【正文】 畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生在校期間最后一個重要的綜合性實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生全面運用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識基本技能，對實際問題進行設(shè)計和研究的綜合訓(xùn)練。3. 建立數(shù)學(xué)模型，計算其參數(shù)。論文的主要工作如下。 圖5—1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖仿真結(jié)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(jié)果說明：轉(zhuǎn)速和電流滿足設(shè)計所需的靜、動態(tài)性能指標(biāo)。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(shù)學(xué)模型。過去常用數(shù)學(xué)和物理這兩種方法,它們對設(shè)計規(guī)模較小的一般電路是可行的。 本設(shè)計中電動機部分的數(shù)據(jù)采集和計算已知：電動機部分[9，10]：電動機電樞端電壓 =220V，電動機的電樞電流 =，電樞電路電阻 =，轉(zhuǎn)速n=1600r/min,額定功率=185w，電樞電路電感=，極對數(shù)p=2，電磁轉(zhuǎn)矩M=,角速度ω=1600*2π/60=,頻率W=50HZ； 勵磁部分：勵磁電壓=220V，勵磁電流=,勵磁電路電阻=,勵磁電路電感=。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(jié)構(gòu)圖如下所示：圖431) 當(dāng)電動機磁場恒定時，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為下圖形式：其傳遞函數(shù)為： 或?qū)懗桑?式中: 固有振蕩頻率 ζ=衰減系數(shù)或阻尼比 = = == C電勢系數(shù)或轉(zhuǎn)矩系數(shù) 電動機的電氣機械時間常數(shù)當(dāng)ζ〈1時，輸出響應(yīng)是振蕩的；當(dāng)ζ≥1時，輸出響應(yīng)是非振蕩的；當(dāng)ζ2,即Tm4Ta時，傳遞函數(shù)可寫成如下形式： 次式表明，在外施階躍電壓作用下，首先產(chǎn)生由于時間常數(shù)而滯后的電樞電流，然后下一步輸出因滯后的響應(yīng)速度。 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換由上圖可寫出下列基本關(guān)系式： E= (1+) =JSω = E= Te=其中: 為電樞電路時間常數(shù)； 為勵磁電路時間常數(shù)；p為電動機磁極對數(shù)；M為勵磁繞組和電樞繞組的互感； 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖將S=d/dt看作算子，則上述諸式也就是它們的拉氏變換。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)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(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。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。圖3—6所示的波形是電動機正轉(zhuǎn)時的情況。圖3—6也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。圖3—5 橋式可逆PWM變換器雙極式控制可逆PWM變換器的4個驅(qū)動電壓波形如圖3—6所示。圖3—1脈寬調(diào)制變換器電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 a）原理圖 b)電壓波形圖 如圖3—2 a)所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由VT1—VT2共4個電力電子開關(guān)器件構(gòu)成橋式（或稱H形）可逆脈沖寬度調(diào)制（PULSE WIDTH MODULATION，簡稱PWM）變換器。直流斬波器電動機系統(tǒng)的原理如圖3—1a所示，其中VT用開關(guān)符號表示任何一種電力電子器件，VD表示續(xù)流二極管。 脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電。（3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： ASR的比例系數(shù)：（4）近似校驗 轉(zhuǎn)速截止頻率為：①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：，滿足條件；②轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：（5）檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，,:，滿足設(shè)計要求。電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計要求。計算反饋關(guān)鍵參數(shù)： 一.　電流環(huán)的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)a) 整流裝置滯后時間常數(shù)；（見附錄表一）電流濾波時間常數(shù)= s（，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1～2）=，因此取=2ms=）電流環(huán)小時間常數(shù)之和按小時間常數(shù)近似處理。如前所述,轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng),所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成PI型調(diào)節(jié)器,如下式所示: （5） 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快的跟隨給定電壓Un*的變化；穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；2) 對負載變化起抗擾作用；3) 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流；1) 為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；2) 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用；在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用?；诖?在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電流環(huán)首先要考慮的問題,所以一般電流環(huán)多設(shè)計為Ⅰ型系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)的設(shè)計應(yīng)以此為限定條件。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。接下來可用一個實例來說明這個問題。 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)稱為0型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足系統(tǒng)的需要。2． 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。 動態(tài)抗干擾性分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。到時，電動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。 第二階段是恒流升速階段。第一階段是電流上升階段。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容，這里僅作簡單介紹，具體的內(nèi)容將在第三章內(nèi)加以說明。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖2—6中虛線。2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，= == = =由第一個關(guān)系式可得：n==從而得到圖25所示靜特性曲線的CA段。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。對負載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間，可見圖2—2。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。 動態(tài)性能指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標(biāo)。 圖2—1事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。對于圖2—1中的線1和線2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落=，但由于，因此。一、靜態(tài)性能指標(biāo)1）．調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，稱為調(diào)速范圍，用符號D表示 （2—2）2）．靜差率靜差率是用來表示負載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù)s來表示。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。直流電動機的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（2—1）表示 （2—1）式中 n——電動機轉(zhuǎn)速；U——電樞供電電壓； I——電樞電流； R——電樞回路總電阻，單位為 ——由電機機構(gòu)決定的電勢系數(shù)。3. 建立數(shù)學(xué)模型，計算其參數(shù)；4. 進行數(shù)字仿真，驗證其設(shè)計；5. 完成相關(guān)實驗。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領(lǐng)域。 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng), 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。國際上許多國家交流電力拖動系統(tǒng)已進入工業(yè)實用化階段，大有取代直流電力拖動系統(tǒng)的勢頭。從60年代起，國外對交流電動機調(diào)速已開始重視。自19世紀80年代起至19世紀末以前，工業(yè)上傳動所用的電動機一直以直流電動機為唯一方式。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點。直流傳動之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達到較高的性能指標(biāo)。但這種調(diào)速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史直流傳動具有良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較早并沿用至今。