【正文】 調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化； 2) 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用； 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； 當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。 計算反饋關(guān)鍵參數(shù)： AVIUnim 12* ???? ?? ????????? m i 0 0 015*rVnUnnm? 一 . 電流環(huán)的設(shè)計 （ 1）確定時間常數(shù) a) 整流裝置滯后時間常數(shù) sTs ? ；（見附錄表一） 電流濾波時間常數(shù) oiT = s（三相橋式電路每個波頭是時間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1～ 2） oiT =，因此取 oiT =2ms=） 電流環(huán)小時間常數(shù)之和 按小時間常數(shù)近似處理 sTTT oisi ???? 。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的 ,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成 PI 型的 . 檢查對電源電壓的抗擾性能 : ???? ssTTil 由附錄表二 ,各項指標(biāo)可接受 . （ 3）選擇 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) ACR 超 前 時 間 常 數(shù) ?i? lT = ； 電 流 環(huán) 開 環(huán) 時 間 增 益 ????? ssTK ii ， ACR 的比例系數(shù) ?? ???? siii KRKK ?? 。 電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為： %5%% ??? ，也滿足設(shè)計要求。 （ 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按跟隨和抗擾性能都能較好的原則 ,在負(fù)載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié) ,為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差 ,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié) ,因此需要Ⅱ由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng) — 選用設(shè)計 PI 調(diào)節(jié)器。 （ 3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) shT nn 2 1 ?????? 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：22222 152 1 ???? ????? sThhKnN ASR 的比例系數(shù)： ? ? 1 ????? ???????nmen RTh TChK ? ? 本科畢業(yè)設(shè)計論文 21 （ 4）近似校驗 轉(zhuǎn)速截止頻率為： 111 ?? ????? ssKK nNN ??? ①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： i sT ??????? 15 1，滿足條件； ②轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：oni ssTT ???????? ?? 11 0 3 1312 131 （ 5）檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng) h=5 時， %?n? ,不能滿足要求 .按 ASR 退飽和的情況計算超調(diào)量 : %,%m ax ??bCC rC RInedn ????? ，滿足設(shè)計要求。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： 主電路線路簡單，需用的功率器件少； 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??； 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)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強； 功率開關(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，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，電網(wǎng)效率因數(shù)比相控整流器高。 脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電。為了節(jié)能，并實行無觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管， GTO， IGBT 等。 直流斬波器 電動機系統(tǒng)的原理如圖 3— 1a 所示，其中 VT 用開關(guān)符號表示任何一種電力電子器件， VD 表示續(xù)流二極管。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形 u=f(t),如圖 3— 1b 所示，好象是電源電壓 Us 在 ton 時間內(nèi)被接上，又在（ Tton）內(nèi)被斬斷，故稱為“斬波”。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 23 圖 3— 1 脈寬調(diào)制變換器 電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 a）原理圖 b)電壓波形圖 如圖 3— 2 a)所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由 VT1— VT2共 4 個電力電子開關(guān)器件構(gòu)成橋式（或稱 H 形）可逆 脈沖寬度調(diào)制（ PULSE WIDTH MODULATION，簡稱 PWM）變換器。改變兩組開關(guān)器件導(dǎo)通的時間，也就改變了電壓脈沖的寬度，得到電動機兩端電壓波形如圖 3— 2 b)所示 圖 3— 2 橋失可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形 a)基本原理圖 b)電壓波形 如果用 ton 表示 VT1 和 VT4 導(dǎo)通的時間，開關(guān)周期 T 和占空比ρ的定義和上面 相同，則電動機電樞端電壓平均值為： Ud=(ton/T)*Us [（ Tton） / T]* Us=（ 2*ton/ T1） * Us=（ 2ρ 1） *Us 脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 24 圖 3— 5 橋式可逆 PWM 變換器 雙極式控制可逆 PWM 變換器的 4 個驅(qū)動電壓波形如圖 3— 6 所示。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0≤ tton時， Uab= Us，電樞電流 id 沿回路 1 流通；當(dāng) ton≤ tT 時，驅(qū)動電壓反相， id沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， Uab=Us。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 25 圖 3— 6 也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。電動機的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬度上。圖 3— 6 所示的波形是電動機正轉(zhuǎn)時的情況。調(diào)速時，ρ的可調(diào)范圍為0~1，相應(yīng)的，γ =（ 1） ~（ +1）。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的 交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。但它也有好處，在電動機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 26 第四章 直流電動機數(shù)學(xué)模型的建立 數(shù)學(xué)模型的建立 建立電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法的要點是：首先列寫出電動機主電路電 壓平衡方程式，軸上力矩平衡方程式和勵磁電路電壓平衡方程式等基本關(guān)系式，加以整理，然后進(jìn)行拉普拉斯變換，根據(jù)此變換，即可求出電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)的表達(dá)式 [1， 10]。 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換 由上圖可寫出下列基本關(guān)系式： aU E= aR (1+ aTS? ) dI eT lT =J? S?ω 本科畢業(yè)設(shè)計論文 27 fU = fR ? ? ff ITS ???1 E= ??? ?????? fe IMpK Te= dfdm IIMpIK ?????? ? 其中 : aaa RLT ? 為電樞電路時間常數(shù)； fff RLT ? 為勵磁電路時間常數(shù)； p 為電動機磁極對數(shù)； M 為勵磁繞組和電樞繞組的互感； 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 將 S=d/dt 看作算子，則上述諸式也就是它們的拉氏變換。如圖 4— 2 所示。由諸式可畫出直流電動機在獨立電樞電壓和磁場控制下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示： 本科畢業(yè)設(shè)計論文 28 圖 43 1) 當(dāng)電動機磁場恒定時，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為下圖形式： 其傳遞函數(shù)為： ? ? 1/1)( )( 2 ??????? sTsTT CsU ssWmamea? 或?qū)懗桑? 222 /)(nnen ss CsW ???? ????? 式中 : man TT ??1?固有振蕩頻率 ζ = amTT衰減系數(shù)或阻尼比 eC = ??eK = ??mK = mC = C電勢系數(shù)或轉(zhuǎn)矩系數(shù) 2CRJT am ?? 電動機的電氣機械時間常數(shù) 當(dāng)ζ〈 1 時，輸出響應(yīng)是振蕩的； 當(dāng)ζ≥ 1 時，輸出響應(yīng)是非振蕩的； 當(dāng)ζ 2,即 Tm4Ta 時，傳遞函數(shù)可寫成如下形式： )1)(1(/1)( )()( ?????? sTsT CsU ssWmaea? 本科畢業(yè)設(shè)計論文 29 次式表明，在外施階躍電壓作用下，首先產(chǎn)生由于時間常數(shù) aT 而滯后的電樞電流，然后下一步輸出因 mT 滯后的響應(yīng)速 度。此時，用下列諸式描述起其動態(tài)過程： ?? ????? le KsJT ① dml ICT ?? ② ? ?aadea LsRICU ?????? ? ③ 由①、②可得： ? ?? ?lmd KsJCsI s ????④ 本科畢業(yè)設(shè)計論文 31 令 me am CCRJT ???為電動機的電氣機械時間常數(shù)， aaa RLT ?為電動機的電氣時間常數(shù)，由③、④式可得： ? ? ? ?? ??????? ?????????? ????????1/12 mlamlmamea TJKsTTJKTsTTCsUssW ?⑤ 式④、⑤分別是以電樞電流 dI 和電樞電壓 dU 為輸入，以角速度ω為輸出時，永 磁電動機的傳遞函數(shù)，這兩種表達(dá)式可根據(jù)組成控制系統(tǒng)時的具體情況來選用， 通常把永磁直流電動機作為電流變換裝置，選取式④較好，因為相對于式⑤，式 ④只有 一個極點。 本設(shè)計中電動機部分的數(shù)據(jù)采集和計算 已知：電動機部分 [9， 10]：電動機電樞端電壓 aU =220V，電動機的電樞電 流 dI =，電樞電路電阻 aR =，轉(zhuǎn)速 n=1600r/min,額定功率 nP =185w，電樞電路電感 aL =，極對數(shù) p=2，電磁轉(zhuǎn)矩 M=,角速度ω =1600*2π/60=,頻率 W=50HZ； 勵磁部分：勵磁電壓 fU =220V，勵磁電流fI =,勵磁電路電阻 fR = ,勵磁電路電感 fL =。 經(jīng)計算： aT = fT = 所以得出結(jié)論： 電動機磁場恒定時， ? ? 1/1)( )( 2 ??????? sTsTT CsU ssW mam ea? = ???? ss (2) 略去電樞電感 aL 時， 本科畢業(yè)設(shè)計論文 32 1/1)( )()( ???? sT CsU ssW m ea? = ??s （ 4）忽略電樞電感但需要計入粘性摩擦負(fù)載時 ? ?? ? 1)( ???????????sCCKR RJCCKRCsUssWmelaamelama? = ???? lKs 其中， lL 是由負(fù)載決定的。過去常用數(shù)學(xué)和物理這兩種方法 ,它們對設(shè)計規(guī)模較小的一般電路是可行的?？刂葡到y(tǒng)的計算機法仿真是一門涉及到控制理論、計算機技術(shù)的綜合性新興學(xué)科。系統(tǒng)仿真就是用模型代替實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗和研究，而計算機仿真能夠為各種試驗提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。使用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進(jìn)行計算機仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱，從元件庫中選取所需的元件 ,連接好原理圖 ,加上激勵源 ,然后單擊仿真按鈕即可自動開始 ,可以同時觀察復(fù)雜的模擬信號和數(shù)字信號波形 ,以及得到電路性能的全部波形 [6， 8]。 本科畢業(yè)設(shè)計論文 34 圖 5— 1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖 本科畢業(yè)設(shè)計論文 35 仿真結(jié)果如下： 用繪圖命令 plot(tout , yout) 在 MATLAB 命令窗口里繪制圖形，觀察仿真輸出，如下圖所示： 仿真結(jié)果說明：轉(zhuǎn)速和電流滿足設(shè)計所需的靜、動態(tài)性能指標(biāo)。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時，進(jìn)一步了解了交流調(diào)速系統(tǒng)所蘊涵的發(fā)展?jié)摿Γ莆樟诉@一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性；第三， ASR、 ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計算；第四，直流電動機數(shù)學(xué)模型的建立，參數(shù)的計算；第六， PWM 脈寬調(diào)制系統(tǒng)的