【正文】 根據(jù)不同的電機(jī)工作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略等；使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性；（4）計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快，精度高。微機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是能進(jìn)行精確、快速的計(jì)算和判斷,而且通用性好,使用容易，還能聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。正因?yàn)橛猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，電機(jī)微機(jī)控制的理論及應(yīng)用發(fā)展得非常迅速，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)和普及。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。這樣就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置，當(dāng)前直流調(diào)速已發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。全數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動(dòng)方式更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢。采用微機(jī)控制后,整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,操作維護(hù)方便,調(diào)速平滑,方便,調(diào)速范圍廣。,盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快,但是直流電機(jī)良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能,在軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用.現(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置商用，國外先進(jìn)的控制器價(jià)格昂貴，研究及更好的使用國外先進(jìn)的控制器，具有重要的實(shí)際意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于它的特殊性能常被用于直流負(fù)載回路中燈具調(diào)光或直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，HW1020型調(diào)速器就是利用脈寬調(diào)制(PWM)原理制作的馬達(dá)調(diào)速器，PWM調(diào)速器已經(jīng)在工業(yè)直流電機(jī)調(diào)速、工業(yè)傳送帶調(diào)速、燈光照明調(diào)解、計(jì)算機(jī)電源散熱及直流電扇等得到廣泛應(yīng)用。與VM系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：主電路簡單，需用的電力電子器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；電力電子開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。目前，高頻電壓領(lǐng)域的具體發(fā)展?fàn)顩r基本情況是這樣的。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM，從實(shí)現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實(shí)現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控型）。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)整，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)采用門極可關(guān)斷晶閘管GTO、全控電力晶體管GTR、MOSFET、IGBT等電力電子器件組成的直流脈沖寬度（PWM）型的調(diào)速系統(tǒng)近年來已經(jīng)發(fā)展成熟，用途越來越廣泛，與晶閘管可控整流調(diào)速系統(tǒng)（VM系統(tǒng)）相比，在很多方面具有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路簡單，需用的功率元件少；（2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小；（3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；（4） 系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；（5） 主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；（6） 直流電源采用不可控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)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。為了獲得良好的動(dòng)、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(jìn)行了校正。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)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)另外，數(shù)字式直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有控制器、PWM驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)速檢測電路、按鍵設(shè)定、顯示輸出五部分。：a)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖b)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速是通過光電傳感器檢測產(chǎn)生觸發(fā)脈沖經(jīng)過觸發(fā)器分頻觸發(fā)單片機(jī)中斷計(jì)數(shù)，經(jīng)定時(shí)計(jì)數(shù)得到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)值，由單片機(jī)對數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理，建立了時(shí)間和脈沖的關(guān)系式，得到每分中電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的速控是通過PWM方式控制的。反饋是由單片機(jī)輸入偏差量給高速的DA，由DA輸出反饋值作用PWM中達(dá)到閉環(huán)反饋控制。電機(jī)正反轉(zhuǎn)是由電壓的正負(fù)方向控制的。所以切換使用了繼電器作為切換開關(guān)。顯示電路是用了高亮數(shù)碼管顯示。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 提出問題由前面的分析可知，采用轉(zhuǎn)速負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。為此，在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)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(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(dòng)過程。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)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(fù)反饋?zhàn)饔茫质顾鼈冎荒芊謩e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(gè)問題。這就是說，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。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 PI調(diào)節(jié)器 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達(dá)到限幅值；不飽和：輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓，U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。因此 和 　由第一關(guān)系式可得： （2—1） 。這就是說，段靜特性從=0 （理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)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。穩(wěn)態(tài)時(shí) （2—2）式中，最大電流是設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加度（2－2）。因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)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(dòng)保護(hù)。這樣的靜特性顯然比帶電流至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 （2—3） （2—4） （2—5）上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí)取決于n和，或者說，同時(shí)取決于和。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。鑒于這一點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)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(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)如下：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： （2—6）電流反饋系數(shù)： （2—7）兩個(gè)給定電壓的最大值和是受運(yùn)算放大器的允許輸入電壓限制的。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 起動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。由于在起動(dòng)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(gè)階段，整個(gè)過渡過程也就分成三段，在圖中分別以Ι、II、II 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段0—是電流上升的階段。由于電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。從電流升到開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值（即靜特性上的）為止，屬于恒流升速階段，是起動(dòng)過程的主要階段。系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而拖動(dòng)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(gè)反電動(dòng)勢是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器是不飽和的。在這階段開始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)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，所以電機(jī)仍在最大電流下加速，必然會(huì)使轉(zhuǎn)速超調(diào)。但是，由于仍大于負(fù)載電流，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速任繼續(xù)上升。此后。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(shí)起調(diào)節(jié)作用。 動(dòng)態(tài)性能和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的作用（一）動(dòng)態(tài)跟隨性能如上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中，能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。對于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)該強(qiáng)調(diào)有良好的跟隨性能。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降（升）。對于ACR的設(shè)計(jì)來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。 a)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載電流擾動(dòng)都作用在被負(fù)反饋包圍的前向通道上，僅靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。負(fù)載擾動(dòng)作用在被調(diào)量n的前面。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量更遠(yuǎn)，它的波形先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機(jī)電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后，才在系統(tǒng)中起作用。a)單閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)b)雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng) 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能（三）兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用（1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。（2）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全飽和作用。 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)我們現(xiàn)在采用一般系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法具體設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。在這里，先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。反電動(dòng)勢對電流環(huán)來說只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認(rèn)為E基本不變。電流環(huán)即可設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)也可設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，一方面取決于對電流環(huán)的動(dòng)態(tài)要求，并且典型I系統(tǒng)的跟隨性能優(yōu)于抗擾性，而典型II型系統(tǒng)的抗擾性優(yōu)于跟隨性。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)效正成典型I系統(tǒng)。在一般情況下，當(dāng)控制對象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比時(shí)，典型I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的，因此，效正成典型I型系統(tǒng)，顯然采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （2—8）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和，為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對消掉控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，取=。若典型II型化h=5,m==。這里有 （2—11） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閉環(huán)等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可見，上圖已具備典型II型系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式，ASR調(diào)節(jié)器的參數(shù)按以下各式計(jì)算即可 （2—12） （2—13） （2—14） 可逆PWM變換器 可逆PWM變換器工作原理可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有H型、T型等多種類型，現(xiàn)在選用常用的H型變換器，它是由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。本設(shè)計(jì)選用雙極式H型PWM變換器。4個(gè)IGBT選用德國西門康公司生產(chǎn)型號(hào)為SKM