【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 36 結(jié) 論 通 過這次設(shè)計(jì)，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 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(gè)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(jì)算機(jī)為工 具，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)對電路的可靠性、性價(jià)比也越來越高 ,原來的方法已完全不能適應(yīng)電路的要求。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 33 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(jì)電路時(shí) ,要對所設(shè)計(jì)的電路的性能進(jìn)行預(yù)計(jì)、判斷和校驗(yàn)。轉(zhuǎn)動慣量J=*m。 顯然，若忽略不計(jì)粘性摩擦負(fù)載，則 KL=0，此時(shí)，永磁電動機(jī)的傳遞函數(shù) 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(jì)，則式⑤與前述式 ? ? 1/1 ??? sT CsWme 相同。 2) 略去電樞電感 aL ，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為： 其傳遞函數(shù)為： 1/1)( )()( ???? sT CsU ssWmea? 其中： 2CRJCC RJT ameam ????? 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 ???? lll KTT 1 時(shí)，結(jié)構(gòu)圖如下 ： 其中轉(zhuǎn)矩系數(shù) fem IMpCCC ????? 4) 忽略電樞電感但需要計(jì)入粘性摩擦負(fù)載時(shí)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 由上圖可得直流電動機(jī)的傳遞函數(shù)： ? ?? ? 1)( ???????????sCCKR RJCCKRCsUssWmelaamelama? 以上四種的討論都是就恒定磁場他勵(lì)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(lì)電動機(jī)達(dá)到勵(lì)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(shí)，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(diǎn)附近的小偏差情況，經(jīng)過化簡，可得此時(shí)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(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(lì)直流電動機(jī)的等效電路，其中： aU E分別為電動機(jī)電樞端電壓和反電勢； dI fI 電動機(jī)電樞電流和勵(lì)磁電流； aR aL 電樞電路電阻和電感； fR fL 勵(lì)磁電路電阻和電感； fU 電動機(jī)的勵(lì)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； eT lT 電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。為了克服上述缺點(diǎn)，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(diǎn)： 1) 電流一定連續(xù)； 2) 可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行； 3) 電動機(jī)停止時(shí)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： 20200 左右； 5) 低速時(shí)，每個(gè)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(gè)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(diǎn)。當(dāng)ρ 1/2 時(shí)，γ為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ 1/2時(shí)，γ為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ =1/2 時(shí)，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： sonsonsond U)1Tt2(UT tTUTtU ????? 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 =2ρ 1 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(shí)， 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。 1dI 相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動電流的方向始終為正； 2dI 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(gè)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(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，VT2 和 VT3 同時(shí)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(shí)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(shí)，直流電源電壓 Us 加到電動機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時(shí)，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(shí)， 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(diǎn)，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]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 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(jì) （ 1）確定時(shí)間常數(shù) ①電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) IK1： IK1= sT i 0 0 7 0 3 ???? ②轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)： sTon ? ③轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理： sTTT onin 0 2 1 0 7 ??????? 。 （ 4）校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ??? sK ici? ， 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 a) 晶閘管裝 置傳遞函數(shù)近似條件： sci T31?? ，現(xiàn)為 131 ???? sTs ，滿足近似條件； b) 忽 略 反 電 動 勢 對 電 流 環(huán) 影 響 的 條 件 ： ,13lmci TT?? 現(xiàn)為cilm sTT ????? ?? 1001 1 ，滿足近似條件； c) 小 時(shí) 間 常 數(shù) 近 似 處 理 條 件 ： oisci TT131??，現(xiàn)為oisTT131= cis ???? ? 131 ，滿足近似條件。 ( sT 和 oiT 一般都比 lT 小得多 ,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)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(jì)要求： i? %≤ 5%，且 ???? ilTT，可按典型Ⅰ型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)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)： sK =30 2) 電樞回路總電阻： R= 3) 時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù) lT = 機(jī)電時(shí)間常數(shù) mT = 4) 調(diào)節(jié)器輸入電阻 0R =20 ?k 設(shè)計(jì)指標(biāo)： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 靜態(tài)指標(biāo)：無靜差； 動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 i? %≤ 5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n? %≤ 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(gè)雙慣性環(huán)節(jié) ,要將其設(shè)計(jì)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(jì)為Ⅱ型系統(tǒng)。圖 3 很好地說明了這一點(diǎn)。 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): )12( 1)( ?? sssW obj （ 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(gè)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(gè)積分環(huán)節(jié) ,并帶有一個(gè)比例微分環(huán)節(jié) ,以便消除被控對象的一個(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。 建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是： 1. 概念清楚、易懂； 2. 計(jì)算公式簡明、好記； 3. 不僅給出參數(shù)計(jì)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(jì)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(jì)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： dtUUKdtUCRURRU ininpiininex ?? ???? ?111001 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 piK ： 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(shí)間常數(shù) PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： sKw pi ?1?? 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jì) ASR 時(shí)，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(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。 （ 3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn) 最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)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(shí)間最優(yōu)控制。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 （ 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)。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 Lfigi IUU ??? ACR 的輸出電壓為 s Lgek KRInCU ??? 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(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。在這個(gè)階段中 ASR 與 ACR 同時(shí)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 aI 盡快地跟隨 ASR 輸出 giU 的變化。超調(diào)后， 0,0 ??? nfn UU ，使 ASR 退出飽和，其輸出電壓（也就是 ACR 的給定電壓） giU 才從限幅值降下來， dk UU與 也隨之降了下來，但是，由于 aI 仍大 于負(fù)載電流 LI ，在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 續(xù)上升。開始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值， ASR 的給定電壓 gnU 與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓 fnU 相平衡，輸入偏差 nU? 等于零。 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從電流升到最大值