【正文】 。電流調(diào)節(jié)器 ACR 及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的模型及參數(shù)分別如圖 4 43所示。 43 43 43 44 44 44 圖 41 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 下面分 別介紹雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中主要模塊的封裝建模以及參數(shù)的設(shè)置。 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速 系統(tǒng)仿真模型 42 42 42 由于面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法是以調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，按照系統(tǒng)的構(gòu)成，從 SimPower System 和 Simulink 模塊庫中找出對應(yīng)的模塊，按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行建模。本次設(shè)計中需要用到的電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)仿真就是在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下，主要使用電力系統(tǒng)模塊庫 SimPower System和 Simulink 進行的。 從 版開始有了電力系統(tǒng)模塊庫（ Power System Blockset），該模塊庫主要是由加拿大 Hydro Quebec 公司和 TECSIM International 公司共同開發(fā)的。對于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過圖形界面，利用鼠標單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡單，它與用微分方程和差分方 41 41 41 程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點。 Simulink 模塊庫提供了豐富的描述系統(tǒng)特性的典型環(huán)節(jié)，有信號源模塊庫 (Source) ,接收模塊庫（ Sinks），連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（ Continuous），離散系統(tǒng)模塊庫（ Discrete），非連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（ Signal Routing），信號屬性模塊庫（ Signal Attributes），數(shù)學(xué)運算模塊庫（ Math Operations），邏輯和位操作庫（ Logic and Bit Operations）等等，此外還有一些特定學(xué)科仿真的工具箱。其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真 與分析，可以預(yù)先對系統(tǒng)進行仿真分析，按仿真的最佳效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。 (5) 具有極強的可擴展性。 (4) 具有強大的作圖和數(shù)據(jù)可視化功能。 (3) 具有非常友好的人機界面。而且矩陣的操作十分方便。在設(shè)計研究單位和工業(yè)部 39 39 39 門， MATLAB 被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題 [12]。在國外， MATLAB 已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗。在 20 世紀 80 年代初期，由 Little、 Moler、 Steve Bangert 合作成立了 Math Work 公司，采用 C 語言改寫了 MATLAB 的內(nèi)核，并將其正式推向市場。目前，越來越多的理工科大學(xué)生和科學(xué)技術(shù)工作者正在學(xué)習(xí)和使用 MATLAB 語言，它已經(jīng)成為世界上應(yīng)用最廣泛的計算軟件之一。 4 MATLAB 仿真設(shè)計 MATLAB 仿真軟件介紹 38 38 38 MATLAB 是 ―矩陣實驗室 ‖（ Matrix Laboratory）的縮寫 ,它是以矩陣運算為基礎(chǔ)的，集數(shù)學(xué)計算、結(jié)果可視化和編程于一身，能方便地進行科學(xué)計算和大量工程運算及數(shù)值分析的功能十分強大的數(shù)學(xué)軟件。 現(xiàn)在oni TT ??????? 1312 131，滿足近似條件。 現(xiàn)在i sT ????? ?? 15 1，所以滿足簡化條件。 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計 確 定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)： 2 ?iT =； 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： sTon ? ； 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)： ???? ? onin TTT 2 ； 選擇 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速環(huán)無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求，應(yīng)按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。 ???KeIRUn 35 35 35 現(xiàn)在 ???? 131131 ois TT ci?，滿足近似條件。 現(xiàn)在 ?? lmTTci? ，滿足近似條件。 因為 ???? 13 1 sT ci?，所以滿足近似條件。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用電流型 PI 調(diào)節(jié)器。 設(shè)計要求： ① 靜態(tài)指標 :無靜差； ② 動態(tài)指標： 電流超調(diào)量 %5%?i? ，空載起動到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10%?n? [3]。 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 [11]。 31 31 31 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)。 U H 型PWM 功率放大電路 PWM發(fā)生器 直流電動機 PI 調(diào)節(jié)器ACR PI 調(diào)節(jié)器ASR 電流反饋 轉(zhuǎn)速反饋 n 30 30 30 圖 31 雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 調(diào)節(jié)器 的設(shè)計原則 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。 28 28 28 29 29 29 3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本次設(shè)計的雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串級連 接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM 裝置。但由于在起動過程 Ⅰ 、 Ⅱ 兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作 ―準時間最優(yōu)控制 ‖。轉(zhuǎn)速略 27 27 27 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)。 綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有 以下三個特點： （ 1）飽和非線形控制：隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。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。 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 ， ASR 輸入偏差電壓變負 ，使 它開始 退出飽和，其輸出電壓（也就是 ACR 的給定電壓）才從限幅值降下來，但是，由于 Id 仍大于負載電流 dLI ，在開始一段時間??? K e IRUn 26 26 26 內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值， ASR 的給定電壓與轉(zhuǎn)速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。 第 Ⅲ 階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速 n 按線性規(guī)律上升 。 從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段 。在這一階段中， ASR 很快進入并持飽和狀態(tài)，而 ACR 一般不飽和。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快???KeIRUn???KeIRUn???KeIRUn 25 25 25 增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 的數(shù)值仍比較大，輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流 Id 迅速上升。 當突加給定電壓 后 ， 經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用， 、 、 dI 都跟著上升，但是 dI 在沒有達到負載電流 dLI 以前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 三個階段。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流 Id 顯露出來 [10]。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 26 所示。穩(wěn)態(tài)時： ??? K e IRUn??? K e IRUn??? K e IRUn ??? KeIRUn???KeIRUn??? K e IRUn 22 22 22 其中，最大 Idm 電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許 的最大加速度，由上式可得靜特性的 AB 段，它是一條垂直的特性。 （ 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。與此同時，由于 ASR 不飽和， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 0?dI 一直延續(xù)到 dmd II ? ， 而 Idm 一般都是大于額定電流 Idn 的。因此，對靜特性來 21 21 21 說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn) 態(tài) 時總是為零。一般存在兩種狀況：飽和 ——輸出達到限幅值；不飽和——輸出未達到限幅值。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用 PI 調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能， 該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器 ASR 和 ACR 一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器 [9]。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用 在 不同的階段。 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵 是要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 的 恒流過程，按照反饋控制規(guī)律， 采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用 電流負反饋就能得到近似的恒流過程。 這樣的理想起動過程波形如圖 上圖 （ b）所示， 這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。但