【正文】 其中 ASR、 ACR 的限幅值均設(shè)定為 [10,10]。圖 41 是采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)作的雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。在Simulink 環(huán)境下用電力系統(tǒng)模塊庫的模塊可以方便地進(jìn)行 RLC 電路、電力電子電路、電機(jī)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真。 Simulink 還為用戶提供了一個(gè)圖形化的用戶界面（ GUI）。在其下提供了豐富的仿真模塊?？梢园褦?shù)據(jù)圖形的形式加以表現(xiàn)，非常簡(jiǎn)單、方便。 (2) MATLAB 語言以解釋方式工作，對(duì)每條語句進(jìn)行解釋后即運(yùn)行，鍵入算式即得結(jié)果，無需編譯，對(duì)錯(cuò)誤可立即做出反應(yīng)。在歐美等高校， MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。 MATLAB 的最初版本是在 20 世紀(jì) 70 年代由美國(guó)新墨西哥大學(xué)的 Cleve Moler 教授用 FORTRAN 開發(fā)的矩陣分析軟件。 （ 3）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時(shí)， %%m ax ?? KbCC； 而 m i n/ 1 51 3 ????? ， 因此 % %)(2%)(% m a xn ???????????? ?? m nNb TTnnZCC ?? 顯然 %10%?n? ，所以滿足設(shè)計(jì)要求。 故 ASR 選擇 PI 調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為： ssKsW nnnA S R ?? 1)( ?? ???KeIRUn 36 36 36 選擇 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則取 h=5，則 ASR 超調(diào)時(shí)間常數(shù)： shT nn 1 ???? ?? ； 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： ? ? 62 1222 ?????? ? nN Th hK 于是， ASR 的比例系數(shù)為 ? ? 1 ????? ???????? nmeRTh TChKn ? 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 1 ????? nNN KK ??? ； （ 1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件是否滿足：i T??51? 。 （ 3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件：oisci TT131?? 。其傳遞函數(shù) ssKsW iii ?? )1()( A C R ?? 選擇電流調(diào)節(jié)器 參數(shù) ACR 超調(diào)時(shí)間常數(shù) i? =Tl=； 電流環(huán)開環(huán)增益：因要求 %5%?i? ，故應(yīng) 取 IK =?iT =于是， ACR 的比例系數(shù)為 ???KeIRUn 34 34 34 ?????? Ksτ iRKK Ii ? 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ci? = IK = （ 1）校驗(yàn) 晶閘管裝置傳遞函數(shù) 的 近似條件 是否滿足：sci T31?? 。 設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)備 直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為： 220V， 136A， 1460r/min, eC =? min/r,允許過載 32 32 32 倍數(shù) λ =； 晶閘管裝置放大系數(shù)： Ks=40； 電樞回路總電阻： R=； 時(shí)間常數(shù)： Tl=， Tm=； 電流反饋系數(shù)： ? =； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： ? =? min/r； 取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為 12V，輸出限幅值為 10V，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定 =10V。 為了解決上述問題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。 （ 2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過程的大部分時(shí)間內(nèi)， ASR 處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實(shí)現(xiàn)理想過程。但其輸出卻由 于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。為了保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用， 故在啟動(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器 ACR 是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。 第 Ⅱ 階段是恒流升速階段。當(dāng) dI 大于 dLI 之 后，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。 圖 26 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 起動(dòng)過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的???K eIRUn 24 24 24 動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過程如下圖所示。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的???K eIRUn 23 23 23 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。 19 19 19 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 ???K eIRUn內(nèi)環(huán) 外環(huán) ??? Ke IRUnASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測(cè)速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 圖 23 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 20 20 20 圖 24 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 24 所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不 再靠 電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 16 16 16 圖 22 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程 (b)理想快速起動(dòng)過程 在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過 渡 過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr n n (a) (b) 17 17 17 矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截 止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。同一組的 IGBT 管同時(shí)導(dǎo)通或截止，不同組的 IGBT 管的導(dǎo)通與截止是不相同的。本設(shè)計(jì)采用雙極性驅(qū)動(dòng)可逆 PWM 變換器。直流電動(dòng)機(jī) PWM 控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。 （ 5）若與快速響應(yīng) 的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： （ 1）主電路線路非常簡(jiǎn)單，需要用到的功率器件比較少。 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中， 一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 Nn 為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為 Nn? ，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 ??? K e IRUn ???KeIRUn??? K e IRUn ???KeIRUn 10 10 10 于是，最低轉(zhuǎn)速為 而調(diào)速范圍為 將式 26 代入 minn ，得 上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。 這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) [3]。歸納起來，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面： （ 1） 調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 。 比較上面三種直流調(diào)速方法可看出，改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少使用，僅???KeIRUn 7 7 7 在一些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用?，F(xiàn)已很少單獨(dú)使用，通常以非獨(dú)立 控制勵(lì)磁的方式出現(xiàn)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系可用式 21 表示 6 6 6 ??? KeIRUn 由上式 可知直流調(diào)速方法有三種： (1) 改變電樞回路電阻調(diào)速 該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,缺點(diǎn)是效率低。它在理論上實(shí)踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) [2]。該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展， IGBT(絕緣柵雙極型晶體管 )具有開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn) ， 克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。國(guó)外主要電氣公司如瑞典的 ABB 公司、德國(guó)的西門子公司、 AEG 公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國(guó)的 GE 公司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。而國(guó)外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給國(guó)產(chǎn)的全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間。并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。 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(dòng)態(tài)調(diào)速特性。從機(jī)械特性上看 ,就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性的交點(diǎn) ,使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合 [1]。 PWM。并運(yùn)用 MATLAB 的 Simulink 和 Power System 工具箱、面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法 ， 實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流 雙閉環(huán)直流 II II II II PWM 調(diào)速 系統(tǒng)的建模與仿真。 目 錄 摘 要 .....................................................................................................................................I Abstract..............................