【正文】 磁通 ? 改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。 改變電樞回路電阻 R 在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設備簡單，操作方便。 武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 6 調(diào)速指標 調(diào)速范圍（包括：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍 /恒功率調(diào)速范圍） 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍是指調(diào)速系 統(tǒng)在額定負載下，可長期穩(wěn)定運行的最低速度和最高速度之比，一般這個最高速度就是額定速度，比如： 1： 1000，假定該調(diào)速系統(tǒng)的最大（額定速度）為 2020rpm，則其最小運行速度為 2rpm。 恒功率調(diào)速范圍是指調(diào)速系統(tǒng)在額定功率下，可長期穩(wěn)定運行的最低速度和最高速度之比，一般這個最低速度就是額定速度，比如： 1： 2，假定該調(diào)速系統(tǒng)的額定速度為 1000rpm，則其最高運行速度為 2020rpm。 恢復時間 當電機突加額定負載后可以恢復到原先速度所需的時間，時間越短，響應越好，反之表明系統(tǒng)響應慢。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU ，圖中用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)節(jié)器的作用。當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時為零。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。 由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波 ，濾波時間常數(shù)用 onT 表示。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程 理想啟動過程 由前面的分析可知，采用轉(zhuǎn)速負反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電 流或轉(zhuǎn)矩。 帶電流截至負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 23 所示。 武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 9 圖 23 帶電流截至負反饋得單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程 在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動 系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關鍵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應該得到近似的恒流過程。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個問題。 圖 25 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程轉(zhuǎn)速和電流波形 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、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖中分別標以 I、和 III。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值，強迫電流 dI 迅速上升。在這一階段中， ASR由不飽和很快達到飽和，而 ACR 一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。在這個階段中， ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定 *imU 作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 dI 恒定 (電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結構和參數(shù) )，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動， 0dU 和 dU 也必須基本上按線性增長，才能保持 dI 恒定。此外還應指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電壓 0dmU 也須留有余地，即晶閘管裝置也不應飽和，這些都是在設計中必須注意的。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后， ASR 輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即 ACR的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流 dI 也因而下降。到 d dlII? 時，轉(zhuǎn)速 n達到峰值。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 與 ACR 都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。 武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 12 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程三個特點： 飽和非線性控制 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)為不同結構的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。分析過渡過程時，還必須注意初始狀 態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。 準時間最優(yōu)控制 起動過程中主要的階段是第Ⅱ階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機的過載能力，使起動過程盡可能最快。但整個起動過程與理想快速起動過程相比還有一些差距，主要表現(xiàn)在第 I、Ⅲ 兩段電流不是突變。如果一定要追求嚴格最優(yōu)控制，控制結構要復雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。 轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入第Ⅲ段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。這就是說，采用 PI 調(diào)節(jié)器的雙武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 13 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應必然有超調(diào)。如果工藝上不允許超調(diào)，就必須采取另外的控制措施。因此，不可逆的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然有很快的起動過程，但在制動時，當電流下降到零以后，就只好自由停車。同樣，減速時也有這種情況。這時，在起動的第Ⅲ階段內(nèi)，電流很快下降到零而不可能變負，于是造成斷續(xù)的動態(tài)電流，從而加劇了轉(zhuǎn)速的振蕩，使過渡過程拖長，這是又 一種非線性因素造成的。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。 速調(diào)節(jié)器不飽和 這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電 壓都是零。這就是說， 0nA? 段靜特性從 dI =0 （理 想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 14 d dmII? 。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達到限幅值 *imU ，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。穩(wěn)態(tài)時 *imd dmUII??? 最大電 流 dmI 是設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加度所描述的靜特性是圖 26中的 AB段。因為如果 0nn? ，則 *nnUU? ， ASR 將退出飽和狀態(tài) 圖 26 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時 dmI 表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn) 負反饋 起主要調(diào)節(jié)作用。這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。這些關系反映了 PI 調(diào)節(jié)器不同于 P調(diào)節(jié)器的特點。后面需要 PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為 止。 武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 16 三、 設計任務及要求 設計初始條件 采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 17 四、 PWMM 調(diào)速系統(tǒng)設計 直流 PWMM 調(diào)速系統(tǒng) 整個系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結構，如圖 41所示。從閉環(huán)反饋結構上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果?？刂?PWM 脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制 H電路中對電機速度的控制。對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由 IGBT 或 P 一 MOSFET 組成的 PWM 變換器 。對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管裝置。 圖 42 橋式可逆 PWM 變化器電路 雙極式 控制可逆 PWM 變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖 3 所示，它們的關系是： 1gU? 4 2 3gggUUU? ? ? ?。 因此， ABU 在一個周期內(nèi) 具有正負相間的脈沖波形。從閉環(huán)結構上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外 環(huán)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用 PI調(diào)節(jié)器 UPE 環(huán)節(jié)的電路波形分析 圖 43 繪出了雙極式控制時的電壓和電流波形。當正脈沖較寬時，on 2Tt ?，則 ABU 的平均武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 19 值為正，電動機正轉(zhuǎn)；反之則反轉(zhuǎn)。圖 4 所示的波形是電動機工作在正向電動時的情況。電流波形存在兩種情況，如圖 4 中的 d1i 和 d2i 。 d2i 相當于負載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 20 于是二極管終止續(xù)流，而反向開關器件導通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態(tài)。電樞電流的方向決定了電流是經(jīng)過續(xù)流二極管 VD 還是經(jīng)過開關器件 VT 流動。 調(diào)速時， ? 的可調(diào)范圍為 0~1 ，相應地， 1~ 1? ?