xxx本科畢業(yè)設計論文PAGEPAGE2本科畢業(yè)設計論文雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設計和仿真學生姓名：班級：學號： 指導教師： 所在單位：電氣工程學院 答辯日期：xxx本科畢業(yè)設計論文PAGEPAGE52摘要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(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用。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)的設計參數(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)。在理論分析和仿真研究的基礎上，本文設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)。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設計的雙閉環(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，達到了設計要求。采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行計算機輔助設計,并用SIMULINK進行動態(tài)數(shù)字仿真,同時查看仿真波形,以此驗證設計的調(diào)速系統(tǒng)是否可行.關(guān)鍵詞直流電機直流調(diào)速系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真AbstractDCmotorhasbeenwidelyusedintheareaofelectricdrivebecauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandDCmotorhasbeenwidelyusedintheareaofelectricdrivebecauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandsmoothcontrolinawiderange,besidesitscontrolperformanceisexcellent.BeginningwiththetheoryofDCmotor,thisdissertationbuiltsupthemathematicmodelofDCspeedcontrolsystemwithdoubleclosedloops,detailedlydiscussesthestaticanddynamicstateperformanceofthesystem.Afterward,accordingtoautomationtheroythispaparcalculatestheparametersofthesystem.Then,thisdissertationsimulatesandanalyzesthesystembymeansofSimulink.Theresultsofsimulationareconsistentwiththeorycalculation.Someexperiencewasacquiredthroughsimulation.Basedonthetheoryandsimulation,thisdissertationdesignsaDCspeedcontrolsystemwithdoubleclosedloops,discussestherealizationofmaincircuit,feedbackcircuit,controlcircuitandtriggercircuit.Theresultsofexperimentshowthatthestaticanddynamicstateperformanceofthissystemaregood,whichindicatethatthedesigncanmeettherequirements.Computer-aidedanalysisanddesignarecarriedoutforspeed-controllingsystemofthed-cmotorbybyusingTOOLBOXandSIMULINK.Keywords:DCmotor,DCgoverningsystem,speedgovernor,currentgovernor,doubleloopcontrolsystem,simulink目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 51.1直流調(diào)速概念 51.2直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 51.3研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 61.4本文的研究內(nèi)容 6第二章直流調(diào)速系統(tǒng) 82.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標 82.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 82.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標 82.1.3動態(tài)性能指標 92.2電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 112.2.1雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 112.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 122.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析 142.3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立 142.3.2起動過程分析 152.3.3動態(tài)抗干擾性分析 182.4調(diào)節(jié)器的工程設計方法 182.4.1PI調(diào)節(jié)器 182.4.2調(diào)節(jié)器的設計方法 192.4.3Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 192.4.4轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 202.5電流環(huán)、速度環(huán)的設計 212.5.1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 212.5.2調(diào)節(jié)器的具體設計 21第三章PWM脈寬調(diào)制 243.1PWM基本介紹 243.2脈寬調(diào)制變換器 243.3橋式可逆PWM變換器 25第四章直流電動機數(shù)學模型的建立 284.1數(shù)學模型的建立 284.1.1寫出平衡方程式、拉普拉斯變換 284.1.2動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 294.2本設計中電動機部分的數(shù)據(jù)采集和計算 33第五章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 345.1MATLAB簡介 345.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 34結(jié)論 37致謝 38參考文獻 39附錄 40第一章緒論1.1直流調(diào)速概念直流調(diào)速[1]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的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史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地位。由于電力電子技術(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)中得到廣泛應用，關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達到較高的性能指標。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達數(shù)十萬分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達1：10000以上，快速響應系統(tǒng)的響應時間已縮短到幾毫秒以下。在實際應用中，電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設備，一是要具有較高的機電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應能根據(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)復雜等缺點廣泛的應用于工程過程中。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)，在拖動領域中發(fā)揮著極其重要的作用。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)速已開始重視。隨著電力電子學與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導體器件的發(fā)展，使得采用半導體變流技術(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，較高的穩(wěn)速精度，較快的動態(tài)響應，較高的工作效率以及可以四象限運行和制動，其靜特性已可以與直流電動機拖動系統(tǒng)相媲美。國際上許多國家交流電力拖動系統(tǒng)已進入工業(yè)實用化階段，大有取代直流電力拖動系統(tǒng)的勢頭。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渲饕攸c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)可以方便的設計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復原程序，以提高系統(tǒng)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，因此，應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[1]。1.3研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調(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。首先，應掌握轉(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)學模型的基礎上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(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，得出該設計方法的優(yōu)點，即計算簡便、應用方便、容易掌握；第四，應用工程設計方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設計問題，等等。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，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，使之能夠應用于國民經(jīng)濟各個生產(chǎn)領域。1.4本文的研究內(nèi)容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)的設計參數(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)。本文的主要工作：掌握電機傳動的工作原理及應用；設計調(diào)速系統(tǒng)；主要內(nèi)容包括：觸發(fā)電路設計；電流調(diào)節(jié)器設計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計。建立數(shù)學模型，計算其參數(shù)；進行數(shù)字仿真，驗證其設計；完成相關(guān)實驗。第二章直流調(diào)速系統(tǒng)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標2.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理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[1，6]。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，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（2—1）式中n——電動機轉(zhuǎn)速；U——電樞供電電壓；I——電樞電流；R——電樞回路總電阻，單位為——由電機機構(gòu)決定的電勢系數(shù)。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：（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。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，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以改變電壓調(diào)速為主。2.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標根據(jù)各類典型生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標。靜態(tài)調(diào)速指標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，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響[1，6]。一、靜態(tài)性能指標1）．調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，稱為調(diào)速范圍，用符號D表示（2—2）2）．靜差率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，對應的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，用百分數(shù)表示為（2—3）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。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—1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10r/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。由圖2—1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。圖2—1事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。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。2.1.3動態(tài)性能指標生產(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。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。一、跟隨性能指標在給定信號（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來描述。當給定信號表示方式不同時，輸出響應也不一樣。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，這時的動態(tài)響應又稱為階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量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。常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間：1）上升時間在典型的階躍響應跟隨過程中，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)響應的快速性，見圖2—2。圖2—22）超調(diào)量在典型的階躍響應跟隨系統(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：（2—4）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)響應比較平穩(wěn)。3）調(diào)節(jié)時間調(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。因此，一般在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取的范圍作為允許誤差帶，以響應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—2。二、抗擾性能指標一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標，可見圖2—3。常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復時間：1）動態(tài)降落系統(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，達到新的穩(wěn)態(tài)值是系統(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。2）恢復時間從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進入某基準量的范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復時間，其中稱為抗擾指標中輸出量的基準值。實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標的要求各有不同，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)指標以抗擾性能為主。圖2—32.2電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析2.2.1雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理雙閉環(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,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)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,迅速使電流恢復到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行[1，5，，6，8]。2.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性一、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(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—4所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)。圖2—4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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-電流反饋電壓二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析圖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，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(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。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[1，5，，6，8]。1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，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，=====由第一個關(guān)系式可得：n==從而得到圖2-5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Id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，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：==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).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—6中虛線。圖2—6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性三、各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系：=========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)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α=/;電流反饋系數(shù)：β=/;兩個給定電壓的最大值、由設計者給定，受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析2.3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學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，具體的內(nèi)容將在第三章內(nèi)加以說明。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓Ua0的關(guān)系為：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；觸發(fā)器移項控制電壓；K觸發(fā)器移項控制斜率；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=。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：圖2—7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.3.2起動過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(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)響應波形過程如圖2—8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)過程就分成圖中標明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。第一階段是電流上升階段。當突加給定電壓時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉(zhuǎn)動（n=0），轉(zhuǎn)速負反饋電壓，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，即式中，——電流反饋系數(shù)。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。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)器是不應該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應該飽和。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，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負載電流，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處于主導地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。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。ASR的輸出電壓為ACR的輸出電壓為由上述可知，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)。圖2—8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：（1）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)的設計這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：當轉(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，應采用其他控制方法來抑制超調(diào)。（3）準時間最優(yōu)控制：在設備允許條件下實現(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“準時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應用。2.3.3動態(tài)抗干擾性分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，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。1．抗負載擾動由雙閉環(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。在設計ASR時，應要求有較好的抗擾性能指標。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。在圖2—7所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內(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。2.4調(diào)節(jié)器的工程設計方法2.4.1PI調(diào)節(jié)器 PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式[1，2，3]：由圖可得：：PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)：PI調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：2.4.2調(diào)節(jié)器的設計方法為了保證轉(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：1.保證轉(zhuǎn)速在設定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài)；2.保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間；3.減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。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)化設計，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是：概念清楚、易懂；計算公式簡明、好記；不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設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。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(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，這樣就使設計方法規(guī)范化，大大減少了設計工作量。2.4.3Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為根據(jù)W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)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（2）（3）典型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。設被控對象的傳遞函數(shù)如式(4):（4）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(5)的PI調(diào)節(jié)器。仿真結(jié)果如圖3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。2.4.4轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)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3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)是設計電流環(huán)首先要考慮的問題,所以一般電流環(huán)多設計為Ⅰ型系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)的設計應以此為限定條件。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)Ts和電流濾波時間常數(shù)Toi一般都比電樞回路電磁Tl小很多,可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié),取T∑i=Ts+Toi。這樣,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié),要將其設計成典型Ⅰ型系統(tǒng),同理,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后,轉(zhuǎn)速環(huán)的被控對象形如式(2)。如前所述,轉(zhuǎn)速環(huán)應設計成Ⅱ型系統(tǒng),所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設計成PI型調(diào)節(jié)器,如下式所示:（5）2.5電流環(huán)、速度環(huán)的設計2.5.1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1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快的跟隨給定電壓Un*的變化；穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；對負載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流；2.電流調(diào)節(jié)器的作用為內(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Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；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，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。2.5.2調(diào)節(jié)器的具體設計本設計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下：晶閘管裝置放大系數(shù)：=30電樞回路總電阻：R=0.18Ω時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)=0.012s機電時間常數(shù)=0.12s調(diào)節(jié)器輸入電阻=20設計指標：靜態(tài)指標：無靜差；動態(tài)指標：電流超調(diào)量%≤5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量%≤15%。計算反饋關(guān)鍵參數(shù)：一.電流環(huán)的設計（1）確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)；（見附錄表一）電流濾波時間常數(shù)=0.002s（三相橋式電路每個波頭是時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（1～2）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s）電流環(huán)小時間常數(shù)之和按小時間常數(shù)近似處理。(和一般都比小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求：%≤5%，且，可按典型Ⅰ型設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設計成PI型的.檢查對電源電壓的抗擾性能:由附錄表二,各項指標可接受.（3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時間常數(shù)=0.012s；電流環(huán)開環(huán)時間增益，ACR的比例系數(shù)。（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率，a)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，現(xiàn)為，滿足近似條件；b)忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：現(xiàn)為，滿足近似條件；c)小時間常數(shù)近似處理條件：，現(xiàn)為=，滿足近似條件。電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為：，也滿足設計要求。二.速度環(huán)的設計（1）確定時間常數(shù)①電流環(huán)等效時間常數(shù)：=②轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：③轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：。（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置一個積分環(huán)節(jié),因此需要Ⅱ由設計要求，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)—選用設計PI調(diào)節(jié)器。典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標見附錄表三。（3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：ASR的比例系數(shù)：（4）近似校驗轉(zhuǎn)速截止頻率為：①電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：，滿足條件；②轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：（5）檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量:，滿足設計要求。第三章PWM脈寬調(diào)制3.1PWM基本介紹自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。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)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1：10000左右；若與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，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)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，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。由于上述優(yōu)點，在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應用日益廣泛[4]。3.2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備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電。過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。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。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。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。當VT導通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，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（T-ton）內(nèi)被斬斷，故稱為“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為：Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us式中T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期ton開通時間ρ占空比，ρ=ton/T=ton*f，其中f為開關(guān)頻率。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—2a)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（PULSEWIDTHMODULATION，簡稱PWM）變換器。VT1和VT4同時導通和關(guān)斷，VT2和VT3同時通斷，使電動機M的電樞兩端承受電壓+Us或-Us。改變兩組開關(guān)器件導通的時間，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—2b)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-[（T-ton）/T]*Us=（2*ton/T-1）*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。3.3橋式可逆PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H型）電路，如圖3—5所示。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。圖3—6雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形它們之間的關(guān)系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當0≤t<ton時，Uab=Us，電樞電流id沿回路1流通；當ton≤t<T時，驅(qū)動電壓反相，id沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，Uab=-Us。因此，Uab在一個周期內(nèi)具有正負相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。圖3—6也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。相當于一般負載的情況，脈動電流的方向始終為正；相當于輕載情況，電流可在正負方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負載電流。電動機的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬度上。當正脈沖較寬時，ton>T/2,則Uab的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負脈沖相等，t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動機停止。圖3—6所示的波形是電動機正轉(zhuǎn)時的情況。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為：若占空比ρ和電壓系數(shù)γ的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：γ=2ρ-1就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時，ρ的可調(diào)范圍為0~1，相應的，γ=（-1）~（+1）。當ρ>1/2時，γ為正，電動機正轉(zhuǎn)；當ρ<1/2時，γ為負，電動機反轉(zhuǎn)；當ρ=1/2時，γ=0，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗，這是雙極式控制的缺點。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。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：電流一定連續(xù)；可使電動機在四象限運行；電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達1：20000左右；低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。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，應設置邏輯延時。為了克服上述缺點，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能會略有降低[4，8]。第四章直流電動機數(shù)學模型的建立4.1數(shù)學模型的建立建立電動機動態(tài)數(shù)學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)的表達式[1，10]。圖4—1上圖為一他勵直流電動機的等效電路，其中：E分別為電動機電樞端電壓和反電勢；電動機電樞電流和勵磁電流；電樞電路電阻和電感；勵磁電路電阻和電感；電動機的勵磁電壓；ω電動機的角速度；J電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量；電動機轉(zhuǎn)矩和負載阻轉(zhuǎn)矩。4.1.1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：-E=(1+)-=JSω=E=Te=其中:為電樞電路時間常數(shù)；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；4.1.2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。所以由上式可畫出直流電動機的結(jié)構(gòu)。如圖4—2所示。圖4—2如果將討論的問題限制在穩(wěn)態(tài)工作點附近的小偏差情況，經(jīng)過化簡，可得此時系統(tǒng)的增量方程為：為簡化起見，式中表示增量的下標1已刪去。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：圖4--3當電動機磁場恒定時，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為下圖形式：其傳遞函數(shù)為：或?qū)懗桑菏街?固有振蕩頻率ζ=衰減系數(shù)或阻尼比====C電勢系數(shù)或轉(zhuǎn)矩系數(shù)電動機的電氣機械時間常數(shù)當ζ〈1時，輸出響應是振蕩的；當ζ≥1時，輸出響應是非振蕩的；當ζ>>2,即Tm>>4Ta時，傳遞函數(shù)可寫成如下形式：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)而滯后的電樞電流，然后下一步輸出因滯后的響應速度。略去電樞電感，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可化為：其傳遞函數(shù)為：其中：當負載中含有隨轉(zhuǎn)速成比例變化的粘性摩擦負載，即時，結(jié)構(gòu)圖如下：其中轉(zhuǎn)矩系數(shù)忽略電樞電感但需要計入粘性摩擦負載時動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：由上圖可得直流電動機的傳遞函數(shù)：以上四種的討論都是就恒定磁場他勵直流電動機而言，而永磁直流電動機只不過是用永久磁鐵代替了恒定他勵電動機達到勵磁繞組，故兩者具有相同的等效電路，如下圖：當永磁電動機用于伺服系統(tǒng)時，常常要考慮帶有粘性負載的情況。此時，用下列諸式描述起其動態(tài)過程：①②③由①、②可得：④令為電動機的電氣機械時間常數(shù)，為電動機的電氣時間常數(shù)，由③、④式可得：⑤式④、⑤分別是以電樞電流和電樞電壓為輸入，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。顯然，若忽略不計粘性摩擦負載，則KL=0，此時，永磁電動機的傳遞函數(shù)式⑤與前描述式相同，若電樞電感也可忽略不計，則式⑤與前述式相同。4.2本設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=220V，電動機的電樞電流=0.35A，電樞電路電阻=21.2Ω，轉(zhuǎn)速n=1600r/min,額定功率=185w，電樞電路電感=0.72H，極對數(shù)p=2，電磁轉(zhuǎn)矩M=0.034mH,角速度ω=1600*2π/60=164.47rad/s,頻率W=50HZ；勵磁部分：勵磁電壓=220V，勵磁電流=98.2MA,勵磁電路電阻=2.07kΩ,勵磁電路電感=106.5H。轉(zhuǎn)動慣量J=0.0146kg.m*m。經(jīng)計算：=0.034=0.0000474所以得出結(jié)論：電動機磁場恒定時，=(2)略去電樞電感時，=（4）忽略電樞電感但需要計入粘性摩擦負載時=其中，是由負載決定的。第五章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真5.1MATLAB簡介系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設計電路時,要對所設計的電路的性能進行預計、判斷和校驗。過去常用數(shù)學和物理這兩種方法,它們對設計規(guī)模較小的一般電路是可行的。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展,電路品種日新月異,規(guī)