【正文】 ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 26 調壓調速特性曲線 如圖 26，額定勵磁保持不變，理想空載轉速 0n 隨 U 減小而減小，各特性線斜率不變，由此可 動系統(tǒng)中被廣泛采用。 為了進行定 maxminDnn? （ 22） 2） 靜差率 ： 負載由理想空載增加到額定值時，對應的轉速降落 Nn? ，與理想空載轉速 0n 之比，稱作靜差率 s ，即 N0ns n?? （ 23） 一般調壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的 。對于同一個調速系統(tǒng)， 項指標并不是 彼此孤立的，必須同時提才有意義， 一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。電動機環(huán)節(jié)放大系數為 ： e EC n? （ 26） 只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)： 圖 27c nU? =0 時 de (1 )RIn CK?? ? （ 27） 由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來即得系統(tǒng)的靜特性方程式 ： 如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為 *p s n0d00eedd ppeK K UU I R R In n nC C C?? ? ? ? ? ? （ 29） 而閉環(huán)時的靜特性可寫成 共 23 頁 第 11 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ *p s n0d0ee( 1 ) ( 1 ) ( 1 )dd c l c leK K UU I R R In n nC K C K C K?? ? ? ? ? ?? ? ? （ 210） 其中0pn和 0cln 分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速，opn?和 cln? 分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用 ，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數計算 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系： imU? 為 ASR 的輸出限幅值。 轉速和電流兩個調節(jié)器的作用 轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下： 1 時，限制電樞電流的最大值，起快速 的自動保護作用。 第三章 調速系統(tǒng)的直流脈寬調制 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行 路和數字式 PWM 控制電路。 a b c 圖 32 鋸齒波脈寬調制波形圖 圖 33 PWM 控制負載的波形圖 PWM 信號加到主控電路的開關管 V1 的基極時，負載 LR 兩端電壓 Lu 的波形如圖33 所示。 數字式 PWM 控制 數字式 PWM 調制電路主要由計數器和數字比較器或由定時電路和觸發(fā)器構成。 簡單的不可逆 PWM 變換器 簡單的不可逆 PWM 變換器 直流電動機系統(tǒng)主電路原理圖如圖 35 所示，功率開關器件可以是任意一種全控型開關器件 ，這樣的電路又稱直流降壓斬波器。電源電壓 E 通常T 共 23 頁 第 14 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 由交流 圖 35b 為穩(wěn)態(tài)時電樞端電壓 au 、電樞平均電壓 aU 和電樞電流 ai 的波形。它由兩個功率晶體管 1V 、 2V和兩個二極管 1VD 、 2VD 組成。來自脈寬調制電路的兩個極性相反的脈沖電壓 1bu 、 2bu 分別作用到 1V 、 2V 的基極。因此，在制動狀態(tài)中， 2V 和 1VD 輪流導通，而 1V 始終是關斷的，此時的電壓和電流波形示于圖 36c。輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段： 出波形見圖 36d。 H 型雙極式 PWM 變換器 圖 37 為 H 型雙極式 PWM 變換器，它由四個大功率晶體管和四個續(xù)流二極管組成。在基極驅動信號1bu = 4bu ， 2bu = 3bu = 1bu 的作用下，同一組中的兩個晶體管同時導通或同時關斷，兩組晶體管之 因此， PWM 變換器 共 23 頁 第 15 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ a 電路原理圖 b 電壓電流波形 圖 37 H 型雙極式 PWM 變換器及其波形 雙極式控制可逆 PWM （ 3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （ 4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達 1:20210左右； （ 5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利保證器件的可靠導通。而 PWM 電壓波形的產生、分配則是 P 制器 UPW、調制波發(fā)生器 GM、邏輯延時環(huán)節(jié) DLD 和電力晶體管的基極驅動器GD。為了避免發(fā)生這種情況，應設置一個邏輯延時環(huán)節(jié)，保證在對一個管子發(fā)出關閉脈沖后，延時一段時間再發(fā)出對另一個管子的開通脈沖，避免兩個晶體管同時導通。為了確保晶體管在開通時能迅速達 。 圖 42 直流電源設計原理圖 圖 43 三相橋式不控整流電路原理圖 對于 PWM 變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作 ，可以采用圖 44 中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來消耗掉 部分動能。 本設計由于采用 MATLAB/Simulink 仿真平臺進行電路仿真， MATLAB 模型庫中的電力系統(tǒng)模型庫 (Power System Blockset)里提供了直流、交流電源模塊，因此在仿真電路設計中，可直接用直流電源代替三相不控整流直流電源。 H 橋雙極式可逆變換器的原理圖見圖 45，其輸出波形如圖 46 所示。 當 ? 時， ? 為正，電機正轉； 當 ? 時， ? 為負，電機反轉； 當 ? = 圖 47 直流脈寬調速系統(tǒng)主電路原理圖 控制電路方案的選擇 為了使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)、靜態(tài)性能，本次設計的調速系統(tǒng)采用轉速、電流雙閉環(huán)控制方案， 系統(tǒng)的靜特性很硬，基本上無靜差，啟動時間短，動態(tài)響應快； 系統(tǒng)的抗干擾能力強； 應用廣泛（在自動調速系統(tǒng)中）。其中一個是由電流調節(jié)器 ACR 和電流檢測 —反饋環(huán)節(jié)構成的電流環(huán)，另一個是由速度調 作用。 圖 48 PWM 可逆直流調速系統(tǒng)原理圖 直流脈寬調速系統(tǒng)的 MATLAB仿真 引言 控制系統(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算數學與計算機技術的綜合性 共 23 頁 第 18 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 新型學科，它是以控制系統(tǒng)的數學模型為基礎，以計算機為工具，對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。 雙閉環(huán)控制的脈寬調速系統(tǒng)的仿真模型 雙閉環(huán)控制的脈寬調速系統(tǒng)原理 框圖如圖 41 所示，圖 49 是采用面向雙閉環(huán)控制脈寬調速系統(tǒng)原理結構圖構作的直流脈寬調速系統(tǒng)的仿真模型。 直流 受 PWM 信 device”選擇為“ MOSFET/Diodes”即可。其中，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器各封裝在子模塊中，里面包含 PI 調節(jié)， 共 23 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 限幅值等。 2）轉 11()P I p pisW S K KK S s???? ? ? （ 41） 式中： pK 比例系數， iK 積分系數， piKK?? 考 通過分析，轉速、電流調節(jié)器 的各參數如圖所示。 a 轉速調節(jié)器 ASR b 電流調節(jié)器 ACR 圖 412 轉速、電流 PI 調節(jié)器的各參數設定 3）轉速、電流反饋環(huán)節(jié)： 在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速 n 是由給定電壓 nU? 決定的，設定轉速反饋系數 ? 為 ，由式 *n n 0U U n n??? ? ?，可首先估算出經放大后的轉速 n 的值， 通過 示。 圖 413 調速系統(tǒng) 勵磁電流 fi 的波形 圖 414 起動時的電流 ai 波形（正轉） 共 23 頁 第 20 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ a（正轉） b（反轉） 圖 415 脈寬調速系統(tǒng) 轉速 n 仿真波形 a（正轉） b（反轉） 圖 416 脈寬調速系統(tǒng)電流 ai 仿真波形 a （正轉） b （反轉） 圖 417 脈寬調速系統(tǒng)轉矩 eT 仿真波形 從仿 能突變，而 是在最短時間內迅速達到允許的最大值。 圖 418 轉速 n 的過渡過程 系統(tǒng)實現(xiàn)了正反轉運行，當給定電壓環(huán)節(jié) nU? 從 +10 撥向 10 時，電機便實現(xiàn)反轉，其轉 給定值 nU? =6 及 nU? =4 時的轉速 n 波形。在此基礎上，本文首先對直流電機調速的狀況進行介紹，介紹了在幾種直流調速系統(tǒng)（如旋轉變流機組、可控晶閘管整流器、脈寬調速等），基于脈寬調速以往調速系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點，本設計采用直流脈寬對主電路進行控制。這種方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛采用。轉速負反饋得到的反饋電壓，與給定值進行比較后，產生了頻率一定，占空比可調的脈寬序列，并通過功率放大后，對主電路變換器的電力電子元件的導通和關斷進行驅動控制，從而改變電動機的轉速，本設計，為了實現(xiàn) PWM 控制，介紹了 PWM 調制技術的原理，并對 PWM 變換器進行了詳細介紹，為了使系統(tǒng)能正反轉運行，主電路采用雙極式橋式變換器。 通過本次設計，加強了我對知識的掌握，使我對設計過程有了全面地了解。同時在對電路設計的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，使自己受益匪淺。 共 23 頁 第 22 頁