【正文】 正方向，電動機始終工作在第 Ⅰ 象限的電動狀態(tài)。 圖 43 雙極式控制可逆 PWM 變換器波形 直流電動機的電樞電壓 ABU 的正、負變化，使電流波形隨之波動。如果正、負脈沖相等，on 2Tt ?，平均輸出電壓為零，則電動機停止。電動機電樞電壓的平均值則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在 系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接 ，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM 調(diào)制器。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) on0 tt?? 時， AB s=UU，電樞電流 di 沿回路 1 流通；當(dāng) ont t T?? 時，驅(qū)動電壓反號， di 沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， AB s=UU? 。根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制武漢理工大學(xué)《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 18 的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏 差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如 GTO、 IGCT 等 。 圖 41雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖所示，其中 UPE 是電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相 (或單相 )交流電源，輸出為可控的直流電壓鑄。主電路部分采用了以GTR 為可控開關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié) 構(gòu)。 為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用 PI 調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個 調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉(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)器的輸出作為 PWM 的控制電壓。 電機參數(shù)： uN=220V， IN=136A， Nn=1460r/min； 電動機電動勢系數(shù) 2 m in /eC V r? 晶閘管放大系數(shù) 40sK? 電樞回路總電阻 R=； 電磁時間常數(shù) TL=； 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù) Tm= 額定轉(zhuǎn)速時給定 電壓為 10V； 穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量σ i≤ 5%； 空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的過度過程時間 ts≤ 要求完成的主要任務(wù) （ 1） PWMM 可逆調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計； （ 2） 系統(tǒng)原理圖設(shè)計； （ 3） 過程分析 ,參數(shù)設(shè)計計算與校驗 。 鑒于這一點，雙閉環(huán)調(diào)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(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) * max/nmUn? ? 電流反饋系數(shù) * /im dmUI?? 兩個給定電壓的最大值 *imU 和 *nmU 是受運算放大器的允許輸入電壓限制的。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而 PI 調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定 反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)： 武漢理工大學(xué)《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 15 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系 * 0nnU U n n??? ? ? *i i d dlU U I I??? ? ? *d o e d e n d lct s s SU C n I R C U I RU k K K??? ? ? 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速 n是由給定電壓 *nU 決定的， ASR 的輸出量 *iU 是由負載電流 dlI 決定的，而控制電壓 ctU 的大小則同時取決于 n 和 dlI ，或者說，同時取決于 *nU 和 dlI 。這樣的靜特性顯然比帶電流至負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。當(dāng)負載電流達 dmI 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這樣的下垂特性只適合于 n0n的情況。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。而 dmI 一般都是大于額定電流 dnomI 的，這就是靜特性的運行段。因此 *nnU U n??? *i i dU U I??? 由第一關(guān)系式可得： 0inUnn??? 與此同時，由于 ASR 不飽和， **i imUU? ，從上述第二個關(guān)系式可知： d dmII? 。只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 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。類似的問題還可能在空載起動時出現(xiàn)。如果必須加快制動，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。 最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動時產(chǎn)生負的回饋制動轉(zhuǎn)矩。在 一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對實際運行影響不大。按照 PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR的輸人偏差電壓為負值，才能使 ASR 退出飽和。 采用飽和非線性控制方法實現(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)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。不過這兩段的時間只占全部起動時間中很小的成份，已無傷大局，所以雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的起動過程可以稱為“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”過程。這個階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優(yōu)控制”。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。當(dāng) ASR 飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng) ASR 不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)， ASR 處于主導(dǎo)地位，而 ACR 的作用則是力圖使 dI 盡快地跟隨 ASR 的輸出 量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。此后，電動機才開始在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流 dI 也出現(xiàn)一段小于 dlI 的過程，直到穩(wěn)定 (設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好 )。但是，由于 dI 仍大于負載電流 dlI ，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn) 速仍繼續(xù)上升。 （ 3） 第 Ⅲ 階段 轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)階段 在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。由于電流調(diào)節(jié)器 ACR 是 PI 調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說， dI 應(yīng)略低于 dmI 。與此同時，電動機的反電動勢正也按線性增長。 武漢理工大學(xué)《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 11 （ 2） 第 Ⅱ 階段 恒流升速階段 從電流升到最大值 dmI 開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。當(dāng) d dlII? 時， i imUU? ，電流調(diào)節(jié)器的作用使 dI 不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 （ 1） 第 Ⅰ 階段 電流上升的階段 突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，電動機開始轉(zhuǎn)動。 實際啟動過程分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓，由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程示于圖 25。問題是希望在起動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠武漢理工大學(xué)《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 10 電流負反饋發(fā)揮主要的作用。 圖 24 理想快速啟動過程 實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖 24所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實現(xiàn)。這樣的理想起動過程波形見圖 24，這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長的。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流 Idcr 值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。 如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起、制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù) onT 的給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使得二者在時間上恰好的配合。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳武漢理工大學(xué)《運動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書 8 遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù) oiT 按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。 )( sU i? )( sE )( sI dL?? 11 ?sTon )( sU n? ASR 11?sT oi )( sU c )( sI dACR 1?sTKss)(0 sU d 1/1?sTRl sTRm eC1?1?sT oi??? ? )( sn??1?sT on?電 流 環(huán) 圖 22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 22。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸出量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和。 武漢理工大學(xué)《