【正文】 統(tǒng)中總是成對(duì)應(yīng)用的。與指令軸相聯(lián)的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，與執(zhí)行軸相聯(lián)的稱作接收機(jī)。按用途不同，自整角機(jī)可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)兩類。力矩式自整角機(jī)可以不經(jīng)中間放大環(huán)節(jié)，直接傳遞轉(zhuǎn)角信息，一般用于微功率同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。對(duì)功率較大的負(fù)載，力矩式自整角機(jī)帶動(dòng)不了，可采用控制式自整角機(jī)，將自整角接收機(jī)接成變壓器狀態(tài)，其輸出電壓通過中間放大環(huán)節(jié)帶動(dòng)負(fù)載，組成自整角機(jī)隨動(dòng)系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)單分析本次設(shè)計(jì)使用的控制式自整角機(jī)的工作原理和使用。先看單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。它具有—個(gè)單相勵(lì)磁繞組和一個(gè)三相整步繞組，單相勵(lì)磁繞組安置在轉(zhuǎn)子上，通過兩個(gè)滑環(huán)引入交流勵(lì)磁電流，勵(lì)磁磁極通常做成隱極式。這樣可使輸入阻抗不隨轉(zhuǎn)子位置而變化。整步繞組是三相繞組，一般為分布繞組，安置在定子上，它們被此在空間相隔，并接成Y形。BST為自整角發(fā)送機(jī)，BSR為自整角接收機(jī)。本次模型中采用的自整角機(jī)的放大系數(shù)。自整角機(jī)本身的檢測(cè)誤差。傳遞函數(shù)為式（42），是簡(jiǎn)單的線性函數(shù)在數(shù)學(xué)模型將不會(huì)出現(xiàn)，但在計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)將會(huì)用到自整角機(jī)的參數(shù)。自整角機(jī)還包括相敏整流器URP，可以把它當(dāng)作自整角機(jī)的一部分，相當(dāng)于一個(gè)電壓放大器，并反映的極性，放大系數(shù)2，當(dāng)然它在數(shù)學(xué)模型中也不會(huì)出現(xiàn)?？刂剖阶哉菣C(jī)是作為轉(zhuǎn)角電壓變換器用的。使用時(shí)，將兩臺(tái)自整角機(jī)的定子繞組出線端用三根導(dǎo)線連接起來，發(fā)送機(jī)BST轉(zhuǎn)子繞組接單相交流勵(lì)磁電源，而接收機(jī)BSR轉(zhuǎn)子繞組輸出是反映角位移的電壓信號(hào)為 （42）式中——自整角接受機(jī)輸出正弦電壓的最大值； ——發(fā)送機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角； ——接受機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角。設(shè)發(fā)送機(jī)的單相交流勵(lì)磁電壓的表達(dá)式為 （43）3．電壓比較放大器（A）這是位置隨動(dòng)系統(tǒng)所必須有的裝置。它的作用是發(fā)出控制信號(hào)，由于可正可負(fù)。放大器必須具有鑒別電壓極性的能力，輸出的控制的電壓也是可逆的。放大系數(shù)，函數(shù)關(guān)系。這個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系也不會(huì)在數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)。4．電力電子變換器（UPE） 起功率放大作用，而且是可逆的。PWM變換器有可逆和不可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等。在本次大功率隨動(dòng)系統(tǒng)中選取雙極式控制的橋式可逆PWM變換器，因?yàn)槭谴蠊β氏到y(tǒng)變換器采用可關(guān)斷晶閘管。采用PWM的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展越來越成熟，用途也很廣，與單純的晶閘管調(diào)速系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點(diǎn)1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小；3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖41所示，是橋式可逆PWM變換器的原理圖。它的工作原理是正向運(yùn)行時(shí)，第1階段，在 0 t 期間，、為正，、導(dǎo)通，、為負(fù)，、截止，電流沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓= +Us；第2階段，在tT期間，、為負(fù)，、截止，、續(xù)流，并鉗位使、保持截止，電流沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓= –Us；反向運(yùn)行時(shí)，第1階段，在 0 t期間，、為負(fù)，、截止，、續(xù)流，并鉗位使、截止，電流沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓= +Us；第2階段，在t T 期間，、為正，、導(dǎo)通，、為負(fù)，使、保持截止，電流沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓= – Us。 圖41 橋式可逆PWM變換器的原理圖本次設(shè)計(jì)采用的PWM變換器的開關(guān)頻率=2000，即失控時(shí)間=，失控時(shí)間已經(jīng)非常小，大大提高了系統(tǒng)的快速性，所以時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（其中=），傳遞函數(shù)為 （44）5．電流調(diào)節(jié)器（ACR）按工程設(shè)計(jì)法選擇典型I型系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 （45）6．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）按工程設(shè)計(jì)法選擇典型I型系統(tǒng)，選用PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 （46）7．位置調(diào)節(jié)器（AWR）按工程設(shè)計(jì)法和位置系統(tǒng)的校正，典型II型系統(tǒng)，選用PID調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 （47）8．伺服電機(jī)（SM）基于本次設(shè)計(jì)的大功率隨動(dòng)系統(tǒng)選擇永磁式直流伺服電機(jī)，即直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z242，銘牌參數(shù)，。伺服電機(jī)可視為一個(gè)二階系統(tǒng)，分為兩個(gè)傳遞函數(shù),，一部分為電機(jī)電樞近似成一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 （48）一部分為傳動(dòng)裝置近似為積分環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為　　　　　　　　　　　　　　　　 （49）9．負(fù)載負(fù)載就不做具體介紹，它也是系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的被控位置對(duì)象，我們主要研究它的數(shù)學(xué)模型。傳遞函數(shù)近似為積分環(huán)節(jié) （410）三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)功率大，采用低轉(zhuǎn)速的直流伺服電機(jī)，所以本設(shè)計(jì)取消減速器。 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖42所示。圖42 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖41所示ACR是電流調(diào)節(jié)器，ASR是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，AWR是位置調(diào)節(jié)器，其中，、是位置環(huán)節(jié)的放大系數(shù)與時(shí)間常數(shù)，=，=。圖中參數(shù)：，=，，， 。晶閘管電機(jī)主回路總電阻：。 其中鑒相濾波傳遞函數(shù)即為位置環(huán)的傳遞函數(shù)，只是把它具體化了，但我們不需要了解鑒相濾波的具體功能。在下一節(jié)中會(huì)按工程法設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)。位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)器是設(shè)計(jì)好的我們就不作計(jì)算。以下是給定的調(diào)整好參數(shù)的的電流調(diào)節(jié)器ACR、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR、位置調(diào)節(jié)器AWR的傳遞函數(shù)分別為： =， =， = ， 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算已知直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Z242，銘牌參數(shù)，。電力電子變換器的增益，電壓放大器的增益，相敏整流器的放大系數(shù)。自整角機(jī)的放大系數(shù)，自整角機(jī)的本身檢測(cè)誤差。方法是當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸入軸以最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，求出此時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而求出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由以前分析可知系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為檢測(cè)誤差、給定誤差和擾動(dòng)誤差的總和，按I型系統(tǒng)計(jì)算。根據(jù)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差分析法將整個(gè)三環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單位負(fù)反饋的線性系統(tǒng)，不考慮校正裝置，即不加入調(diào)節(jié)器。如圖43所示，為該系統(tǒng)計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖。計(jì)算過程如下：電動(dòng)機(jī)的額定效率為 電動(dòng)機(jī)的電樞電阻為 電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為圖43 位置隨動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（未考慮校正裝置）由已知電動(dòng)機(jī)輸出軸的最高轉(zhuǎn)速為=250， 此時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流為 由圖42和表32可知，速度輸入的給定誤差為 同理，由負(fù)載轉(zhuǎn)矩引起的擾動(dòng)誤差為 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為 這就是按I型系統(tǒng)計(jì)算出來的穩(wěn)態(tài)誤差，即在未引入PID調(diào)節(jié)器的情況下，在當(dāng)動(dòng)態(tài)校正引入位置PID調(diào)節(jié)器后便成為典型II系統(tǒng)，則速度輸入下的給定誤差和擾動(dòng)誤差都可消除，穩(wěn)態(tài)誤差顯著減小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度可顯著提高。所以，對(duì)于本次研究的階躍響應(yīng)來說，顯然鎖相位置隨動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度更高，抗干擾能力也很強(qiáng)。通過計(jì)算系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定性能方面符合設(shè)計(jì)要求。 三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析 雙慣性環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析我們把兩個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)單獨(dú)拿出來分析它們的穩(wěn)定性，如圖44a）所示為雙慣性線性環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖，其中前一部分是晶閘管的傳遞函數(shù)，后一部分是電機(jī)電樞傳遞函數(shù)。圖4b）為兩部分等效的傳遞函數(shù)框圖。 a)b) 圖44 位置隨動(dòng)系統(tǒng)雙慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) a) 等效前的傳遞函數(shù) b)等效后的傳遞函數(shù)等效單位反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)為 傳遞函數(shù)的特征方程為 我們知道這是一個(gè)二階系統(tǒng)，可由赫爾維思穩(wěn)定判據(jù)可知，特征方程的系數(shù)都為正，系統(tǒng)的特征值實(shí)部肯定為兩個(gè)負(fù)根，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。 未加入調(diào)節(jié)器的三環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析未經(jīng)過動(dòng)態(tài)校正的系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)分別為位置環(huán)傳遞函數(shù)為 =晶閘管傳遞函數(shù)為 =電機(jī)電樞傳遞函數(shù)為位置對(duì)象的傳遞函數(shù)為 =不考慮干擾輸入量，整個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)等效為單位線性反饋系統(tǒng)，所以等效的傳遞函數(shù)為所以，特征方程為 利用勞思穩(wěn)定判據(jù) 1 0 0 0 0 0 由勞思表可知，第一列有兩次符號(hào)變化，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定，特征值有兩個(gè)正實(shí)部。所以系統(tǒng)有必要有進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，即調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正。 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)三環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖45 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用如前所述的工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)節(jié)看作是三環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，最后是位置調(diào)節(jié)器。本系統(tǒng)唯一的改動(dòng)是取消了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)之前的兩個(gè)濾波環(huán)節(jié)。但設(shè)計(jì)方法一樣。如圖45所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)濾波環(huán)節(jié)，電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的濾波環(huán)節(jié)已經(jīng)省去。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1．電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化 在圖44中，在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多，對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的的擾動(dòng)，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即 。這樣在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，可以證明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流作用的近似條件是 （411）式中——電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 由于比小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 （412）電流環(huán)簡(jiǎn)化的近似條件為 （413） 2．電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，可以看出，采用I型就夠了。再從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選擇典型I型系統(tǒng)。 如圖46所示,為電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖46表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 （414）為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇 （415）圖46 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成典型形式，其中 （416）繪出了校正后的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性。上述結(jié)果是在假定條件下得到的，現(xiàn)將用過的假定條件歸納如下，以便具體設(shè)計(jì)時(shí)校驗(yàn)。電力電子變換器純滯后近似處理 （417）