【正文】 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。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)學模型。過去常用數(shù)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。 本設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 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(shù) 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 =。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(shù)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(shù)或阻尼比 eC = ??eK = ??mK = mC = C電勢系數(shù)或轉矩系數(shù) 2CRJT am ?? 電動機的電氣機械時間常數(shù) 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(shù)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(shù) 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。 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(shù)； fff RLT ? 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。 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。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時的情況。 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。 本科畢業(yè)設計論文 24 圖 3— 5 橋式可逆 PWM 變換器 雙極式控制可逆 PWM 變換器的 4 個驅動電壓波形如圖 3— 6 所示。 本科畢業(yè)設計論文 23 圖 3— 1 脈寬調制變換器 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速系統(tǒng)的基本原理圖，由 VT1— VT2共 4 個電力電子開關器件構成橋式（或稱 H 形）可逆 脈沖寬度調制（ 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備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網供電。 （ 3）選擇調節(jié)器的參數(shù) shT nn 2 1 ?????? 轉速開環(huán)增益：22222 152 1 ???? ????? sThhKnN ASR 的比例系數(shù)： ? ? 1 ????? ???????nmen RTh TChK ? ? 本科畢業(yè)設計論文 21 （ 4）近似校驗 轉速截止頻率為： 111 ?? ????? ssKK nNN ??? ①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： i sT ??????? 15 1，滿足條件； ②轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：oni ssTT ???????? ?? 11 0 3 1312 131 （ 5）檢驗轉速超調量 當 h=5 時， %?n? ,不能滿足要求 .按 ASR 退飽和的情況計算超調量 : %,%m ax ??bCC rC RInedn ????? ，滿足設計要求。 電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為： %5%% ??? ，也滿足設計要求。 計算反饋關鍵參數(shù)： AVIUnim 12* ???? ?? ????????? m i 0 0 015*rVnUnnm? 一 . 電流環(huán)的設計 （ 1）確定時間常數(shù) a) 整流裝置滯后時間常數(shù) sTs ? ；（見附錄表一） 電流濾波時間常數(shù) oiT = s（三相橋式電路每個波頭是時間是 ，為了基本濾平波頭，應有（ 1～ 2） oiT =，因此取 oiT =2ms=） 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 按小時間常數(shù)近似處理 sTTT oisi ???? 。如前所述 ,轉速環(huán)應設計成Ⅱ型系統(tǒng) ,所以轉速調節(jié)器也就設計成 PI 型調節(jié)器 ,如下式所示 : ssKsW ?? )1()( ?? （ 5） 電流環(huán)、速度環(huán)的設計 轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的作用 1) 轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速 n 很快的跟隨給定電壓Un*的變化；穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用 PI 調節(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) 為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(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)調節(jié)器的輸出量）變化； 2) 對電網電壓的波動起及時抗擾的作用； 在轉速動態(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； 當電動機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用?；诖?,在轉速 電流雙閉環(huán)調速系統(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 ,即能否抑制超調是設計電流環(huán)首先要考慮的問題 ,所以一般電流環(huán)多設計為Ⅰ型系統(tǒng) ,電流調節(jié)的設計應以此為限定條件。這種差別可以作為調節(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 ? ?? ?? ???????? nijrmjjsTssKsW1111? 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，就必須對轉速、電流兩個調節(jié)器的進行優(yōu)化設計，以滿足系統(tǒng)的需要。 2． 抗電網電壓擾動 電網電壓變化對調速系統(tǒng)也產生擾動作用。 動態(tài)抗干擾性分析 一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。轉速略有超調一般是容許的，對于完全不允許超調的情況，應采用其他控制方法來抑制超調。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速響應一定有超調，只有在超調后，轉速調節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時 ASR 發(fā)揮調節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調速。到 La II ? 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)品質不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。轉速調節(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)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)數(shù)學模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關內容，這里僅作簡單介紹，具體的內容將在第三章內加以說明。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調速系統(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)各調節(jié)器的給本科畢業(yè)設計論文 11 定與反饋值計 算有關的反饋系數(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．轉速調節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達到限幅值 *imU ，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。 1．轉速調節(jié)器不飽和 這時，兩個調節(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， *Un = Un = n?? = 0n?? *Ui = Ui = dI?? 由第一個關系式可得： n= ?*nU= 0n 從而得到圖 25 所示靜特性曲線的 CA 段。當調節(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節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。 對負載引起的轉速波動 ,速度調節(jié)器輸入端產生的偏差信號將隨時通過速度調節(jié)器 、 電流調節(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變化 ,從而校正和補償電動機的轉速偏差。一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。因此，一般在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 ? ?%2%5 ?? 或 的范圍本科畢業(yè)設計論文 7 作為允許誤差帶，以響 應曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調節(jié)時間，可見圖 2— 2。超調量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(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)響應又稱為階躍響應。 動態(tài)性能指標 生產工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標。 圖 2— 1 事實上，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。對于圖 2— 1 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉速降落1edn? = 2edn? ，但由于 0102 nn ? ，因此 12 ss ? 。 一、靜態(tài)性能指標 本科畢業(yè)設計論文 5 1）．調速范圍 生產機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉速 maxn 與最低轉速minn 之比，稱為調速范圍，用符號 D 表示 minmaxnnD? （ 2— 2） 2）．靜差率 靜差率是用來表示負載轉矩變化時，轉速變化的程度，用系數(shù) s 來表示。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以改變電壓調速為主。直流電動機的轉速和其它參量的關系和用式（ 2— 1）表示 ??? eK IRUn （ 2— 1） 式中 n—— 電動機轉速； U—— 電樞供電電壓； I—— 電樞電流； R—— 電樞回路總電阻，單位為 ? eK —— 由電機機構決定的電勢系數(shù)。 3. 建立數(shù)學模型，計算其參數(shù)； 4. 進行數(shù)字仿真，驗證其設計； 5. 完成相關實驗。并以此為基礎，再對交流調速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調速系統(tǒng)的原理，使之能夠應用于國民經濟各個生產領域。 研究雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的目 的和意義 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調速系統(tǒng) , 采用轉速 、 電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性 。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