【導讀】以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙。閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。在理論分析和仿真研究的基礎上，本文設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調速系。統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱。字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設計的調速系統(tǒng)是否可行.

　　

【正文】 雙極式控制可逆 PWM 變換器的 4 個驅動電壓波形如圖 3— 6 所示。 圖 3— 6 雙極式控制可逆 PWM 變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關系是： Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。在一個開關周期內，當 0≤ tton時， Uab= Us，電樞電流 id 沿回路 1 流通；當 ton≤ tT 時，驅動電壓反相， id沿回路 2 經二極管續(xù)流， Uab=Us。因此， Uab 在一 個周期內具有正負相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。 本科畢業(yè)設計論文 25 圖 3— 6 也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。 1dI 相當于一般負載的情況，脈動電流的方向始終為正； 2dI 相當于輕載情況，電流可在正負方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負載電流。電動機的正反轉則體現(xiàn)在驅動電壓正、負脈沖的寬度上。當正脈沖較寬時， tonT/2,則 Uab 的平均值為正，電動機正轉，反之，則反轉；如果正、負脈沖相等， t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動機停止。圖 3— 6 所示的波形是電動機正轉時的情況。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： sonsonsond U)1Tt2(UT tTUTtU ????? 若占空比ρ和電壓系數γ的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：γ =2ρ 1 就和不可逆變換器中的關系不一樣了。調速時，ρ的可調范圍為0~1，相應的，γ =（ 1） ~（ +1）。當ρ 1/2 時，γ為正，電動機正轉；當ρ 1/2時，γ為負，電動機反轉；當ρ =1/2 時，γ =0，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的 交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點： 1) 電流一定連續(xù)； 2) 可使電動機在四象限運行； 3) 電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； 4) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達 1： 20200 左右； 5) 低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。為了克服上述缺點，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關次數和開關損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能會略有降低 [4， 8]。 本科畢業(yè)設計論文 26 第四章 直流電動機數學模型的建立 數學模型的建立 建立電動機動態(tài)數學模型的方法的要點是：首先列寫出電動機主電路電 壓平衡方程式，軸上力矩平衡方程式和勵磁電路電壓平衡方程式等基本關系式，加以整理，然后進行拉普拉斯變換，根據此變換，即可求出電動機的動態(tài)結構圖和傳遞函數的表達式 [1， 10]。 圖 4— 1 上圖為一他勵直流電動機的等效電路，其中： aU E分別為電動機電樞端電壓和反電勢； dI fI 電動機電樞電流和勵磁電流； aR aL 電樞電路電阻和電感； fR fL 勵磁電路電阻和電感； fU 電動機的勵磁電壓； ω 電動機的角速度； J電動機軸上的轉動慣量； eT lT 電動機轉矩和負載阻轉矩。 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換 由上圖可寫出下列基本關系式： aU E= aR (1+ aTS? ) dI eT lT =J? S?ω 本科畢業(yè)設計論文 27 fU = fR ? ? ff ITS ???1 E= ??? ?????? fe IMpK Te= dfdm IIMpIK ?????? ? 其中 : aaa RLT ? 為電樞電路時間常數； fff RLT ? 為勵磁電路時間常數； p 為電動機磁極對數； M 為勵磁繞組和電樞繞組的互感； 動態(tài)結構圖 將 S=d/dt 看作算子，則上述諸式也就是它們的拉氏變換。所以由上式可畫出直流電動機的結構。如圖 4— 2 所示。 圖 4— 2 如果將討論的問題限制在穩(wěn)態(tài)工作點附近的小偏差情況，經過化簡，可得此時系統(tǒng)的增量方程為： daaa ITSREU ?????? )1( ????? SJTT le ffff ITSRU ????? )1( 00 ????????? ff IMpIMpE ? 00 dfdfe IIMpIIMpT ???????? 為簡化起見，式中表示增量的下標 1 已刪去。由諸式可畫出直流電動機在獨立電樞電壓和磁場控制下的動態(tài)結構圖如下所示： 本科畢業(yè)設計論文 28 圖 43 1) 當電動機磁場恒定時，動態(tài)結構圖可化為下圖形式： 其傳遞函數為： ? ? 1/1)( )( 2 ??????? sTsTT CsU ssWmamea? 或寫成： 222 /)(nnen ss CsW ???? ????? 式中 : man TT ??1?固有振蕩頻率 ζ = amTT衰減系數或阻尼比 eC = ??eK = ??mK = mC = C電勢系數或轉矩系數 2CRJT am ?? 電動機的電氣機械時間常數 當ζ〈 1 時，輸出響應是振蕩的； 當ζ≥ 1 時，輸出響應是非振蕩的； 當ζ 2,即 Tm4Ta 時，傳遞函數可寫成如下形式： )1)(1(/1)( )()( ?????? sTsT CsU ssWmaea? 本科畢業(yè)設計論文 29 次式表明，在外施階躍電壓作用下，首先產生由于時間常數 aT 而滯后的電樞電流，然后下一步輸出因 mT 滯后的響應速 度。 2) 略去電樞電感 aL ，動態(tài)結構圖可化為： 其傳遞函數為： 1/1)( )()( ???? sT CsU ssWmea? 其中： 2CRJCC RJT ameam ????? 3) 當負載中含有隨轉速成比例變化的粘性摩擦負載，即 ???? lll KTT 1 時，結構圖如下 ： 其中轉矩系數 fem IMpCCC ????? 4) 忽略電樞電感但需要計入粘性摩擦負載時動態(tài)結構圖如下： 本科畢業(yè)設計論文 30 由上圖可得直流電動機的傳遞函數： ? ?? ? 1)( ???????????sCCKR RJCCKRCsUssWmelaamelama? 以上四種的討論都是就恒定磁場他勵直流電動機而言，而永磁直流電動機只不過是用永久磁鐵代替了恒定他勵電動機達到勵磁繞組， 故兩者具有相同的等效電路，如下圖： 當永磁電動機用于伺服系統(tǒng)時，常常要考慮帶有粘性負載的情況。此時，用下列諸式描述起其動態(tài)過程： ?? ????? le KsJT ① dml ICT ?? ② ? ?aadea LsRICU ?????? ? ③ 由①、②可得： ? ?? ?lmd KsJCsI s ????④ 本科畢業(yè)設計論文 31 令 me am CCRJT ???為電動機的電氣機械時間常數， aaa RLT ?為電動機的電氣時間常數，由③、④式可得： ? ? ? ?? ??????? ?????????? ????????1/12 mlamlmamea TJKsTTJKTsTTCsUssW ?⑤ 式④、⑤分別是以電樞電流 dI 和電樞電壓 dU 為輸入，以角速度ω為輸出時，永 磁電動機的傳遞函數，這兩種表達式可根據組成控制系統(tǒng)時的具體情況來選用， 通常把永磁直流電動機作為電流變換裝置，選取式④較好，因為相對于式⑤，式 ④只有 一個極點。 顯然，若忽略不計粘性摩擦負載，則 KL=0，此時，永磁電動機的傳遞函數 式⑤與前描述式 ? ? 1/1 2 ?????? sTsTT CsWmame相同，若電樞電感也可忽略不計，則式⑤與前述式 ? ? 1/1 ??? sT CsWme 相同。 本設計中電動機部分的數據采集和計算 已知：電動機部分 [9， 10]：電動機電樞端電壓 aU =220V，電動機的電樞電 流 dI =，電樞電路電阻 aR =，轉速 n=1600r/min,額定功率 nP =185w，電樞電路電感 aL =，極對數 p=2，電磁轉矩 M=,角速度ω =1600*2π/60=,頻率 W=50HZ； 勵磁部分：勵磁電壓 fU =220V，勵磁電流fI =,勵磁電路電阻 fR = ,勵磁電路電感 fL =。轉動慣量J=*m。 經計算： aT = fT = 所以得出結論： 電動機磁場恒定時， ? ? 1/1)( )( 2 ??????? sTsTT CsU ssW mam ea? = ???? ss (2) 略去電樞電感 aL 時， 本科畢業(yè)設計論文 32 1/1)( )()( ???? sT CsU ssW m ea? = ??s （ 4）忽略電樞電感但需要計入粘性摩擦負載時 ? ?? ? 1)( ???????????sCCKR RJCCKRCsUssWmelaamelama? = ???? lKs 其中， lL 是由負載決定的。 本科畢業(yè)設計論文 33 第五章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真 MATLAB 簡介 系統(tǒng)仿真和調試在設計電路時 ,要對所設計的電路的性能進行預計、判斷和校驗。過去常用數學和物理這兩種方法 ,它們對設計規(guī)模較小的一般電路是可行的。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展 ,電路品種日新月異 ,規(guī)模越來越大 ,同時對電路的可靠性、性價比也越來越高 ,原來的方法已完全不能適應電路的要求?？刂葡到y(tǒng)的計算機法仿真是一門涉及到控制理論、計算機技術的綜合性新興學科。它是以控制系統(tǒng)的數學模型為基礎，以計算機為工 具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型代替實際系統(tǒng)進行實驗和研究，而計算機仿真能夠為各種試驗提供方便、靈活可靠的數學模型。目前應用的比較多的是 MATLAB ,它包含了強大的仿真器和仿真庫。使用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數為基礎，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱，從元件庫中選取所需的元件 ,連接好原理圖 ,加上激勵源 ,然后單擊仿真按鈕即可自動開始 ,可以同時觀察復雜的模擬信號和數字信號波形 ,以及得到電路性能的全部波形 [6， 8]。 雙閉環(huán)調速系 統(tǒng)的仿真 下圖為雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真圖： 說明：在 SIMULINK 中， PWM 為一個完整模塊。 本科畢業(yè)設計論文 34 圖 5— 1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真圖 本科畢業(yè)設計論文 35 仿真結果如下： 用繪圖命令 plot(tout , yout) 在 MATLAB 命令窗口里繪制圖形，觀察仿真輸出，如下圖所示： 仿真結果說明：轉速和電流滿足設計所需的靜、動態(tài)性能指標。 本科畢業(yè)設計論文 36 結 論 通 過這次設計，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計。具體的說，第一，了解了調速的發(fā)展史的同時，進一步了解了交流調速系統(tǒng)所蘊涵的發(fā)展?jié)摿Γ莆樟诉@一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性；第三， ASR、 ACR（速度、電流調節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標在結構上的選取，包括其參數的計算；第四，直流電動機數學模型的建立，參數的計算；第六， PWM 脈寬調制系