【正文】 差電壓都是零。因此系統(tǒng)具有絕對硬的靜特性（無靜差），即 從而得到圖35靜特性的段。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和， ，所以。這表明， 段靜特性從理想空載狀態(tài)（）一直延續(xù)到電流最大值，而一般都大于電動機的額定電流。這是系統(tǒng)靜特性的正常運行段。圖35 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和： 當(dāng)電動機的負載電流上升時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出也將上升，當(dāng)上升到某一數(shù)值（）時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)失出調(diào)節(jié)作用，呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。此時只剩下電流環(huán)起作用，雙閉環(huán)調(diào)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速無靜差系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 因而是所對應(yīng)的電樞電流最大值，由設(shè)計者根據(jù)電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度選定。這時的靜特性為圖35中的AB段，呈現(xiàn)很陡的下垂特性。由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時ASR起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負載電流達到之后，ASR飽和，ACR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，這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要強得多。 綜合以上分析結(jié)果可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，系統(tǒng)變量之間存在如下關(guān)系： 上述關(guān)系表明，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)決定的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出電壓即電流環(huán)給定電壓是由負載電流和電流反饋系數(shù)決定的，而控制電壓即電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓則同時取決于轉(zhuǎn)速n和電流，或者說同時取決于和。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：比例調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于輸入量，而PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)輸出量與輸入量無關(guān)，而是由其后面環(huán)節(jié)的需要所決定，后面需要PI調(diào)節(jié)提供多大的輸出量，它就能提供多少，但這要在調(diào)節(jié)器不飽和的情況下。 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)后，由于增加了電流內(nèi)環(huán)，而電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)里，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，可以通過電流反饋得到及時調(diào)節(jié)，不必等到它影響到轉(zhuǎn)速后，再由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作出反應(yīng)。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓擾動所引起的動態(tài)速度變化要比在單態(tài)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中小得多。綜上所述，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用可以歸納如下：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用:①使電動機轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，保證穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無靜差。②對負載擾動起抗擾作用。③其輸出限幅值決定允許的最大電流，在起動時給出最大電流給定信號。（2）電流調(diào)節(jié)器的作用:①對電網(wǎng)電壓擾動起及時抗擾作用。②起動時保證獲得恒定的最大允許電流。③當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起到快速的安全保護作用。④在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計設(shè)計電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產(chǎn)生的交叉反饋作用。它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)TL一般遠小于機電時間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認為E不變，即△E=0。這樣，在設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，取T∑i=Ts+Toi。 首先應(yīng)決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加控制作用時不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好。從這個觀點出發(fā),應(yīng)該把電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)。可電流環(huán)還有另一個對電網(wǎng)電壓波動及時調(diào)節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,又希望把電流環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。一般情況下,當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)之比TL/T∑I ≥10時,典Ⅰ系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時間還是可以接受的。因此,一般多按典Ⅰ系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán)[6]。本設(shè)計因為 δi% ≥5%且TL/T∑I =10。所以 按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計,選PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中 Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)—電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇=TL, 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡為圖36：圖36 電流環(huán)簡化成典Ⅰ系統(tǒng)參數(shù)計算：按所用運算放大器取=20K，電樞回路總電阻R=20ACR積分時間常數(shù)， 電流環(huán)開環(huán)增益：要求時應(yīng)取因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 計算控制器的電阻電容值 ,取50K 如圖37所示，為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖37 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)： 近似條件: 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如38（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為U*n(s)/α；再把時間常數(shù)為Ton和2T∑i的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為T∑n的慣性環(huán)節(jié)，且T∑n=Ton+2T∑I,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖38（b）。圖38 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中 Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。 τn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型Ⅱ型系統(tǒng)的原因：1). 系統(tǒng)在負載擾動作用下，動態(tài)速降要小。2). ST飽和時，速度環(huán)退飽和超調(diào)量不大。 3). 速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。參數(shù)計算：按所用運算放大器取=20K 電流反饋系數(shù)：=轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=min/r =min/r = 電樞回路總電阻R=20 = —轉(zhuǎn)速控制器的積分時間常數(shù) 一般選h=5 根據(jù)公式 經(jīng)計算得出= ； 轉(zhuǎn)速控制器電阻電容值取50K如圖39所示，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖39 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖第4章 系統(tǒng)實驗驗證 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖41系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)工作原理速度給定信號G，速度調(diào)節(jié)器ASR，電流調(diào)節(jié)器ACR，控制PWM信號產(chǎn)生裝置UPM脈寬調(diào)制器，DLD單元把一組PWM波形分成兩組相差180176。的PWM波，用于控制兩組臂。G用以輸出 0～15V 直流給定電壓，UPW（脈寬調(diào)制器）采用 SG3525 芯片和部分外圍電路構(gòu)成。SG3525 是一種專用脈寬調(diào)制器控制電路，通過改變外接電阻和電容的數(shù)值，可以產(chǎn)生不同頻率的方波信號。改變給定端電壓，可以改變輸出方波的占空比，作為 PWM 變換器的控制信號。GD的作用是形成四組隔離的PWM驅(qū)動脈沖；PWM為功率放大電路，直接給電動機M供電。這樣通過改變給定電壓就可以對電動機調(diào)速了。 DLD邏輯延時單元，對PWM控制信號進行延時和整形。當(dāng)被驅(qū)動電路為雙極式工作制時，為了避免同一相上、下兩只功率管直通，需要驅(qū)動信號有死區(qū)，DLD 單元即用來產(chǎn)生具有死區(qū)的驅(qū)動控制信號。DZS 為零速封鎖器，其輸出控制 ASR 和 ACR，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)給定電壓為零時確保電動機轉(zhuǎn)速為零，避免運算放大器因零點漂移造成電動機不能停車。FA限制主電路瞬時電流，過流時封鎖DLD單元輸出；電流反饋調(diào)節(jié)單元CFR；速度反饋調(diào)節(jié)SFR。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM變換器的觸發(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)。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了PWM變換器輸出電壓的最大值。 系統(tǒng)單元調(diào)試 基本調(diào)速①速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的調(diào)零把調(diào)節(jié)器的輸入端3全部接地，5之間接50K電阻，調(diào)節(jié)電位器RP3，使7端輸出絕對值小于1mv。②速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的輸出限幅值的整定在調(diào)節(jié)器的3個輸入中的其中任一個輸入接給定，在4.、5之間接50K電阻、1uF電容，調(diào)節(jié)給定電位器，使調(diào)節(jié)器的輸入為1V，調(diào)節(jié)電位器RP1，使調(diào)節(jié)器的輸出7為+4V（輸出正限幅值）；同樣把給定調(diào)節(jié)為+1V，調(diào)節(jié)RP2，把負限幅值調(diào)節(jié)為4V。③零速度封鎖器（DZS）觀測首先把零速封鎖器的輸入懸空，開關(guān)S1撥至“封鎖”狀態(tài)，輸出接速度或者電流調(diào)節(jié)器的零速封鎖端6，無論調(diào)節(jié)器的輸入如何調(diào)節(jié)，輸出7始終為零。把面板上的給定輸出接至零速封鎖單元其中一路，另一路懸空，增大給定，測量零速封鎖單元輸出端3：，封鎖端3輸出15V；減小給定，封鎖端3輸出+15V。把給定加到另一路進行同樣的操作。 脈寬發(fā)生單元的整定把電機、直流電源等接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接成開環(huán)，脈寬發(fā)生單元的輸入懸空或者接地，調(diào)節(jié)偏移電壓電位器，使電機處于停止?fàn)顟B(tài)（若要達到更好的閉環(huán)效果，調(diào)節(jié)偏移電壓電位器，）用雙蹤示波器觀測脈寬發(fā)生單元的測試點2和4的波形，此時的2（4）的占空比接近相同（占空比為50%左右）。觀測同一組橋臂（2或者4）之間的死區(qū)。 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定把電機、220V直流電源接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接成開環(huán)。把正給定接入脈寬發(fā)生單元，調(diào)節(jié)給定，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600rpm，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器中的RP1，使3端輸出的電壓為4V。加大負載，調(diào)節(jié)電流反饋調(diào)節(jié)器，使電流反饋調(diào)節(jié)器3端輸出的電壓為+4V。 實驗結(jié)果 開環(huán)機械特性測試把電機、直流電源，接入系統(tǒng)，電動機、發(fā)電機加額定勵磁。緩慢增加給定電壓Ug,使電機升速,調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負載Rg使電動機(DJ15)的電樞電流Id=,轉(zhuǎn)速達到1200rpm。在測試過程中逐步增大負載電阻Rg的阻值（即減小負載）就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f（I2），將其記入下面的表格：n(rpm)120011761153113611231108108011481032I(A)然后將電機反轉(zhuǎn)，增加給定Ug（負給定）使電機反向升速，調(diào)節(jié)給定電壓Ug和負載Rg使電動機(DJ15)的電樞電流Id=,轉(zhuǎn)速分別達到1200rpm。在測試過程中逐步增大負載電阻Rg的阻值（即減小負載）就可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n=f（I2），將其記入下面的表格：n(rpm)120011751150113011251105108511501030I(A) 圖41開環(huán)機械特性曲線 閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試及閉環(huán)靜特性測定直流電壓輸入為300V的情況下，發(fā)電機輸出首先空載，從零開始逐漸調(diào)大給定電壓Ug，使電動機轉(zhuǎn)速接近1200rpm，然后在發(fā)電機的電樞繞組接入負載電阻Rg，逐漸增大電動機負載（即減小負載的電阻值），直至電動機的電樞電流Id=，即可測出系統(tǒng)靜態(tài)特性，測定n=f（Id）并記錄于下表中：Id(A)n(rpm)120812081208120712091210121412161215改變電機的轉(zhuǎn)向，重復(fù)上述的步驟：n(rpm)n(rpm)120011971193119312001203120512101215再降低給定電壓Ug，再測試800rpm的靜態(tài)特性曲線，記錄于下表中：Id(A)n(rpm)800801801801800800799799802圖42 閉環(huán)系統(tǒng)特性曲線結(jié)束語 “PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)” 的設(shè)計 ，是在DJDK－1型電力電子技術(shù)及電機控制實驗裝置上進行的。測定直流電動機的各項電氣參數(shù)和時間常數(shù)，并應(yīng)用經(jīng)典控制理論的工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。以SG3525為核心實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)速，形成無靜差的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制。PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，具有調(diào)速簡單、調(diào)速范圍大、精度高、速度平穩(wěn)、電流脈動小、電機溫升低等優(yōu)點，使調(diào)速各項性能指標(biāo)大為提高?？v觀整個設(shè)計，經(jīng)典部分是已學(xué)過的知識，通過畢業(yè)設(shè)計深入理解了工程設(shè)計方法，擴展了知識面，各門課程綜合應(yīng)用，收益頗多，使我對直流調(diào)速系統(tǒng)的控制有了更深的認識。但由于理論水平有限，仍有許多不足之處有待解決。參考文獻1 DJDK1型電力電子技術(shù)及電機控制試驗裝置實驗指導(dǎo)書2 夏得砛，．第2版．機械工業(yè)出版社，20073 陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)．第2版．機械工業(yè)出版社，20034 王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)．第4版．機械工業(yè)出版社，20075 楊興姚．電動機調(diào)速的原理及系統(tǒng)．北京水利電力出版社，20036 劉軍．孟祥忠．電力拖動自動控制系統(tǒng)．機械工業(yè)出版社，20077 王華強. 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法的探討. 荊門職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報. 20028 吳守箴，[M] .機械工業(yè)出版社，19959 William , . Modern Control Theory．NewJersey：PrenticeHall，10 Leonhard of Electrical ，11 Kuo Control , 12 工控相關(guān)網(wǎng)站致 謝首先要感謝我的指導(dǎo)老師—鄭載滿老師。在他的悉心指導(dǎo)下，我才得以順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計。他從最初就為我們制定了周密科學(xué)的工作任務(wù)安排，每次都很認真的查看我們的工作日志完成情況，對于我們的提問也總給予耐心的解答。我還要感謝同組的同學(xué)，跟他們一起討論相關(guān)的課題，使我的思路得以極大的開闊，并能發(fā)現(xiàn)自己在某些內(nèi)容上的欠缺。另外，我也深深的感受到了同學(xué)間的互相幫助和友誼。這也是我順利完成畢業(yè)設(shè)計的一大動力。還有許多在論文完成過程中給予我?guī)椭娜?，在此不一一列舉了，一并表示最衷心