【正文】 正是有了這次設(shè)計，讓我在大學(xué)四年的最后一個學(xué)期過的豐富而又充實，我應(yīng)該拿出作畢業(yè)設(shè)計的這份精神和態(tài)度去面對以后工作中所面臨的難題，為以后的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。致 謝感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師麻鴻儒老師以及在我做畢業(yè)設(shè)計過程中給予我較大幫助的輔導(dǎo)老師，沒有他們的幫助，我是無法順利的完成這次設(shè)計的，再次向輔導(dǎo)老師表示感謝。4. 進(jìn)行數(shù)字仿真，驗證其設(shè)計。包括：可控硅整流電路，觸發(fā)電路設(shè)計；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。1. 掌握電機(jī)傳動的工作原理及應(yīng)用?？傊谠O(shè)計過程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識，而且學(xué)會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學(xué)到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。結(jié) 論通過這次設(shè)計，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真下圖為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖：說明：在SIMULINK中，PWM為一個完整模塊。目前應(yīng)用的比較多的是MATLAB ,它包含了強(qiáng)大的仿真器和仿真庫。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計算機(jī)為工具，對系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究的一種方法。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(yīng)電路的要求。第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 MATLAB簡介 系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設(shè)計電路時,要對所設(shè)計的電路的性能進(jìn)行預(yù)計、判斷和校驗。轉(zhuǎn)動慣量J=*m。 顯然，若忽略不計粘性摩擦負(fù)載，則KL=0，此時，永磁電動機(jī)的傳遞函數(shù)式⑤與前描述式 相同，若電樞電感也可忽略不計，則式⑤與前述式 相同。2) 略去電樞電感，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為：其傳遞函數(shù)為： 其中： 3) 當(dāng)負(fù)載中含有隨轉(zhuǎn)速成比例變化的粘性摩擦負(fù)載，即時，結(jié)構(gòu)圖如下：其中轉(zhuǎn)矩系數(shù)4) 忽略電樞電感但需要計入粘性摩擦負(fù)載時動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：由上圖可得直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)： 以上四種的討論都是就恒定磁場他勵直流電動機(jī)而言，而永磁直流電動機(jī)只不過是用永久磁鐵代替了恒定他勵電動機(jī)達(dá)到勵磁繞組，故兩者具有相同的等效電路，如下圖：當(dāng)永磁電動機(jī)用于伺服系統(tǒng)時，常常要考慮帶有粘性負(fù)載的情況。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(jīng)過化簡，可得此時系統(tǒng)的增量方程為： 為簡化起見，式中表示增量的下標(biāo)1已刪去。所以由上式可畫出直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。圖4—1上圖為一他勵直流電動機(jī)的等效電路，其中： E分別為電動機(jī)電樞端電壓和反電勢； 電動機(jī)電樞電流和勵磁電流； 電樞電路電阻和電感； 勵磁電路電阻和電感；電動機(jī)的勵磁電壓；ω電動機(jī)的角速度；J電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量； 電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。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(guān)次數(shù)和開關(guān)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]。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(jī)在四象限運行；3) 電動機(jī)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(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右；5) 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點。當(dāng)ρ1/2時，γ為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ1/2時，γ為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ=1/2時，γ=0，電動機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為： 若占空比ρ和電壓系數(shù)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=2ρ1就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。當(dāng)正脈沖較寬時，tonT/2,則Uab的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等，t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動電流的方向始終為正；相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。因此，Uab在一個周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。圖3—6 雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關(guān)系是：Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。 橋式可逆PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H型）電路，如圖3—5所示。VT1和VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，VT2和VT3同時通斷，使電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓+ Us或 Us。這樣，電動機(jī)得到的平均電壓為： Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us式中 T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期 ton開通時間ρ占空比，ρ= ton/T= ton*f，其中f為開關(guān)頻率。當(dāng)VT導(dǎo)通時，直流電源電壓Us加到電動機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時，直流電源與電機(jī)脫開，電動機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。 由于上述優(yōu)點，在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛[4]。第三章 PWM脈寬調(diào)制 PWM基本介紹自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器—直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。二. 速度環(huán)的設(shè)計（1）確定時間常數(shù) ①電流環(huán)等效時間常數(shù)：=②轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：③轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：。（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率，a)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，現(xiàn)為，滿足近似條件；b)忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：現(xiàn)為，滿足近似條件；c)小時間常數(shù)近似處理條件：，現(xiàn)為=，滿足近似條件。(和一般都比小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：%≤5%，且，可按典型Ⅰ型設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計本設(shè)計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下：1) 晶閘管裝置放大系數(shù)：=302) 電樞回路總電阻：R=3) 時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)=機(jī)電時間常數(shù)=4) 調(diào)節(jié)器輸入電阻=20設(shè)計指標(biāo)：靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量%≤5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量%≤15%。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這樣,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié),要將其設(shè)計成典型Ⅰ型系統(tǒng),同理,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形如式(2)。至于轉(zhuǎn)速環(huán),穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求,所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為Ⅱ型系統(tǒng)。圖3很好地說明了這一點。 轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗憂性能差。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)如式(4): （4）若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器僅僅是一個比例環(huán)節(jié),若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器必須含有一個積分環(huán)節(jié),并帶有一個比例微分環(huán)節(jié),以便消除被控對象的一個慣性環(huán)節(jié),故調(diào)節(jié)器采用如式(5)的PI調(diào)節(jié)器。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些,抗擾性能卻比較好。自動控制理論證明,0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計算公式簡明、好記；3. 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 PI調(diào)節(jié)器 PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式[1，2，3]：由圖可得：：PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)：PI調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：1. 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。在圖2—7所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。（3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。（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，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。ASR的輸出電壓為 ACR的輸出電壓為 由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(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)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。超調(diào)后，使