【正文】 電動機轉速，使其回升，并等于或接近原來的轉速?！昂闼佟闭{(diào)速。nn00nenancnfnbndML1ML2M 調(diào)速與機械特性關系單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉速負反饋構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動機軸上裝一臺測速發(fā)電機SF，引出與轉速成正比的電壓與給定電壓比較后的偏差電壓△u，經(jīng)過放大器，產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF的控制電壓，用以控制電動機的轉速。這里只有一個轉速反饋環(huán)，所以稱為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，晶閘管整流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)器觸發(fā)裝置的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流器電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。當平波電抗器足夠大時，電樞電流保持連續(xù)。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行時，其電壓平衡方程式：　　 （）式中：Ud0=AU2cosα為空載整流電壓；U2是整流變壓器相電壓有效值；A為系數(shù)，對于三相零式整流電路A=，對于三相橋式全控整流電路A=；α為控制角；E為電動機反電勢；且E＝Cen(n為轉速)；Ce為反電勢系數(shù)；Id為電動機電樞電流；R為電樞回路總電阻。為了解決單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流過大的裝置。根據(jù)反饋控制原理，要維持那一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。因此，引入電流負反饋應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。但是，這種作用只應該在起動和堵轉時存在，在正常運行時又得取消，使靜特性(轉速與電流的穩(wěn)態(tài)關系)保持較好的硬度，讓電流自由地隨著負載增減。這樣一來，一旦電流超過某一規(guī)定值時，電流負反饋即投入運行，使靜特性急劇地“軟化”。隨著電流的增加，電動機轉速不斷下降，當電流增加到某一數(shù)值(即堵轉電流)時，電動機停止轉動(即堵轉)。這種當電流達到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋，叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。在采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，可以保證動態(tài)穩(wěn)定性，也可以做到無靜差，很好的解決了系統(tǒng)中動、靜態(tài)之間的矛盾。然而系統(tǒng)中只靠電流截至環(huán)節(jié)來限制啟動和升速時的沖擊電流，其性能仍不能令人滿意。主要問題是，不能再充分利用電機過載能力的條件下獲得最快的動態(tài)響應，甚至使啟動和加速過程延長。自動控制理論提示，進一步解決問題的唯一途徑就是對電流這個物理量也實行負反饋控制。同時電流控制回路中設置一個調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量。這樣，系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流。這樣的系統(tǒng)，稱為轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉速負反饋和電流負反饋在系統(tǒng)中分別起作用，又不致互相牽制而影響系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流。二者之間實行串級聯(lián)接，即以轉速調(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)器的輸出去控制晶閘管的觸發(fā)裝置。無刷直流電動機系統(tǒng)通常采用轉速、電流雙閉環(huán)控制。其中，ASR和ACR分別為轉速和電流調(diào)節(jié)器，通常采用PID算法實現(xiàn)。速度為外環(huán)，電流為內(nèi)環(huán)，由于Te=KTIa，電流環(huán)調(diào)節(jié)的實際上是電磁轉矩。速度給定信號n*與速度反饋信號n送給速度調(diào)節(jié)器（ASR），速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號的參考值i*，與電流信號的反饋值一起送至電流調(diào)節(jié)器（ACR），電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓的參考值，與給定載波比較后，形成PWM調(diào)制波，控制逆變器的實際輸出電壓。邏輯控制單元的任務是根據(jù)位置檢測器的輸出信號及正反轉指令信號決定導通相。被確定要導通的相并不總是在導通，它還要受PWM輸出信號的控制，邏輯“與”單元的任務就是把換相信號和PWM信號結合起來，再送到逆變器的驅(qū)動電路?！o刷直流電動機系統(tǒng)原理圖[8]在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制規(guī)律，簡稱PID。PID之所以能夠作為一種基本控制方式獲得廣泛應用，是由于它具有原理簡單、使用方便、魯棒性強、適應性廣等許多優(yōu)點。P是一種最簡單的控制方式，根據(jù)理論的有關知識，有以下結論：（1）比例調(diào)節(jié)是一種有差調(diào)節(jié)。換句話說，調(diào)節(jié)器采用比例控制規(guī)律，就不可避免地會使系統(tǒng)存在靜差。這是因為只有偏差信號不為零時，調(diào)節(jié)器才會有輸出調(diào)節(jié)，如果為零，調(diào)節(jié)器輸出為零，就會失去調(diào)節(jié)作用。（2）比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜差隨比例帶的增大而增大。如要減小靜差，就需要減小比例帶，即需要增大比例增益K，這樣往往會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，對系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不利。（3）對于給定值不變的系統(tǒng)，即定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用比例調(diào)節(jié)尚可使被控參數(shù)對給定值實現(xiàn)有差跟蹤。但若給定值隨時間變化時，其跟蹤誤差將會隨時間的增大而增大。因此，比例調(diào)節(jié)不適合給定值隨時間變化的情況。（4）增大比例調(diào)節(jié)的增益K，不僅可以減少系統(tǒng)的靜差，而且還可以降低系統(tǒng)的慣性，加快系統(tǒng)的響應速度。在積分調(diào)節(jié)（簡稱I調(diào)節(jié)）中，可得到以下規(guī)律：（1）積分調(diào)節(jié)是一種無差調(diào)節(jié)。采用積分調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)的無差度，也即提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。（2）與P調(diào)節(jié)相比，積分調(diào)節(jié)的過度過程比較慢，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，這是積分調(diào)節(jié)的最大缺陷所在。（3）增大積分調(diào)節(jié)的積分速度，雖然在一定程度上可以提高系統(tǒng)的響應速度，但會加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定程度。微分調(diào)節(jié)的控制輸出與當前系統(tǒng)被調(diào)量偏差的變化速率成正比。由于變化速率（包括大小和方向）可以反映當前及稍后系統(tǒng)被調(diào)量的變化趨勢，因此，微分調(diào)節(jié)并不是等被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才動作，而是提前動作。在相當于賦予了調(diào)節(jié)器一某種程度的“預見性”，這對于防止系統(tǒng)被調(diào)量出現(xiàn)較大動態(tài)偏差是有利的。但是，單純的微分調(diào)節(jié)器是不能工作的。這是因為任何實際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，如果系統(tǒng)被調(diào)量一直是以難以察覺的速度緩慢變化時，調(diào)節(jié)器并不動作。但被調(diào)量的偏差卻是可能積累到相當大的數(shù)值而得不到校正，這種情況當然是不希望出現(xiàn)的。因此，單純的微分調(diào)節(jié)只能起輔助調(diào)節(jié)作用，不能單獨使用。在實際使用中，它往往與P或PI結合成PD或PID調(diào)節(jié)規(guī)律。PD調(diào)節(jié)規(guī)律，有以下結論：（1）PD調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)。這是因為在穩(wěn)態(tài)情況下，de/dt為零，微分部分已不起作用，PD調(diào)節(jié)已變成了P調(diào)節(jié)。（2）PD調(diào)節(jié)具有提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制過度過程最大動態(tài)偏差（或超調(diào)）的作用。這是因為微分作用總是力圖阻止被調(diào)量的變化，而使過度過程的變化速度趨向平緩的緣故。（3）PD調(diào)節(jié)有利于減小系統(tǒng)靜差（穩(wěn)態(tài)誤差），提高系統(tǒng)的響應速度。這是因為微分作用的適度增強，在保持過度過程衰減率不變的情況下，可以適當減小比例帶，即適當增加系統(tǒng)的開環(huán)增益，這不僅使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)得以減小，而且也可以使系統(tǒng)的頻帶得到加寬，提高了系統(tǒng)的響應速度。（4）PD調(diào)節(jié)也有一些不足之處，首先，PD調(diào)節(jié)一般只適應于時間常數(shù)較大或多容過程，不適用于流量、壓力的一些變化劇烈的過程。其次，當微分作用太強時（TD較大）會導致系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥頻繁開啟，容易造成系統(tǒng)振蕩。因此，PD調(diào)節(jié)一般總是以比例動作為主，微分動作為輔。另外，微分調(diào)節(jié)對于純延時過程是無效的。PID是比例、積分、微分控制規(guī)律的線性組合。他吸取了比例調(diào)節(jié)的快速反應功能、積分調(diào)節(jié)的消除靜差功能以及微分調(diào)節(jié)的預測功能，而彌補了三者的不足，取長補短。很顯然，從控制效果上看，應該是比較理想的一種控制規(guī)律。另外，從控制理論的觀點來看，與PD相比，PID提高了系統(tǒng)的無差度。與PI相比，PID多了一個零點，為動態(tài)性能的改善提供了可能。因此，PID兼顧了靜態(tài)和動態(tài)兩方面的控制要求，可以取得較為滿意的調(diào)節(jié)效果。 但是，事物都是一分為二的。雖然PID三作用調(diào)節(jié)器的性能效果比較理想，但并不意味著在任何情況下都可以采用PID三作用調(diào)節(jié)器。至少有一點可以說明，PID三個作用調(diào)節(jié)器要整定三個參數(shù)，在工程上很難將三個作用參數(shù)都能整定得最佳。如何參數(shù)整定的不合理，就難以發(fā)揮各個調(diào)節(jié)作用的長處，弄得不好還會適得其反。PID（比例、積分、微分）控制算法常用于需要對變化的條件進行校正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。PID的基本概念實際測量值與設定值之間的偏差e(t)，按比例－積分－微分的函數(shù)關系進行線性組合構成控制量u(t)，然后用u(t)對控制對象進行控制。其控制規(guī)律為：　　 ?。ǎ┦街小　壤?shù)?！　　　e分常數(shù)?！　　　⒎殖?shù)。在數(shù)字控制中，采用對模擬信號進行離散化處理的方法。設采樣周期為T用t=kT代替地k個采樣時刻的時間，可得離散的增量式PID控制算法為：　　　　　　　　　　　 　?。ǎ┦街小　趉個采樣時刻的控制量與第k－1個采樣時刻的控制量之差——第k個采樣時刻的偏差——第k個采樣時刻的偏差與第k－1個采樣時刻的系統(tǒng)偏差之差對于無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)，轉速調(diào)節(jié)器是整個系統(tǒng)的外環(huán)，它使電機轉速隨給定轉速變化，靜態(tài)無誤差，并且其輸出限幅為允許的最大電流，對負載的變化起抗干擾作用。在數(shù)字控制中，轉速的給定值由微機的A/D轉換單元或由I/O口輸入。速度反饋信號與給定的速度信號相減得到速度誤差ek，由于無刷直流電動機具有較好的動態(tài)性能，一般只需要通過PI算法得到新的電流參考值；　　　　　　　 　　　（）要想獲得良好的動態(tài)性能，必須適當?shù)剡x擇比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和采樣周期T三個參數(shù)的值。速度采樣周期T可以根據(jù)實際需要改變。電流調(diào)節(jié)器使電流在速度調(diào)節(jié)中跟隨給定轉速變化，起動是獲得最大的允許電流，過載時限制電樞電流最大值，同時對電網(wǎng)電壓波動起抗干擾作用。其實整個電流調(diào)整過程也就是PWM輸出信號的變化過程。通過調(diào)整PWM信號的占空比就可以調(diào)整電流的平均值。PWM波的占空比D由參考電流與檢測電流之間的誤差ierr決定，通常采用PI調(diào)節(jié)實現(xiàn)； （）式中　——第k個采樣時刻的PWM波占空比?！　　　趉－1個采樣時刻的PWM波占空比?！　　　趉個采樣時刻的電流誤差?！　　　趉－1個采樣時刻的電流誤差。注意：電流環(huán)與轉速環(huán)的傳遞函數(shù)是不同的，因此式（）的比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI以及采樣周期T的值與式（）中的值是不同的。 PWM調(diào)制方式［9］[10]脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)中的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM(Pulse Width Modulation)變換器。脈寬調(diào)制變換器就是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器。直流斬波調(diào)速最早是以它的顯著的節(jié)能效果應用于直流電動機車中，但是，由于它的某些缺點，未能在工業(yè)中推廣。自從晶體管迅速發(fā)展之后，才使得脈寬調(diào)速更容易實現(xiàn)，而且性能更好。因此，將脈寬調(diào)速推廣到一般工業(yè)中取代晶閘管整流調(diào)速有著廣闊的前景。只是由于器件容量的限制，目前直流PWM調(diào)速還只限于中、小功率的系統(tǒng)。隨著器件的發(fā)展，它的應用領域必然會日益擴大。例如晶閘管的生產(chǎn)水平已經(jīng)達到4500V、2500A，組成PWM變換器，可以用來驅(qū)動上千kw的電動機。sIdUsVDUdUsUd0tonTt(a)(b)M 脈沖調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)原理。虛線框內(nèi)的開關S表示脈寬調(diào)制器，調(diào)速系統(tǒng)的外加電源電壓Us為固定的直流電壓，當開關S閉合時，直流電流經(jīng)過S給電動機M供電。開關S打開時，直流電源供給M的電流被切斷，M經(jīng)二極管VD續(xù)流，電樞兩端電壓接近為零。如果開關S按照某固定頻率開閉而改變每周期內(nèi)的接通時間ton。時，控制脈沖寬度相應改變，從而改變了電動機兩端平均電壓，達到調(diào)速目的，脈沖波形見圖5－3b，其平均電壓為：　　 （）式中　T——脈沖時鐘　　　——接通時間　　　——PWM電壓的占空比（0≤ρ≤1）可見，在電源Us與PWM波的周期T固定的條件下，Ud可隨ρ的改變而平滑調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電動機的平滑調(diào)速。PWM信號的產(chǎn)生：改變脈沖占空比可以實現(xiàn)電動機轉速的調(diào)節(jié)，但首先需要將控制轉速的指令信號轉換為具有相應占空比的脈沖信號。PWM信號產(chǎn)生的基本方法是，將控制指令信號與固定的三角波或鋸齒載波信號進行比較，從而產(chǎn)生占空比正比于控制指令電壓的脈沖信號。因此，PWM信號產(chǎn)生電路主要有恒波形發(fā)生器以及脈沖寬度調(diào)制電路組成。恒波形發(fā)生器的作用是產(chǎn)生恒定頻率的振蕩波形作為載波，提供時間比較的基準，該波形可以是三角波，也可以是鋸齒波。脈沖寬度調(diào)制電路實際上就是電壓／脈沖轉換電路，一般由電壓比較器（或具有正反饋的高增益運算放大器）構成。在比較器兩個輸入端分別施加載波信號和控制指令信號，比較器輸出將按下述規(guī)律變化：①當控制指令信號電壓大于或等于三角波電壓時，輸出信號為比較器電源正電壓Ucc；②當控制指令信號電壓小于三角波電壓時，輸出信號為電源地信號0伏或比較器電源負電壓－Ucc。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率f的三角波或鋸齒波，與控制指令信號Ui在比較器中比較后，即產(chǎn)生寬度變化正比于控制指令信號的調(diào)制開關信號。［11］函數(shù)發(fā)生器＋－指令信號uiPWM信號脈沖寬度調(diào)制電路 PWM信號產(chǎn)生電路結構示意圖對于兩相導通星形六狀態(tài)無刷直流電動機，在一個周期內(nèi)，每個功率開關器件導通120176。電角度，每隔60176。有兩個開關器件切換．因此，PWM調(diào)制方式可以有以下五種：（1）on_pwm型：在120176。導通區(qū)內(nèi)，各開關管前60176。恒通、后60176。采用PWM調(diào)制。（2）pwm_on型：在120176。導通區(qū)內(nèi)，各開關管前60176。采用PWM調(diào)制、后60176。采用恒通。（3）H_pwmL_on型：在各自的120176。導通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率開關通過PWM調(diào)制、下橋臂開關恒通。（4）H_onL_pwm型：在各自的120176。導通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率開關恒通、下橋臂功率開關管通過PWM調(diào)制。（5）H_onL_pwm型：上下橋臂各管皆為PWM調(diào)制方式。ωtωtωtωtωtωtVT2VT5VT6VT1VT4VT360060120180240300360 半橋PWM調(diào)制（on_pwm型）ωtωtωtωtωtωtVT2VT5VT6VT1VT4VT360060120180240300360 半橋PWM調(diào)制（pwm_on型