【正文】 管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中 V— M 系統(tǒng)的 應(yīng)用 量還是占有相當(dāng)?shù)谋戎? 。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。由于直流 電機(jī) 的調(diào)速 性能 和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從 20 世紀(jì) 30 年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的 基礎(chǔ) ，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。直流調(diào)速的電樞和勵磁不是耦合的，是分開的，對電樞電流和勵磁電流能夠做到精確控制 ； 而交流調(diào)速，電樞電流和勵磁電流是耦合的，是無法做到精確控制的。我們知道采用轉(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)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到 達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不 讓 電流負(fù)反饋發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 在工程實踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。 由于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然 是自動調(diào) 速系統(tǒng)的主要形式。 主要完成如下工作： (1) 數(shù)學(xué)模型的建立 認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)資料，根據(jù)直流電動機(jī)基本方程，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并給出動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。 (3) 仿真的進(jìn)行和結(jié)果的分析與探究 深入學(xué)習(xí)和掌握 MATLAB 下的 Simulink 和 Power System 系統(tǒng)模型的搭建方法，進(jìn)行模型搭建和仿真，對結(jié)果進(jìn)行分析與探究。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，固定在轉(zhuǎn)軸上。 圖 2— 1 最簡單的兩極直流電機(jī)模型 如果將直流電壓直接加到線圈 AX 上，導(dǎo)體中就有直流電流通過。 由于電流 i 為恒定，一周中磁通密度的方向為一正一負(fù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩 TXA 將是交變的，無法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。因為電刷畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 B1 和 B2 靜止不動，電流 i 總是從正極性電刷 B1 流入，經(jīng)過處于 N 極下的導(dǎo)體，再經(jīng)處于 S 極下的導(dǎo)體，由負(fù)極性電刷 B2 流出；故當(dāng)導(dǎo)體輪流交替地處于 N極和 S 極下時，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機(jī)的工作原理。分析表明，運行性 能因勵磁方式不同而有很大差異，下面主要對并勵電動機(jī)的運行特性加以研究。 由于實際運行中 aI 較易測得，且 aI 隨 2P 的增大而增大， 故也可把工作特性表示為 n， eT ， ? ?aIf?? 。 先看轉(zhuǎn)速特性 ? ?2Pfn? 。此式表示，在端電壓 U、勵磁電流 fI 均為常值的條件下，影響并勵電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有兩個：一是電樞電阻壓降；二是電樞反應(yīng)。實用上，為保證并勵電動機(jī)的穩(wěn)定運行，常使它具 有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。若勵磁繞組斷開， fI =0， 主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大。這兩種情況都是危險的。 直流電動機(jī)的起動與調(diào)速 (1) 直流電動機(jī)的啟動 直流電動機(jī)接到電源以后，轉(zhuǎn)速從零達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動過程。 直流電動機(jī)開始起動時，轉(zhuǎn)速 0?n ， 電樞的感應(yīng)電動勢 0?? ?nCE ea ， 電樞電阻aR 又很小，因而起動電流 aRUI? 將達(dá)到很大的數(shù)值，常須加以限制。這是互相矛盾的。 直流電動機(jī)常用的起動方法有三種： ① 直接起動； ② 接入變阻器起動； ③ 降壓 起動。直流電動機(jī)在這些方面有其獨到的優(yōu)點。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： ① 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； ② 減弱勵磁磁通 ? ； ③ 改變電樞回路電阻 R 。改變電阻只能實現(xiàn)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（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 轉(zhuǎn)速控 制的要求和調(diào)速指標(biāo) 任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面： (1) 調(diào)速。 (2) 穩(wěn)速。 (3) 加、減速。 為了進(jìn)行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。 (1) 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 minmaxnnD? （ 2— 2） 其中， maxn 和 minn 一般都指電動機(jī)額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實際負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理 想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)， Nn? 值一定，由式（ 2— 4）可見，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。如果負(fù)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。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負(fù)載大小常有波動，但是，為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速范圍 D=20～ 40，靜差率 s≤5%。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，常常不允許有很大的靜差率。例如，在電動機(jī)軸上安裝一臺測速發(fā)電機(jī) TG，檢測出輸出量或被調(diào)量 n 大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 fnU ，與轉(zhuǎn)速給定電壓 nU 相比較后，得到偏差電壓 nU? ，經(jīng)放大器產(chǎn)生觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 cU ，用以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。而前述轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能大大減小轉(zhuǎn)速降落。 動態(tài)校正的方法很多，而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實現(xiàn)。 PID 調(diào)節(jié)器中有比例微分（ PD）、比例積分（ PI）和比例積分微分（ PID）三種類型。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用 PI 調(diào)節(jié)器。但是，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(fù)載畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流 dcrI 值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)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。 對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等，盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。 實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。要想既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用，只用一個調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，可以考 慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖 2— 3 所示。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成 的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖 2— 4 所示。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值，畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 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 。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 節(jié)器就可以了。當(dāng)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，除非有反向的輸入信號使調(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(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 圖 2— 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。 ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，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，因此 0* nnUU nn ?? ??? dii IUU ???* 由第一個關(guān)系式可得 0* nUn n??? （ 2— 5） 此時，由于 ASR 不飽和， *iU ＜ *imU ，從上述第二個關(guān)系式可知 dI ＜ dmI 。穩(wěn)態(tài)時 dmimd IUI ?? ?* （ 2— 6） 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計者選定的，取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，這時，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(hù)。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能 (1) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 6 所示。 圖 2— 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 (2) 動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。 ① 抗負(fù)載擾 動 由圖 2— 6 可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 ② 抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(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。 (3) 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下。 b 對負(fù)載變化起抗擾作用。 ② 電流調(diào)節(jié)器的作用： a 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 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 c 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機(jī)允許的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。這對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分作兩步： 第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度； 第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。分母中的 rs 項表示該系統(tǒng)在原點處有 r 重極點，或者說，系統(tǒng)含有 r 個積分環(huán)節(jié)。自動控制理論已經(jīng)證明， 0 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而III 型和 III 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。 ① 典型 I 型系統(tǒng) 典型 I 型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 ? ? ? ?1?? Tss KsW （ 2— 8） 式中 T— 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K— 系統(tǒng)的開環(huán)增益。選擇它作為典型 I 型系統(tǒng)是因為其結(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段以－20dB/dec 的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 a) b) 圖 2— 7 典型 I 型系統(tǒng) 典型 I 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 在階躍輸入下的 I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無誤差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與 K 值成反比，在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為∞。 b 動態(tài)跟隨性能指標(biāo) 閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 ? ? ? ?? ? 22 22nnncl sssR sCsW ???? ???? （ 2— 9） 式中 n? — 無阻尼時的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率； ?— 阻尼比，或稱衰減系數(shù)。由于過阻尼特性動態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計成欠阻尼狀態(tài)，即 10 ??? 。 典型 I 型系統(tǒng)各項動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù) KT 的關(guān)系列于表 2— 1。 具體選擇參數(shù)時，如果工藝上主要要求動態(tài)響應(yīng)快，可取 ?? ～ ，把 K 選大一些；如果主要要求超調(diào)小，可取 ?? ～ ，把 K 選小一些；如果要求無超調(diào)，則取 ?? ， TK ? ；無特 ω c殊要求時，可取折中值，即 ?? ， TK ? ，此時略有超調(diào)（ ? =%）。 畢