機(jī)能獲得最大允許的動(dòng)態(tài)電流。 （ 2）在啟動(dòng)過(guò)程，使電流跟隨電流給定值而變化。 （ 3）對(duì)交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強(qiáng)的抗擾能力。 （ 4）有自動(dòng)過(guò)載保護(hù)作用，且在過(guò)載故障消失后能自動(dòng)恢復(fù)正常工作。 方案選擇 方案一采用直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由以上的計(jì)算得知，不能滿足要 求。 方案 二 采用 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。應(yīng)用了 PI 調(diào)節(jié)器后可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差控制，應(yīng)用了電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，所檢測(cè)的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。所以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過(guò)程。但是在調(diào)速系統(tǒng)忠有兩類情況對(duì)電流的控制提出了要求：一是啟、制動(dòng)的時(shí)間控制問題，二是負(fù)載擾動(dòng)的電 第 15 頁(yè) 共 43 頁(yè) 15 流控制問題。 方案 三 采用 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng) ，雖然相對(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既 保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。 1） 速度閉環(huán)中，速度反饋回路如開路，轉(zhuǎn)速將升至該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速，俗稱飛車。 2） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。 3） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制 啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過(guò)渡過(guò)程。 為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案 三 作為設(shè)計(jì)的最終方案。 而由于電機(jī)上網(wǎng)容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。 第 16 頁(yè) 共 43 頁(yè) 16 第 3章 調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo) 系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速控制的要求 1）調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速 范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或 平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速； 2）穩(wěn)速：以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量； 3）加、減速：頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。 調(diào)速性能指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)） 直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)是衡量調(diào)速性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，也是直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中考核的主要指標(biāo)。直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)兩部分。 （ 1） 調(diào)速范圍 D。 調(diào)速范圍 D 是指 電動(dòng)汽車電機(jī) 在額定負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 maxn與最低轉(zhuǎn)速 minn 之比，即： maxminnD n? 其中 maxn 和 minn 一般指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視 maxn 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 Nn 。 (2)靜差率 S。靜差率 S是指電動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降 Nn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，常用百分?jǐn)?shù)表示。 0 100%Nns n??? 顯然，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。 [5] 第 17 頁(yè) 共 43 頁(yè) 17 第 4章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速