【正文】 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其回升，并等于或接近原來(lái)的轉(zhuǎn)速。“恒速”調(diào)速。nn00nenancnfnbndML1ML2M 調(diào)速與機(jī)械特性關(guān)系單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)SF，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓與給定電壓比較后的偏差電壓△u，經(jīng)過(guò)放大器，產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF的控制電壓，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這里只有一個(gè)轉(zhuǎn)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(guò)調(diào)節(jié)器觸發(fā)裝置的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流器電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。當(dāng)平波電抗器足夠大時(shí)，電樞電流保持連續(xù)。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，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(duì)于三相零式整流電路A=，對(duì)于三相橋式全控整流電路A=；α為控制角；E為電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)；且E＝Cen(n為轉(zhuǎn)速)；Ce為反電勢(shì)系數(shù)；Id為電動(dòng)機(jī)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(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流過(guò)大的裝置。根據(jù)反饋控制原理，要維持那一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。因此，引入電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。但是，這種作用只應(yīng)該在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)又得取消，使靜特性(轉(zhuǎn)速與電流的穩(wěn)態(tài)關(guān)系)保持較好的硬度，讓電流自由地隨著負(fù)載增減。這樣一來(lái)，一旦電流超過(guò)某一規(guī)定值時(shí)，電流負(fù)反饋即投入運(yùn)行，使靜特性急劇地“軟化”。隨著電流的增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降，當(dāng)電流增加到某一數(shù)值(即堵轉(zhuǎn)電流)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)(即堵轉(zhuǎn))。這種當(dāng)電流達(dá)到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，也可以做到無(wú)靜差，很好的解決了系統(tǒng)中動(dòng)、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(lái)限制啟動(dòng)和升速時(shí)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(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，甚至使啟動(dòng)和加速過(guò)程延長(zhǎng)。自動(dòng)控制理論提示，進(jìn)一步解決問題的唯一途徑就是對(duì)電流這個(gè)物理量也實(shí)行負(fù)反饋控制。同時(shí)電流控制回路中設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量。這樣，系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。這樣的系統(tǒng)，稱為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)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(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，即以轉(zhuǎn)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。其中，ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，通常采用PID算法實(shí)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(shí)際上是電磁轉(zhuǎn)矩。速度給定信號(hào)n*與速度反饋信號(hào)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(hào)的參考值i*，與電流信號(hào)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(shí)際輸出電壓。邏輯控制單元的任務(wù)是根據(jù)位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)及正反轉(zhuǎn)指令信號(hào)決定導(dǎo)通相。被確定要導(dǎo)通的相并不總是在導(dǎo)通，它還要受PWM輸出信號(hào)的控制，邏輯“與”單元的任務(wù)就是把換相信號(hào)和PWM信號(hào)結(jié)合起來(lái)，再送到逆變器的驅(qū)動(dòng)電路?！o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖[8]在工程實(shí)際中，應(yīng)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(jiǎn)稱PID。PID之所以能夠作為一種基本控制方式獲得廣泛應(yīng)用，是由于它具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等許多優(yōu)點(diǎn)。P是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，根據(jù)理論的有關(guān)知識(shí)，有以下結(jié)論：（1）比例調(diào)節(jié)是一種有差調(diào)節(jié)。換句話說(shuō)，調(diào)節(jié)器采用比例控制規(guī)律，就不可避免地會(huì)使系統(tǒng)存在靜差。這是因?yàn)橹挥衅钚盘?hào)不為零時(shí)，調(diào)節(jié)器才會(huì)有輸出調(diào)節(jié)，如果為零，調(diào)節(jié)器輸出為零，就會(huì)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(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不利。（3）對(duì)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(duì)給定值實(shí)現(xiàn)有差跟蹤。但若給定值隨時(shí)間變化時(shí)，其跟蹤誤差將會(huì)隨時(shí)間的增大而增大。因此，比例調(diào)節(jié)不適合給定值隨時(shí)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(yīng)速度。在積分調(diào)節(jié)（簡(jiǎn)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(wú)差調(diào)節(jié)。采用積分調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)的無(wú)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(guò)度過(guò)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(yīng)速度，但會(huì)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(dāng)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(dāng)前及稍后系統(tǒng)被調(diào)量的變化趨勢(shì)，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(dòng)作，而是提前動(dòng)作。在相當(dāng)于賦予了調(diào)節(jié)器一某種程度的“預(yù)見性”，這對(duì)于防止系統(tǒng)被調(diào)量出現(xiàn)較大動(dòng)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?yàn)槿魏螌?shí)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(shí)，調(diào)節(jié)器并不動(dòng)作。但被調(diào)量的偏差卻是可能積累到相當(dāng)大的數(shù)值而得不到校正，這種情況當(dāng)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(dú)使用。在實(shí)際使用中，它往往與P或PI結(jié)合成PD或PID調(diào)節(jié)規(guī)律。PD調(diào)節(jié)規(guī)律，有以下結(jié)論：（1）PD調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)。這是因?yàn)樵诜€(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(guò)度過(guò)程最大動(dòng)態(tài)偏差（或超調(diào)）的作用。這是因?yàn)槲⒎肿饔每偸橇D阻止被調(diào)量的變化，而使過(guò)度過(guò)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(yīng)速度。這是因?yàn)槲⒎肿饔玫倪m度增強(qiáng)，在保持過(guò)度過(guò)程衰減率不變的情況下，可以適當(dāng)減小比例帶，即適當(dāng)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(yīng)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(yīng)于時(shí)間常數(shù)較大或多容過(guò)程，不適用于流量、壓力的一些變化劇烈的過(guò)程。其次，當(dāng)微分作用太強(qiáng)時(shí)（TD較大）會(huì)導(dǎo)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(dòng)作為主，微分動(dòng)作為輔。另外，微分調(diào)節(jié)對(duì)于純延時(shí)過(guò)程是無(wú)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(yīng)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(yù)測(cè)功能，而彌補(bǔ)了三者的不足，取長(zhǎng)補(bǔ)短。很顯然，從控制效果上看，應(yīng)該是比較理想的一種控制規(guī)律。另外，從控制理論的觀點(diǎn)來(lái)看，與PD相比，PID提高了系統(tǒng)的無(wú)差度。與PI相比，PID多了一個(gè)零點(diǎn)，為動(dòng)態(tài)性能的改善提供了可能。因此，PID兼顧了靜態(tài)和動(dòng)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(diǎn)可以說(shuō)明，PID三個(gè)作用調(diào)節(jié)器要整定三個(gè)參數(shù)，在工程上很難將三個(gè)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(gè)調(diào)節(jié)作用的長(zhǎng)處，弄得不好還會(huì)適得其反。PID（比例、積分、微分）控制算法常用于需要對(duì)變化的條件進(jìn)行校正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。PID的基本概念實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值之間的偏差e(t)，按比例－積分－微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行線性組合構(gòu)成控制量u(t)，然后用u(t)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化處理的方法。設(shè)采樣周期為T用t=kT代替地k個(gè)采樣時(shí)刻的時(shí)間，可得離散的增量式PID控制算法為：　　　　　　　　　　　 　?。ǎ┦街小　趉個(gè)采樣時(shí)刻的控制量與第k－1個(gè)采樣時(shí)刻的控制量之差——第k個(gè)采樣時(shí)刻的偏差——第k個(gè)采樣時(shí)刻的偏差與第k－1個(gè)采樣時(shí)刻的系統(tǒng)偏差之差對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是整個(gè)系統(tǒng)的外環(huán)，它使電機(jī)轉(zhuǎn)速隨給定轉(zhuǎn)速變化，靜態(tài)無(wú)誤差，并且其輸出限幅為允許的最大電流，對(duì)負(fù)載的變化起抗干擾作用。在數(shù)字控制中，轉(zhuǎn)速的給定值由微機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換單元或由I/O口輸入。速度反饋信號(hào)與給定的速度信號(hào)相減得到速度誤差ek，由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，一般只需要通過(guò)PI算法得到新的電流參考值；　　　　　　　 　　?。ǎ┮氆@得良好的動(dòng)態(tài)性能，必須適當(dāng)?shù)剡x擇比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和采樣周期T三個(gè)參數(shù)的值。速度采樣周期T可以根據(jù)實(shí)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(zhuǎn)速變化，起動(dòng)是獲得最大的允許電流，過(guò)載時(shí)限制電樞電流最大值，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起抗干擾作用。其實(shí)整個(gè)電流調(diào)整過(guò)程也就是PWM輸出信號(hào)的變化過(guò)程。通過(guò)調(diào)整PWM信號(hào)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(cè)電流之間的誤差ierr決定，通常采用PI調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)； （）式中　——第k個(gè)采樣時(shí)刻的PWM波占空比?！　　　趉－1個(gè)采樣時(shí)刻的PWM波占空比?！　　　趉個(gè)采樣時(shí)刻的電流誤差。　　　——第k－1個(gè)采樣時(shí)刻的電流誤差。注意：電流環(huán)與轉(zhuǎn)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(jiǎn)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(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)車中，但是，由于它的某些缺點(diǎn)，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(shí)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(yīng)用領(lǐng)域必然會(huì)日益擴(kuò)大。例如晶閘管的生產(chǎn)水平已經(jīng)達(dá)到4500V、2500A，組成PWM變換器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)上千kw的電動(dòng)機(jī)。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(guān)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(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，直流電流經(jīng)過(guò)S給電動(dòng)機(jī)M供電。開關(guān)S打開時(shí)，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(guān)S按照某固定頻率開閉而改變每周期內(nèi)的接通時(shí)間ton。時(shí)，控制脈沖寬度相應(yīng)改變，從而改變了電動(dòng)機(jī)兩端平均電壓，達(dá)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(shí)鐘　　　——接通時(shí)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。PWM信號(hào)的產(chǎn)生：改變脈沖占空比可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，但首先需要將控制轉(zhuǎn)速的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相應(yīng)占空比的脈沖信號(hào)。PWM信號(hào)產(chǎn)生的基本方法是，將控制指令信號(hào)與固定的三角波或鋸齒載波信號(hào)進(jìn)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(hào)。因此，PWM信號(hào)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(shí)間比較的基準(zhǔn)，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(shí)際上就是電壓／脈沖轉(zhuǎn)換電路，一般由電壓比較器（或具有正反饋的高增益運(yùn)算放大器）構(gòu)成。在比較器兩個(gè)輸入端分別施加載波信號(hào)和控制指令信號(hào)，比較器輸出將按下述規(guī)律變化：①當(dāng)控制指令信號(hào)電壓大于或等于三角波電壓時(shí)，輸出信號(hào)為比較器電源正電壓Ucc；②當(dāng)控制指令信號(hào)電壓小于三角波電壓時(shí)，輸出信號(hào)為電源地信號(hào)0伏或比較器電源負(fù)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(hào)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(hào)的調(diào)制開關(guān)信號(hào)。［11］函數(shù)發(fā)生器＋－指令信號(hào)uiPWM信號(hào)脈沖寬度調(diào)制電路 PWM信號(hào)產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)于兩相導(dǎo)通星形六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，在一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通120176。電角度，每隔60176。有兩個(gè)開關(guān)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(dǎo)通區(qū)內(nèi)，各開關(guān)管前60176。恒通、后60176。采用PWM調(diào)制。（2）pwm_on型：在120176。導(dǎo)通區(qū)內(nèi)，各開關(guān)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(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率開關(guān)通過(guò)PWM調(diào)制、下橋臂開關(guān)恒通。（4）H_onL_pwm型：在各自的120176。導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率開關(guān)恒通、下橋臂功率開關(guān)管通過(guò)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