【正文】 ，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(即電機額定轉(zhuǎn)速)以上作小范圍的弱磁升速。直流電動機的調(diào)速的方法有：調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 、減弱勵磁磁通 F 、改變電樞回路電阻 R 。經(jīng)典控制理論是現(xiàn)代控制理論的基石，直流調(diào)速的研究同樣也是交流調(diào)速研究的前奏。近幾年，雖然交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。隨著我國人民生活水平的不斷提高，以及國家推動消費的各項政策出臺，旅游業(yè)不斷繁榮。附錄附錄1 開題報告一、背景及意義 電動車是以電池為動力的車輛。在此感謝他們的幫助和支持。進入課題以來，顧老師給了我無私的關(guān)懷和幫助，在此，我衷心的感謝顧老師對我的關(guān)懷和愛護。置身其間，耳濡目染，使我不僅接受了全新的思想觀念，領(lǐng)會了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多的道理。ne ALLAOUA Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle Swarm Optimization Strategy Bechar University, Department of Electrical Engineering, BP 417 BECHAR (08000)Algeria12 卞金洪 基于 Matlab 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真,鹽城工學院 信息工程學院， 江蘇 鹽城 22400113 ： 10310714 張麗華，電動叉車用直流斬波調(diào)速器，起重運輸機械，1999，(3)：232515 Bord .,Novotny Control of VSIPWM Trans .IA,1985,21(2)致謝致謝本人在做畢業(yè)設(shè)計過程中，得到了導師顧和榮教授的精心指導和鼓勵。參考文獻 參考文獻1 黃建和 .DY系列電動游覽車的開發(fā) Idea and design2 陳伯時. 電力拖動制動控制系統(tǒng) [M].北京:機械工業(yè)出版社2006． 1621,53603 鄧開連，吳慶彪，來磊，張名龍，直流串激調(diào)速的模糊控制仿真研究。闡述了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型構(gòu)建及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電動機本體模塊等參數(shù)的設(shè)置。介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)以及轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的實現(xiàn)，說明了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)在調(diào)速方面的優(yōu)勢，并對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動進行了詳細分析。 從仿真結(jié)果可以看出模型及參數(shù)設(shè)置的正確性。 加干擾時的動態(tài)原理圖如圖57：圖57 干擾時系統(tǒng)的動態(tài)原理圖在13s時外加一個階躍，仿真圖如圖58所示從圖中可以看出來，在外加干擾情況下，通過PWM的雙閉環(huán)控制[15]，系統(tǒng)可以實現(xiàn)無靜差，所以這次雙閉環(huán)的設(shè)計是成功的。 從仿真結(jié)果可以看出， 若給定信號為10V，電動機起動時，在電流調(diào)節(jié)器作用下電機電樞電流接近最大值，使得電機以最優(yōu)時間準則開始上升，最高轉(zhuǎn)速為90rad/s，超調(diào)量為35%。控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器 ASR 設(shè)置輸出限幅，以限制最大起動電流。仿真參數(shù)選擇，仿真時間Start time設(shè)為0，Stop time設(shè)為10，其他設(shè)置可以參考開環(huán)系統(tǒng)仿真設(shè)置。在圖中主電路為串勵電動機典型連接，其負載與轉(zhuǎn)速成五倍的關(guān)系，調(diào)速系統(tǒng)用一個IGBT來實現(xiàn)直流斬波調(diào)節(jié)電動機電樞兩端電壓，進而實現(xiàn)調(diào)速。圖51 基于電氣原理圖的系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真結(jié)果 a)轉(zhuǎn)速波形b)電流波形c)轉(zhuǎn)矩波形a)轉(zhuǎn)速仿真波形 b)電流仿真波形 c)轉(zhuǎn)矩仿真波形圖52 系統(tǒng)仿真結(jié)果從轉(zhuǎn)速，電流和轉(zhuǎn)矩波形可以看出來在與轉(zhuǎn)速成一定比例的負載下，轉(zhuǎn)速在1s內(nèi)迅速上升最后穩(wěn)定在67rad/s電流穩(wěn)定在130A這與任務(wù)要求的額定電流130A相符。通過選擇Look under the mask可以查看電機的模型基于數(shù)學模型的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真得到系統(tǒng)開環(huán)控制的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖建立串勵電機的Matlab仿真模型是在做畢業(yè)設(shè)計過程中遇到的最大的困難，在咨詢老師和閱讀了大量的資料后發(fā)現(xiàn)，在做Matlab仿真時串勵電機仿真模型的負載與轉(zhuǎn)速是成一定的比例關(guān)系，如圖51所示。第5章 MATLAB 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真 第5章MATLAB雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真直流電動機參數(shù)計算[10]已知某直流電動機調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)主回路與直流電動機的主要參數(shù)如下：電動機： 主回路： 轉(zhuǎn)動慣量： 計算得到此直流電動機的相關(guān)參數(shù)： 反電動勢系數(shù)：轉(zhuǎn)矩常數(shù)：電磁時間常數(shù)：直流電動機數(shù)學模型的傳遞函數(shù)[11] 由前文的式(325)可知基于電氣原理圖的直流電動機數(shù)學模型實現(xiàn)電動機模型位于SimPowerSystems工具箱下machines庫中的DC machines 和DiscreteDC machines分別是直流電動機和離散直流電動機模型F＋和F:此端子為直流電動機勵磁電路控制端子，分別連接勵磁電源的正極與負極[12]A＋和A: 電動機電樞回路控制端；TL：電動機的負載轉(zhuǎn)矩信號輸入端；m: 電動機信號的測試端，包括轉(zhuǎn)速w(rad/s),電樞電流Ia(A)，勵磁電流If(A)，電磁轉(zhuǎn)矩Te()。等效電路圖如圖47所示。因二者疊加之和大于電池電，所以電流經(jīng)二極管D2流向電池正端，即向電池回饋電能。反向接觸器閉合后，B點的電位將為正，A點的電位為負，電樞上的電流反向。此時，由于電機勵磁線圈大電感的作用，勵磁電流方向不變，因而磁場方向不變(勵磁線圈兩端感生出上負下正的感生電動勢)。假設(shè)原來電動機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的極性如圖中所示(等效電路圖如圖46所示)。本課題中，結(jié)合換向的考慮，采用了如下的正反轉(zhuǎn)及回饋制動電路如圖45所示：其原理解釋如下:正常運轉(zhuǎn)時，回饋制動開關(guān)打在右邊，使電動機處于正常的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過切換正反轉(zhuǎn)接觸器，可以使電機運行在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)，功率MOSFET管用來實現(xiàn)PWM調(diào)速。此時即電流反向。)；當負載拖動電機轉(zhuǎn)動式的電機的轉(zhuǎn)速高于理想同步轉(zhuǎn)速時，EaU，則變?yōu)檎?，電流反向，如圖中虛線所示，此時電流由電機流向電源，即電機向電源回鎖電能，電機處于發(fā)電狀態(tài)。電原理圖如下所示?；仞佒苿邮侵笇㈦姍C轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電能回鎖給電源，即對電源進行充電。反接制動，即是通過反接電樞(圖43)或反接勵磁線圈的方式，是電機產(chǎn)生一個與電機轉(zhuǎn)速方向相反的制動轉(zhuǎn)矩，以達到快速制動的目的。能耗制動的原理如下：電動狀態(tài)時，接觸器的常閉觸點閉合，常開觸點斷開，電機兩端形成上正下負的反電勢，電流由反電勢的正端流入，經(jīng)電機反電勢的負端流出:制動狀態(tài)時，接觸器常開觸點閉合，常閉觸點斷開，制動電阻被切入，由于電機反電勢的存在，電流由電機的反電勢正端流出，經(jīng)制動電阻流回電機的反電勢負端，此時與電動狀態(tài)相比，電機電樞上的電流反向，因為電機的磁通仍保持原方向，故轉(zhuǎn)矩將與電動時向反，即與電機轉(zhuǎn)速方向相反，從而形成制動轉(zhuǎn)矩，使電機制動。能耗制動是指去掉電機的外加電壓，在電樞回路內(nèi)串入電阻，使電機儲存的能量在串入的電阻上消耗掉的一種制動方法，為具休說明，給出了下面的示意圖。但是出于對實現(xiàn)電機回饋制動的考慮，選擇了第二種換向方式，即電樞反接的換向方式。由于電樞電流一般較大，對電樞電流進行切換，必須選擇功率較大的元器件，提高了設(shè)備的造價，另一方面也增大了設(shè)備的切換損耗。電樞反接的原理圖如圖42所示。電樞反接的切換方式是指保持磁場方向不變，改變電樞電流的方向。但是，這種方法也有其弱點:在勵磁換向的瞬間，磁通瞬時過零，此時若電樞電壓仍作用在電機上，電機會發(fā)生飛轉(zhuǎn)，造成設(shè)備損壞或人身傷害事故。圖41 勵磁電壓正反接原理圖圖中以接觸器來完成對勵磁電壓的反向。又因為電機轉(zhuǎn)矩正比于電機磁通，所以磁通反向?qū)е码姍C轉(zhuǎn)矩反向，從而使電機反轉(zhuǎn)。勵磁線圈反接，是指將勵磁電壓反接，從而造成磁場反向，并最終使電機轉(zhuǎn)速反向。本章主要闡述了直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)以及轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的實現(xiàn)，說明了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)在調(diào)速方面的優(yōu)勢，并對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動進行了詳細分析。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。3)在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。1)作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 (即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。1)對負載變化其抗擾作用。本文中便是如此。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(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)中普遍的得到應(yīng)用。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)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。轉(zhuǎn)速略有超調(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)。2)轉(zhuǎn)速超調(diào)。圖312 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：1)飽和非線性控制。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段震蕩過程。直到時，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速n才達到峰值(時)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。第Ⅲ階段(以后)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定恒值，也就是說，應(yīng)略小于。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量。第Ⅱ階段()是恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這一階段的結(jié)束。當后，電動機開始起動。第Ⅰ階段()是電流上升階段。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程分析：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖313所示。速度調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)作用速度環(huán)是由ASR和轉(zhuǎn)速負反饋組成的閉環(huán)，它的主要作用是保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并最后消除轉(zhuǎn)速靜差，直到，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。電流環(huán)的調(diào)節(jié)過程如圖311所示直至，,調(diào)節(jié)過程結(jié)束穩(wěn)態(tài)時：其物理意義：當Usi為一定的情況下，由于電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)作用，圖39 速度電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖整流裝置的電流將保持在的數(shù)值上。速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖310所示：速度、電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，且?guī)薹δ堋榱顺浞掷镁чl管元件和電動機所允許的過載能力，使啟動電流保持在最大允許值上，以最大轉(zhuǎn)矩啟動，可以使轉(zhuǎn)速迅速直線上升，減少啟動時間。實際生產(chǎn)中，有許多生產(chǎn)機械很大一部分時間是工作在過渡過程中。這對一般要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已經(jīng)滿足了要求。當較大，即時，則二極管VD導通，電流截止負反饋起作用，減小，下降，下降到允許的最大電流。其原理圖如圖36所示：圖36 電流負反饋 電流截止負反饋的作用：由則可以通過一個電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過某個允許值時才起作用，這就是電流截止負反饋。但是，這種作用只應(yīng)在啟動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常時又得取消，讓電流自由隨著負載增減。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)，根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就引入那個物理量的負反饋。在這些情況下，由于閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性很硬，若沒有限流環(huán)節(jié)的保護，電樞電流將遠遠超過允許值。另外，有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)情況。由于電樞電阻很小，所以起動電流是很大的。 電流截止負反饋電流截止負反饋的提出：根據(jù)直流電動機電樞回路的平衡方程式可知，電樞電流Id為： (31)采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，當直流電機起動時突然加上給定電壓，由于存在機械慣性，所以不可能立即轉(zhuǎn)動起來，即n=0，則其反電動勢E=0。測速反饋信號，南轉(zhuǎn)速成正比，有： 稱為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。此系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速反饋量需要的是模擬量，一般采用測速發(fā)電機。該調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖如圖34所示：圖34 轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)速的檢測方式很多，有測速發(fā)電機、電磁感應(yīng)傳感器、光電傳感器等。如圖33所示圖33 轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)[7]是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，他就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓與給定電壓Us相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓UK用以控制電動機的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。要把額定負載下的轉(zhuǎn)速降低到滿足要求就必須采用負反饋，這就構(gòu)成了閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速。一般要求，調(diào)速范圍，靜差率s小于等于5%，又如熱連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機架出口線速度保持嚴格的比例關(guān)系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要求，必須使調(diào)速范圍，%%，在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。圖32 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題 調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。5)低