1、第1章 緒論2第2章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介32.1 控制要求32.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案32.3 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性5第3章 可逆PWM變換器73.1 PWM控制技術(shù)的基本原理73.2可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式73.3 PWM變換器環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型9第4章 控制器的設(shè)計(jì)104.1 PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)10第5章 動(dòng)態(tài)模型和穩(wěn)定性分析125.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型建立125.2穩(wěn)壓電源及給定器的設(shè)計(jì)175.3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程18總結(jié)與體會(huì)19參考文獻(xiàn)20第1章 緒論 直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動(dòng)裝置之一。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管

2、整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。由于直流電氣傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用已達(dá)到比較成熟的地步，應(yīng)用相當(dāng)普遍，尤其是全數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性。所以，今后一個(gè)階段在調(diào)速要求較高的場(chǎng)合，如軋鋼廠、海上鉆井平臺(tái)等，直流調(diào)速仍然處于主要地位。當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用

3、和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動(dòng)在主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。由于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能好，啟動(dòng)，制動(dòng)和過載轉(zhuǎn)矩大，便于控制等特點(diǎn)，因而成為大容器，高性能生產(chǎn)機(jī)械的理想電動(dòng)機(jī)。盡管近年來，交流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)不斷普及，但直流電動(dòng)機(jī)在一定場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。本課題著重介紹PWM單閉環(huán)比例積分直流調(diào)速系統(tǒng)的分析和計(jì)算關(guān)鍵詞；PWM 比例積分 調(diào)速 單閉環(huán)第2章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1 控制要求在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械都不停地運(yùn)動(dòng)著，幾乎無處不使用電力傳動(dòng)裝置。由于各種不同的生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律不一樣，對(duì)傳動(dòng)裝置性能的要求也不一樣。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械

4、要求能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與相應(yīng)的自動(dòng)化控制，并且對(duì)電力傳動(dòng)裝置的拖動(dòng)性能要求也越來越高。（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案 由電機(jī)學(xué)基本理論可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性方程式為： （2.1）由上式可見，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案可有以下三種。（1）弱磁調(diào)速 通過改變勵(lì)磁線圈中的電壓Uf，使磁通量改變（Uf增大，磁通量增大；Uf

5、增小，磁通量增?。Ｌ攸c(diǎn)：保持電源電壓為恒定的額定值，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電流大小，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法屬于基速以上的恒功率調(diào)速的方法。在電流較小的勵(lì)磁回路內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此控制起來比較方便，功率損耗小，用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁的電阻器功率小，控制方便且容易實(shí)現(xiàn)，而其更重要的是此方法可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速，但由于電動(dòng)機(jī)的換向有限以及機(jī)械強(qiáng)度的限制，速度不能調(diào)節(jié)得太高，從而電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍也就受到了限制。（2）串聯(lián)電阻調(diào)速 即在電樞回路中串入一個(gè)電阻，其阻值的大小根據(jù)實(shí)際需要而定，使電動(dòng)機(jī)特性變軟，特點(diǎn)：在保持電源電壓和氣隙磁通為額定值，在電樞回路中串入不同阻值的電阻時(shí)，可以得到不同的人為機(jī)

6、械特性曲線，由于機(jī)械特性的軟硬度，即曲線斜率的不同，在同一負(fù)載下改變不同的電樞電阻可以得到不同的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)速的目的，屬于基速以下的調(diào)速方法。這種方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，而其成本較低，單外串電阻只能是分段調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，而其電阻在一定程度上要消耗能量，功率損耗大，低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差，只能適應(yīng)對(duì)調(diào)速要求不高的中小功率型電動(dòng)機(jī)。（3）調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 電機(jī)降壓起動(dòng)是為了避免高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流峰值,減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的加速轉(zhuǎn)矩和沖擊電流對(duì)工作機(jī)械、供電系統(tǒng)的影響。特點(diǎn)：在保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值的情況下，電樞回路不串入電阻，將電視兩端的電壓，即電源電壓降低為不同的值時(shí)，可以獲得

7、與電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性相互平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速 方向是基速以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)平滑調(diào)速，而且低速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性基本保持不變。所以得到的調(diào)速范圍可以達(dá)到很高，而且能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。但對(duì)于可調(diào)的直流電源成本投資相對(duì)其他方法較高。第一個(gè)指標(biāo)為調(diào)速范圍，它是拖動(dòng)系統(tǒng)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)能夠提供給生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。 （2.2）另一個(gè)指標(biāo)為靜差率，它是電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比。 （2.3）它表示負(fù)載變化引起調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速偏離原定轉(zhuǎn)速的程度。系統(tǒng)的調(diào)速特性越硬，越小，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性能越好。另外，轉(zhuǎn)速越低，靜差

8、率越大，故調(diào)速系統(tǒng)靜差率指標(biāo)以最低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的數(shù)值為準(zhǔn)。在考慮生產(chǎn)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速相對(duì)性（即靜差率）的要求后，電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速受到了限制，也即調(diào)速范圍受到限制。采用降壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速范圍、靜差率及轉(zhuǎn)速降三者關(guān)系為： （2.4）2.3 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性圖1.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用在這里為了分析簡(jiǎn)單，不單獨(dú)討論開環(huán)系統(tǒng)，由簡(jiǎn)單閉環(huán)系統(tǒng)引出開環(huán)系的特性。如圖1.3的轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如果把閉環(huán)系統(tǒng)的反饋回路斷開，成了開環(huán)系統(tǒng)，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為 （2.5）而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成 （2.6）其中 開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降；閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)

9、態(tài)速降；。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降分別為 （2.7） （2.8）它們的關(guān)系是 （2.9）顯然，當(dāng)值較大時(shí)，比小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 （2.10）當(dāng)開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降相等時(shí) （2.11）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是而對(duì)最低速靜差率的要求相同，則開環(huán)時(shí) （2.12）閉環(huán)時(shí) （2.13）要取得上述優(yōu)越性，只要閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)置放大器即可?？傊?，閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)硬得多的特性，從而保證在一定

10、靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍。在閉環(huán)系統(tǒng)中降低速降的實(shí)質(zhì)是：在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速就降下來了；閉環(huán)系統(tǒng)有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就感覺出來了，通過比較和放大，提高脈寬調(diào)制的輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)速有所回升，速度降落降低。第3章 可逆PWM變換器3.1 PWM控制技術(shù)的基本原理采樣理論中的一個(gè)重要理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖家在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。這個(gè)原理成為面積原理，它是PWM控制5的重要理論基礎(chǔ)。若將半個(gè)周期的正弦波分成N等份，就可以把正弦波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等為，但幅值不

11、等，且脈沖頂部不是水平的，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。若將上述脈沖換成同等數(shù)量的等幅值而不等寬的矩形脈沖代替，是矩形脈沖和相應(yīng)的正弦脈沖的面積相等，這就是PWM形?？梢钥闯?，其幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化，變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門的可控直流電源，常用的有三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G-M），靜止式可控整流器(V-M)和直流斬器或者脈寬調(diào)制變換器(PWM)。對(duì)于全控型電力電子器件尤其是單閉環(huán)系統(tǒng)來說，采用脈寬調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式比V-M系統(tǒng)具有如下的優(yōu)越性：（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較快，動(dòng)態(tài)抗

12、擾能力強(qiáng)； （4）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；（5）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。 PWM變換器的作用是：用PWM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系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面主要闡述可逆PWM變換器的工作原理。 3.2可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式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。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種。本設(shè)計(jì)

13、選用雙極式H型PWM型變換器5。圖2.1繪出了雙極式H型PWM變換器的電路原理圖。圖2.1橋式PWM變換器原理圖和同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓和為正；和同時(shí)導(dǎo)通，其驅(qū)動(dòng)電壓=-。其波形如下圖所示。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，和為正；晶體管和飽和導(dǎo)通；而和為負(fù)，和截止。加在AB兩端，=，電樞電流沿回路1流通。時(shí)，和為負(fù)，晶體管和截止；而和為正，但是，和并不能立即導(dǎo)通因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃?chǔ)能的作用下，沿回路2經(jīng)和續(xù)流，這時(shí)，= -，在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間。由于電壓的正負(fù)變化使電流波形存在兩種情況，具體如上圖所示。相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，這是平均負(fù)載電流大，在連續(xù)階段電流仍維持正方向，電機(jī)始終工作在第一象

14、限的電動(dòng)狀態(tài)。相當(dāng)于負(fù)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，于是和c-e極兩端失去反壓，在負(fù)的電源電壓（）和電樞反電動(dòng)勢(shì)的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。與此相仿，在期間，當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，電流也有一次倒向。雙極式PWM變換器的可逆要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。圖2.2 正向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)的輸出波形雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓為： （3.1）以定義為PWM的占空比，則有 （3.2） 的變化范圍

15、為。當(dāng)為正值時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；為負(fù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。在0時(shí)雖然電機(jī)不動(dòng)，電樞兩端的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流都不是零，而是交變的。這個(gè)交變電流平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，陡然增大電機(jī)的損耗。3.3 PWM變換器環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型圖2.3繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動(dòng)電壓都由 PWM 控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對(duì)PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期 T 。圖2.3 PWM變換器環(huán)節(jié)框圖根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，

16、PWM變換器的輸出電壓要到下一個(gè)周期方能改變。因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器合起來可以看成一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，它的延時(shí)最大不超過一個(gè)開關(guān)周期T。則，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足因此PWM控制與變換器（簡(jiǎn)稱PWM裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成 （3.3）當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T = 0.1ms ，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此 （3.4）Kp脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)。第4章 控制器的設(shè)計(jì)4.1 PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)校正的方法有很多，在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋矯正。對(duì)于電力電子變

17、換器的直流調(diào)速系統(tǒng)，一般采用PID的串聯(lián)校正方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。PID調(diào)節(jié)器分為PI,PD,PID三種類型。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快速性又受到了影響。PID則兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。通常的調(diào)速系統(tǒng)要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器11。在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，我們主要的研究工具是伯德圖，即開環(huán)頻域?qū)?shù)頻率的漸近線。它可以確切的提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，同時(shí)能夠大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標(biāo)是相角裕度和增益裕度，一般要求和

18、。保留適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實(shí)際系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)餐宿發(fā)生變化的時(shí)候不至于失去穩(wěn)定性。穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度越大意味著動(dòng)態(tài)過程中振蕩越弱，超調(diào)越小。判斷系統(tǒng)性能一般可以分為以下四個(gè)方面：（1） 中頻段以-20dB/dec的斜率超過0dB線，而且這一斜率能夠覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能好。（2） 截止頻率越高，則系統(tǒng)的快速性越好。（3） 低頻段的休旅陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。（4） 高頻段衰減越高，則有系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力強(qiáng)。圖3.1 PI調(diào)節(jié)器的原理圖PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （4.1）其中為PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)。 為微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)，

19、 為積分時(shí)間常數(shù)。由 ，根據(jù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件可知： （4.2）取，原始閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （4.3）利用經(jīng)驗(yàn)整定公式可得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。第5章 動(dòng)態(tài)模型和穩(wěn)定性分析5.1反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型建立為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)物理規(guī)律和數(shù)學(xué)模型，對(duì)于連續(xù)的線性定長系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1） 根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程。（2） 求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。（3） 組成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。下圖為本文直流閉

20、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的等效電路1： 圖4.1 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的等效電路假定主電路的電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)方程為： （5.1）忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)上的動(dòng)力學(xué)方程為： （5.2） 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為： （5.3） （5.4）式中 包括電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量； 額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， ； 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)， ； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)， 。綜合整理得： （5.5） （5.6）式中 負(fù)載電流， 。在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流的傳遞函數(shù)為： （5.7）則有電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖： 圖4.2電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖電流與電

21、動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為： （5.8）則有電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖：圖4.3 電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖合并得到：圖4.4 直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，分別得到IdL0 和IdL = 0時(shí)的變換圖，如圖4.5所示 圖4.5直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換和簡(jiǎn)化經(jīng)過變化和簡(jiǎn)化可以得到直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖：圖4.6 直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖反饋控制環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （5.9）其中， 設(shè)Idl=0，從給定輸入作用

22、上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 ： （5.10）反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為： （5.11）它的一般表達(dá)式為 （5.12） 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 （5.13）因此穩(wěn)定條件為 （5.14） （5.15）整理后得到 （5.15）式中右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) , 當(dāng) 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。從穩(wěn)態(tài)精度講，希望K越大越好。但從動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的角度講，的最大取值必須嚴(yán)格限制。因?yàn)閷?duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動(dòng)的沖擊電流采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，速不可能立即建立起來反饋電壓仍

23、為零，相當(dāng)于偏差電壓差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時(shí)由于放大器和變換器的慣性都很小,電樞電壓一下子就達(dá)到了它的最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來說相當(dāng)于全壓起動(dòng)，顯然是不允許的。堵轉(zhuǎn)電流有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如由于故障機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘也會(huì)給正常工作帶來不便。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么引入電流負(fù)反饋

24、，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。但考慮到正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨負(fù)載增減,限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用,如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱截流反饋。+-+-M TG+-RP2nRP1UsnR0R0RbalUcVT VSUiTALIdR1C1UfnUd-+MTG帶電流截止負(fù)反饋的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 工作原理：上圖是一個(gè)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差采用電流截止負(fù)反饋來限制動(dòng)態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測(cè)電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)。當(dāng)電流超過

25、截止電流時(shí)，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。5.2穩(wěn)壓電源及給定器的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)給定參數(shù)：PN =3KW, nN =1500rpm,UN =220V,IN =2.1A,Ra =5，POU =355kw，Idm = 1.52IN 。三相橋式整流電路，TS =5ms，Ks=40。測(cè)速反饋系數(shù) =0.07。調(diào)速指標(biāo)：D=10，S=5%。調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算首先確定電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，用以計(jì)算電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)額定速降。根據(jù)公式，可得：V·min/r系統(tǒng)的輸出功率為=355W，電樞電阻消耗

26、功率為：W則電力電子變換器內(nèi)阻消耗功率：W由此可以推導(dǎo)出電力電子變換器內(nèi)阻為則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為：r/min，為滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為：r/min則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐返钠骄Э貢r(shí)間。單相橋式全控整流電路總電感量的計(jì)算，為了保證最小電流 =10%IdN時(shí)電流仍能繼續(xù)，則電樞回路總電感量，即 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：。電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：。根據(jù)公式(1)可得反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是：根據(jù)公式(3)可得，只要K小于系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，系統(tǒng)即是穩(wěn)定的。而K=45.22。顯然，只帶有比例放大器的系統(tǒng)完全能在滿足穩(wěn)態(tài)性能的條件下運(yùn)行。前

27、面已經(jīng)求出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為K=45.22，則運(yùn)算放大器的放大系數(shù)應(yīng)為。實(shí)取。運(yùn)算放大器的參數(shù)計(jì)算如下：取，則。5.3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程突加給定電壓后，經(jīng)過調(diào)解器的跟隨作用，、和都跟隨著上升，但是在沒有達(dá)到負(fù)載電流以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)以后，電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，因而電勢(shì)反饋環(huán)節(jié)的偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。直到，。此時(shí)，電勢(shì)反饋不起作用，電流恒定，系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，電壓反饋的偏差可能減小到零，但放大環(huán)節(jié)的滯后使得電動(dòng)機(jī)仍在加速，使時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)。此時(shí)，電壓反饋偏差變負(fù)，但直到，轉(zhuǎn)