課程設(shè)計(pwm)脈寬調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，如調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用如切削機床，造紙機等。本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行分析和計算，利用Simulink

2、對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)；軟件設(shè)計中，進行電流環(huán)和速度環(huán)中控制量的計算以及相位角度的計算，產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號。對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進行了實驗測試，表明所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設(shè)計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙

3、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行計算機輔助設(shè)計,并用SIMULINK進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.</p><p>　　關(guān)鍵詞 動態(tài)控制；直流電機；直流調(diào)速系統(tǒng)；速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；速度環(huán)；電流環(huán)；PWM；雙閉環(huán)系統(tǒng)；仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　DC motor h

4、as been widely used in the area of electric drive such as cutting machines, paper, etc.because of its neatly adjustment, simple method and DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly

5、 adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. Beginning with the theory of DC motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control sys

6、tem with double closed loops, detailedly discusses</p><p>　　Keywords: Dynamic control；DC motor；DC governing system；speed governor；current governor；Speed loop；current loop；PWM；Two closed-loops control system；

7、simulink</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 概 述1

8、</p><p>　　1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史1</p><p>　　1.3 研究直流閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)與仿真的目的和意義3</p><p>　　1.4 本文的研究內(nèi)容4</p><p>　　第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)5</p><p>　　2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)5</p>

9、<p>　　2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理5</p><p>　　2.1.2 直流調(diào)速用可控直流電源6</p><p>　　2.1.3 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)10</p><p>　　2.2 晶閘管-電動機直流調(diào)速控制系統(tǒng)14</p><p>　　2.2.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問題14</p>

10、<p>　　2.2.2 速度負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性14</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析17</p><p>　　2.3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理19</p><p>　　2.3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成19</p><p>　　2.3.3

11、 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性20</p><p>　　2.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析23</p><p>　　2.4.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立23</p><p>　　2.4.2 起動過程分析23</p><p>　　2.4.3 動態(tài)抗干擾性分析27</p&

12、gt;<p>　　2.5 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法27</p><p>　　2.5.1 PI調(diào)節(jié)器27</p><p>　　2.5.2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法28</p><p>　　2.5.3 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較29</p><p>　　2.5.4 轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定30</p>&l

13、t;p>　　2.6 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計30</p><p>　　2.6.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用30</p><p>　　2.6.2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計參數(shù)31</p><p>　　2.6.3 調(diào)節(jié)器電流環(huán)的設(shè)計32</p><p>　　2.6.4 調(diào)節(jié)器速度環(huán)的設(shè)計33</p>

14、<p>　　第三章 PWM脈寬調(diào)制35</p><p>　　3.1 PWM基本介紹35</p><p>　　3.2 脈寬調(diào)制變換器35</p><p>　　3.3 橋式可逆PWM變換器37</p><p>　　第四章 直流電動機數(shù)學(xué)模型的建立40</p><p>　　4.1 數(shù)學(xué)模

15、型的建立40</p><p>　　4.1.1 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換40</p><p>　　4.1.2 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖41</p><p>　　4.2 本設(shè)計中電動機部分的數(shù)據(jù)采集和計算46</p><p>　　第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真48</p><p>　　5.1 MATLAB簡介4

16、8</p><p>　　5.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真48</p><p><b>　　結(jié) 論51</b></p><p>　　參 考 文 獻52</p><p><b>　　致 謝54</b></p><p><b>　　附 錄55</b&g

17、t;</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 概 述</b></p><p>　　直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性

18、的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。</p><p>　　調(diào)速方法通常有機械的、電氣的、液壓的、氣動的幾種，僅就機械與電氣調(diào)速方法而言，也可采用電氣與機械配合的方法來實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。電氣調(diào)速有許多優(yōu)點，如可簡化機械變速機構(gòu)，提高傳動效率，操作簡單，易于獲得無極調(diào)速，便于實現(xiàn)遠距離控制和自動控制，因此，在生產(chǎn)機械中廣泛采用電氣方法調(diào)速。由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡

19、單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當(dāng)然，近年來，隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，在許多場合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但是就目前來看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控

20、制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，我們先著重討論直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史</p><p>　　直流傳動具有良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較早并沿用至今。早期直流傳動采用有接點控制，通過開關(guān)設(shè)備切換直流電動機電樞或磁場回路電阻實現(xiàn)有級調(diào)速。1930年以后出現(xiàn)電機放大器控制的旋轉(zhuǎn)交流機組供電給直流電動機（由交流電動機M和直流發(fā)電機

21、G構(gòu)成，簡稱G—M系統(tǒng)），以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，實現(xiàn)了直流傳動的無接點控制。其特點是利用了直流電動機的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動機，從而方便地實現(xiàn)調(diào)速。但這種調(diào)速方法后來被晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)所取代，至今已不再使用。1957年晶閘管問世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直在直流傳動中占主導(dǎo)地位。由于電力電子

22、技術(shù)與器件的進步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟性不斷提高，在20世紀相當(dāng)長的一段時間內(nèi)成為調(diào)速傳動的主流。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動的發(fā)展方向。直流傳動之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)</p><p>　　在實際應(yīng)用中，電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機電能量轉(zhuǎn)換效

23、率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機的旋轉(zhuǎn)速度。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點。 長期以來，直流電動機由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點廣泛的應(yīng)用于工程過程中。直流電動機在額定轉(zhuǎn)速以下運行時，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上運行時，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調(diào)速。直流電動

24、機具有良好的運行和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。</p><p>　　自19世紀80年代起至19世紀末以前，工業(yè)上傳動所用的電動機一直以直流電動機為唯一方式。到了19世紀末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用的交流籠型電動機

25、以后，交流電動機傳動在不調(diào)速的場合才代替了直流電動機傳動裝置。然而，隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，調(diào)速對變速傳動裝置是一項基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動系統(tǒng)，在滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無級）調(diào)速的同時，還必須具有持續(xù)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)性能。雖然直流電動機可以滿足這些要求，但由于直流電動機在容量、體積、重量、成本、制造和運行維護方面都不及交流電動機，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動機代替直流電動機。從60年代起，國外對交流電動機調(diào)

26、速已開始重視。隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動機調(diào)速系統(tǒng)以及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)等的飛速發(fā)展。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的</p><p

27、>　　但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點是：(1)常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便；(2)動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便；(3)系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)

28、的可靠性；(4)可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能；(5)可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度；(6)容易與上一級計算機交換信息；(7)具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能；(8)成本較低。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究和探索。</p><p>　　1.3 研究雙閉環(huán)

29、直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義</p><p>　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng), 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。首先，應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速

30、與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用；第三，研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法，和經(jīng)典控制理論的動態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計方法的優(yōu)點，即計算簡便、應(yīng)用方便、容易掌握；第四，應(yīng)用工程設(shè)計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計問題，等等。</p><p>　　通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高

31、該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領(lǐng)域。</p><p>　　1.4 本文的研究內(nèi)容</p><p>　　本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

32、參數(shù)進行分析和計算，利用Simulink對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。</p><p><b>　　本文的主要工作：</b></p><p>　　掌握電機傳動的工作原理及應(yīng)用；</p><p><b>　　設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)；</b></p><p>　　主要內(nèi)容包括：觸

33、發(fā)電路設(shè)計；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計。</p><p>　　建立數(shù)學(xué)模型，計算其參數(shù)；</p><p>　　進行數(shù)字仿真，驗證其設(shè)計；</p><p><b>　　完成相關(guān)實驗。</b></p><p>　　第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)

34、</p><p>　　2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理</p><p>　　直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管—直流電動機(V—M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。它在理論上實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。</p><p>　　從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，

35、電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電動機的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（2—1）表示</p><p><b>　　（2—1）</b></p><p>　　式中 n——電動機轉(zhuǎn)速；</p><p>

36、;　　U——電樞供電電壓；</p><p><b>　　I——電樞電流；</b></p><p>　　R——電樞回路總電阻，單位為</p><p>　　——由電機機構(gòu)決定的電勢系數(shù)。</p><p>　　在上式中，是常數(shù)，電流I是由負載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：</p><p>

37、;　?。?）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；</p><p>　?。?） 減弱勵磁磁通；</p><p>　?。?） 改變電樞回路電阻R。</p><p>　　對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自

38、動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。</p><p>　　直流調(diào)速用可控直流電源</p><p>　　改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：     （1）旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 

39、    （2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。     （3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。     下面分別對各種可控直流電源以及由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)作概括性介紹</p&

40、gt;<p><b>　　可控整流器</b></p><p>　　從20世紀50年代開始，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且縮短了響應(yīng)時間，但是由于汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴重危害身體健康。因此，應(yīng)用時間不長，到了20世紀60年代又

41、讓位給更為經(jīng)濟可靠的晶閘管整流器。    1957年，晶閘管問世，它是一種大功率半導(dǎo)體可控整流元件，俗稱可控硅整流元件，簡稱“可控硅”，20世紀60年代起就已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置。晶閘管問世以后，變流技術(shù)出現(xiàn)了根本性的變革。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)（即晶閘管－電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖2—1所

42、示是V-M系統(tǒng)的原理框圖，圖中V是晶閘管可控整流器，它可以是任意一種整流電路，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流輸出電壓平均值，實現(xiàn)電動機的平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流相比，晶閘管整流不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上顯示出很大</p><p>　　圖2—1管－電動機調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（V-M系統(tǒng)）</p><p>　　直流斬波器或脈

43、寬調(diào)制變換器</p><p>　　直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷時間的變化來改變負載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流－直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。圖2—2為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中

44、VT代表開關(guān)器件。當(dāng)開關(guān)VT接通時，電源電壓U。加到電動機上；當(dāng)VT斷開時，直流電源與電動機斷開，電動機電樞端電壓為零,此反復(fù)。</p><p>　　圖2—2　直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （a）原理圖　　（b）電壓波型</p><p>　　這樣，電動機電樞端電壓的平均值為：         

45、                                    （2—2）

46、60;   式中，T－開關(guān)器件的通斷周期；          －開關(guān)器件的導(dǎo)通時間；          －占空比；       

47、60;  開關(guān)頻率。    由式（2—2）可知，直流斬波器的輸出電壓平均值可以通過改變占空比，即通過改變開關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三種：    （1）脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，簡稱PWM）。開關(guān)器件的通斷周期T保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時間，也就是脈沖周期

48、不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬。    （2）脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation，簡稱PFW）。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時間不變，只改變通斷周期T或開關(guān)頻率f，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時間，即定寬調(diào)頻，稱為調(diào)頻。    （3）兩點式控制。開關(guān)器件的通斷周期T和導(dǎo)通時間均可變，即調(diào)寬調(diào)頻，亦可稱為混合調(diào)制。當(dāng)負載電流或電壓低于某

49、一最小值時，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或</p><p><b>　　調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)</b></p><p>　　任何一臺需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對控制性能都有一定的要求。例如，精密機床要求加工精度達到幾十微米至幾微米；重型機床的進給機構(gòu)需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，最高和最低相差近300倍；容量幾千kW的初軋機軋輥電動機在不到1秒的時間內(nèi)就得完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程；

50、高速造紙機的抄紙速度達到1000m/min，要求穩(wěn)速誤差小于0.01%。所有這些要求，都可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標(biāo)。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運行時，應(yīng)盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響。</p><p><b&g

51、t;　　一、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)</b></p><p>　　運動控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，又稱靜態(tài)指標(biāo)。例如，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時調(diào)速范圍和靜差率，位置隨動系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差等等。下面我們具體分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)</p><p>　　（1）調(diào)速范圍D    生產(chǎn)機械要求電動機能達到的最高轉(zhuǎn)速n

52、max和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即                               

53、          （2—3）    </p><p>　　其中nmax和nmin一般指額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可以用實際負載的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，通常視nmax為電動機的額定轉(zhuǎn)速nnom。</p><p><b>

54、;　?。?）靜差率S  </b></p><p>　　靜差率是用來表示負載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù)s來表示。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，用百分數(shù)表示為</p><p><b>　　（2—4）</b></p><p>

55、;　　顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大，越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。</p><p>　　然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對于圖2—3中的線1和線2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落=，但由于<，因此>。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時也降落1

56、0r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min時，電動機就停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全都降落完了。</p><p>　　由圖2—3可見，對一個調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運行的靜差率s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。</p><p>　　圖2—3 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率</p><p>　　事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必

57、須同時提才有意義。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對靜差率的要求。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。</p><p><b>　　動態(tài)指標(biāo)</b></p><p>　　生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標(biāo)。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性

58、能指標(biāo)包括對給定信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。</p><p><b>　?。?）跟隨性能指標(biāo)</b></p><p>　　在給定信號（或稱參考輸入信號）R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號表示方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動

59、態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量c(t)與其穩(wěn)態(tài)值的偏差越小越好，達到的時間越快越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間：</p><p><b>　　1）上升時間</b></p><p>　　在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖2—4。</p>

60、<p>　　圖2—4 表示跟隨性能指標(biāo)的單位階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　2）超調(diào)量%</b></p><p>　　在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，叫做超調(diào)量：</p><p><b>　?。?—5）</b></p><

61、p>　　超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。</p><p><b>　　3）調(diào)節(jié)時間</b></p><p>　　調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣

62、。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取(或)的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間，可見圖2—4。</p><p><b>　?。?）抗擾性能指標(biāo)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行中，如果受到外部擾動（如負載變化、電網(wǎng)電壓波動），就會引起輸出量的變化。輸出量變化多少？經(jīng)過多長時間能恢復(fù)穩(wěn)定運行？這些問題反映

63、了系統(tǒng)抵抗擾動的能力。一般以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中突加階躍擾動N以后的過渡過程作為典型的抗擾過程，如圖2—5所示?？箶_性能指標(biāo)有以下幾項:</p><p><b>　　1）動態(tài)降落%</b></p><p>　　系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負載擾動）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值%叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達到新的穩(wěn)態(tài)值,

64、(-)是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落%。</p><p><b>　　2）恢復(fù)時間</b></p><p>　　從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進入某基準(zhǔn)量的(或)范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間，其中稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。</p>

65、<p>　　實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。</p><p>　　圖2—5 突加擾動的過渡過程和抗擾性能指標(biāo)</p><p>　　2.2 晶閘管-電動機直流調(diào)速控制系統(tǒng)</p><p>　　2.2.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在的問題</p><p>

66、;　　在圖2—2所示的V-M系統(tǒng)中和圖2—3所示的PWM系統(tǒng)中，只通過改變觸發(fā)或驅(qū)動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的，它們都屬于開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，稱為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，即控制是單方向進行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。如果生產(chǎn)機械對靜差率要求不高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，而且開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

67、簡單。但是，在實際中許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率提出較嚴格的要求，不能允許很大的靜差率。例如，由于龍門刨床加工各種材質(zhì)的工件，刀具切入工件和退出工件時為避免刀具和工件碰壞，有調(diào)節(jié)速度的要求；又由于毛坯表面不平，加工時負載常有波動，為了保證加工精度和表面光潔度，不允許有較大的速率變化。因此，龍門刨床工作臺電氣傳動系統(tǒng)一般要求調(diào)速范圍D=20～40，靜差率S≤5%，動態(tài)速降%10%，快速起、制動。多機架熱連軋機，各機架軋輥分別由單

68、獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內(nèi)同時軋制，為了保證被軋金屬的每秒流量相等，不致造成鋼材拉斷或拱起，各機架出口線速度需保持嚴格的</p><p>　　2.2.2 速度負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性</p><p>　　由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標(biāo)要求。根據(jù)自動控制原理，為了克服開環(huán)系統(tǒng)的缺點，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖如圖2-6所示。在

69、閉環(huán)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)的輸出量通過檢測裝置（傳感器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。</p><p>　　圖2—6 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖</p><p>　?。?）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成<

70、;/p><p>　　對于調(diào)速系統(tǒng)來說，輸出量是轉(zhuǎn)速，通常引入轉(zhuǎn)速負反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電動TG，引出與輸出量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓，與轉(zhuǎn)速給定電壓進行比較，得到偏差電壓，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生驅(qū)動或觸發(fā)裝置的控制電壓Uct，去控制電動機的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖2—7所示為采用晶閘管相控整流器供電的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，因為只有一個轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，所以稱為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由圖可見，該系統(tǒng)

71、由電壓比較環(huán)節(jié)、放大器、晶閘管整流器與觸發(fā)裝置、直流電動機和測速發(fā)電機等部分組成。</p><p>　　圖2—7 采用轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　下面分析圖2—7所示的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。為突出主要矛盾，先作如下假定：    （1）忽略各種非線

72、性因素，各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的；    （2）工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段；    （3）忽略直流電源和電位器的等效電阻。    這樣，圖2—7所示單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系為    電壓比較環(huán)節(jié)：=-    

73、;放大器：=    晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：=    V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性：n=     測速發(fā)電機：=     以上各關(guān)系式中：    ——放大器的電壓放大系數(shù)；    ——晶閘管整流

74、器與觸發(fā)裝置的等效電壓放大倍數(shù)；    ——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，單位為V·min/r；    Ce——電機反電勢系數(shù)；    根據(jù)上述各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系可以畫出圖2—7所示系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2—8所示。圖中各方塊中的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)，或稱傳遞系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖的計算方法，可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系

75、統(tǒng)的靜特性方程式：                                   （2—6）&#

76、160;   式中，K=——閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系</p><p>　　圖2—8 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　比較開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，可以看出閉環(huán)控制的優(yōu)越性。</p><p>　　2.3電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析</p><p>　　在工業(yè)部門中，有許多生產(chǎn)機

77、械，例如龍門刨床、可逆軋鋼機等，由于生產(chǎn)的需要及加工工藝特點，經(jīng)常處于起動、制動、反轉(zhuǎn)的過渡過程中，起到和制動過程的時間在很大程度上決定了生產(chǎn)機械的生產(chǎn)率，如何縮短這一部分時間，以充分發(fā)揮生產(chǎn)機械效能，提高生產(chǎn)率，是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)首先要解決的問題。為此，在電動機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制的約束條件下，希望充分發(fā)揮電動機的過載能力，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，在電動機起動到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，

78、又讓電流（轉(zhuǎn)矩）立即降下來，使轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程如圖2—9所示，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速是線性增長的。這種在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制條件下調(diào)速系統(tǒng)能得到最快起動過程的控制策略稱為“最短時間控制”或“時間最優(yōu)控制”。    為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵是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，采用某個物理量的負反饋可以保持該量基本不

79、變，因此采用電流負反饋應(yīng)該能得到近似的恒流過程。前面討論的電流截止負反饋調(diào)速系統(tǒng)，在起動過程中具有限流作用，使起動電流不超過電機的最大</p><p>　　圖2—9 調(diào)速系統(tǒng)理想起動過程</p><p>　　圖2—10 帶電流截止負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程</p><p>　　為了在起動過程中只有電流負反饋起作用以保證最大允許恒定電流，不應(yīng)讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時

80、加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端；到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后希望能使轉(zhuǎn)速恒定，靜差盡可能小，應(yīng)只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主要作用。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠做到既有轉(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主要作用。</p><p>　　2.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理: 電動機在啟動階段,電動機的實際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,

81、速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)

82、器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對負載引起的轉(zhuǎn)速波動,速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補償電動機的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié),可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時,迅速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行。</p><p>　

83、　2.3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，如圖2—11所示。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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里

84、面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　圖2—11 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　其中：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機 TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 -電流給定電壓 -電流反饋電壓</p><p>　　2.3.3

85、轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　圖2—12 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和—輸出達到限幅值，不飽和—輸出未達到限幅值。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的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開

86、環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓ΔU在穩(wěn)態(tài)時總為零。</p><p>　　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。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。</p><p>　　1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和</p><p>　　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，因此，</p><p&g

87、t;<b>　　= ==</b></p><p><b>　　= =</b></p><p>　　由第一個關(guān)系式可得：== </p><p>　　從而得到圖2-12所示靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，<可知<，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這

88、就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。</p><p><b>　　2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</b></p><p>　　這時，ASR輸出達到限幅值，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。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：</p><p><b>　　==</b></p>&

89、lt;p>　　其中，最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果,則,ASR將退出飽和狀態(tài).</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時,轉(zhuǎn)速負反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負載電流達到時,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出,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

90、過電流的自動保護.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，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖2—13中虛線。</p><p>　　圖2—13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　三、　各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算</p><p>　　由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙

91、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系：</p><p><b>　　===</b></p><p><b>　　= ==</b></p><p><b>　　===</b></p><p>　　上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決

92、定，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決 于n和，或者說，同時取決于和。PI調(diào)節(jié)器輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(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。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。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(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)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的

93、給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=/;</p><p>　　電流反饋系數(shù)：β= /;</p><p>　　兩個給定電壓的最大值、由設(shè)計者給定，受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。</p><p>　　2.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析</p><p>

94、;　　2.4.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容，這里僅作簡單介紹。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓與整流輸出電壓的關(guān)系為：</p><p>　　其中：A---整流器系數(shù)； ---整流器輸入交流電壓； ---整流器觸發(fā)角；</p><p>　　---觸發(fā)器移項

95、控制電壓；K---觸發(fā)器移項控制斜率；</p><p>　　整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K=/。</p><p>　　繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：</p><p>　　圖2—14 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.4.2 起動過程分析</p>

96、<p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動機電樞電流和轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖2—15所示。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、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。</p><p>　　第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉(zhuǎn)動（n

97、=0），轉(zhuǎn)速負反饋電壓=0，這時，=-很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當(dāng)增加到（負載電流）時，電動機開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快達到限幅值，從而使電樞電流達到所對應(yīng)的最大值（在這過程中,的下降是由于電流負反饋所引起的），到這時電流負反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即</p><p>　　式中，——電流反饋系數(shù)。</p><

98、;p>　　速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。</p><p>　　第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由=+知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)

99、器是不應(yīng)該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應(yīng)該飽和。</p><p>　　第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中起作用。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉(zhuǎn)速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在以最大電流下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，,，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來，與也隨之降了下來，但是，由于仍大于負載電

100、流，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時，電動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。AS

101、R的輸出電壓為</p><p><b>　　ACR的輸出電壓為</b></p><p>　　由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內(nèi)，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時ASR發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行

102、中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速。故雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)。</p><p>　　圖2—15 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：</p><p>　?。?）飽和非線形控制：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(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng)，只能采用分

103、段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。</p><p>　　（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。</p><p>　?。?）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的

104、恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程Ⅰ、Ⅱ兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準(zhǔn)時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。</p><p>　　2.4.3 動態(tài)抗干擾性分析</p><p>　　一般來說，雙閉環(huán)調(diào)

105、速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。</p><p><b>　　1． 抗負載擾動</b></p><p>　　由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負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)生抗負載擾動的作用。在設(shè)計ASR時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。</p>

106、<p>　　2． 抗電網(wǎng)電壓擾動</p><p>　　電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。在圖2—7所示的雙閉環(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。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會小得多。</p><p>　　2.5 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法</p>

107、<p>　　2.5.1 PI調(diào)節(jié)器</p><p>　　PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式：</p><p>　　由圖可得： </p><p>　?。篜I調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)</p><p>　　：PI調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)</p><p>　　PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：w=+ </p>

108、<p>　　2.5.2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法</p><p>　　為了保證轉(zhuǎn)速發(fā)生器的高精度和高可靠性，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題：</p><p>　　1. 保證轉(zhuǎn)速在設(shè)定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)；</p><p>　　2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；</p><p>　　3. 減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。</p

109、><p>　　為了解決上述問題，就必須對轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié)器的進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足系統(tǒng)的需要。</p><p>　　建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵循的原則是：</p><p><b>　　概念清楚、易懂；</b></p><p>　　計算公式簡明、好記；</p><p>　　不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指

110、明參數(shù)調(diào)整的方向；</p><p>　　能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；</p><p>　　適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗等內(nèi)容。</p><p>　　在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少

111、量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。</p><p>　　2.5.3 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 </p><p>　　許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為</p><p>　　根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)

112、稱為0型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。自動控制理論證明,0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此,通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng),典型的Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（2—7）</b></p><p><b>　?。?—8）</b></p><p>　　典

113、型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可做到超調(diào)小,但抗擾性能差;而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些,抗擾性能卻比較好。接下來可用一個實例來說明這個問題。設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)如式（2—9）:</p><p><b>　?。?—9）</b></p><p>　　若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器僅僅是一個比例環(huán)節(jié),若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng),則調(diào)節(jié)器必須含有一個積分環(huán)節(jié),并帶有一個比

114、例微分環(huán)節(jié),以便消除被控對象的一個慣性環(huán)節(jié),故調(diào)節(jié)器采用如式(2—10)的PI調(diào)節(jié)器。仿真結(jié)果如圖2—16所示。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。</p><p>　　圖2—16 I 型系統(tǒng)、II型系統(tǒng)性能比較</p><p>　　2.5.4 轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定</p><p>　　一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)

115、跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗憂性能差;而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好。圖2—16很好地說明了這一點?；诖?在轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電流環(huán)的一個重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,即能否抑制超調(diào)是設(shè)計電流環(huán)首先要考慮的問題,所以一般電流環(huán)多設(shè)計為Ⅰ型系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)的設(shè)計應(yīng)以此為限定條件。至于轉(zhuǎn)速環(huán),穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求,所以轉(zhuǎn)速環(huán)通常設(shè)計為Ⅱ型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,整流裝置滯后時間常數(shù)T