直流調(diào)速系統(tǒng)

1、1前言11.1直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 1.1.2研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 11.3本文的研究內(nèi)容2.2 總體方案設(shè)計 4.2.1方案比較4.2.2方案論證4.2.3方案選擇5.3直流調(diào)速系統(tǒng)6.3.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標63.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理.6.3.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標 7.3.1.3動態(tài)性能指標 8.3.2電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 1 03.2.1雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 1.03.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 1 13.3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 143.3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 1 4

2、3.3.2起動過程分析 1.43.3.3動態(tài)抗干擾性分析173.4調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法1.83.4.1PI 調(diào)節(jié)器183.4.2調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法183.4.31型系統(tǒng)與U型系統(tǒng)的性能比較 193.4.4轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 203.5電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計 203.5.1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 203.5.2調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計214 PWM永寬調(diào)制244.1PWM基本介紹244.2脈寬調(diào)制變換器244.3橋式可逆PWM變換器 265直流電動機數(shù)學(xué)模型的建立 285.1數(shù)學(xué)模型的建立285.1.1寫出平衡方程式、拉普拉斯變換 285.1.2動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 296雙閉環(huán)直流調(diào)

3、速系統(tǒng)仿真336.1仿真模型336.2動態(tài)性能分析347結(jié)論348總結(jié)與體會359謝辭3610參考文獻37附錄一指標參數(shù)3.8附錄二外文資料翻譯錯誤!未定義書簽/、八1前言1.1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(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G構(gòu)成，簡稱GM系統(tǒng)）， 以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，大規(guī)模集成電路和計算機控制技 術(shù)，隨著電力電子和電子技術(shù)，實現(xiàn)了直流傳動的無接

4、點控制。由直流電動機的 速度和輸入電壓的使用特點已通過調(diào)整直流電流或汞弧整流器觸發(fā)階段獲得可 變直流電壓供電的直流電動機，所以容易實現(xiàn)速度之間的激勵原理簡單的比例關(guān) 系。然而，這種方式后來州長可控整流直流電源供應(yīng)速度控制系統(tǒng)所取代，已不再使用?？煽毓?957年后，直流驅(qū)動系統(tǒng)的快速性，可靠性和經(jīng)濟性不斷提高， 在20世紀，作為一個主流高速傳輸很長一段時間。今天是逐步推廣計算機控制 的全數(shù)字直流調(diào)速精度高，速度控制控制系統(tǒng)的使用范圍廣泛，代表了直流電氣 傳動的發(fā)展方向。之所以多年后的直流驅(qū)動器，工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展仍然被廣泛使用， 關(guān)鍵是一個簡單的手段來實現(xiàn)高性能。例如，該系統(tǒng)穩(wěn)定的速度最高為每萬件穩(wěn)

5、 速精度，寬轉(zhuǎn)速1:1萬或更多的速比控制系統(tǒng)數(shù)萬，快速響應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)時間縮短 到幾毫秒或更少。在實踐中，作為電能轉(zhuǎn)化為機械的主要設(shè)備能源電動汽車， 二是生產(chǎn)機器的 基礎(chǔ)上應(yīng)該能夠控制和管理的技術(shù)要求電機的旋轉(zhuǎn)速度。如何電機的速度控制性 能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和節(jié)約能源有直接的，決定性的影響。因此， 速度控制技術(shù)一直是研究的重點。性能優(yōu)越的直流調(diào)速掩蓋由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程過程中廣泛使用的缺點。減直流電動機在額定速度運行，以保持恒定勵磁電流，該方法可用于改變電樞電壓來 實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩速度高于額定速度運行，晶閘管相控裝置的問世使用可變直流電源已 經(jīng)由直流傳動為主。電力電子技術(shù)和設(shè)備的進展及可控硅系統(tǒng)

6、具有良好的動態(tài)性 能，以保持恒定電樞電壓可以用來改變的方法來實現(xiàn)恒功率勵磁傳輸速度。直流電動機運行，它必須有較高的機械和電氣能量轉(zhuǎn)換效率， 具有良好的功能，很長 一段時間控制，直流調(diào)速控制系統(tǒng)已被壟斷，其中雙回路直流直流調(diào)速控制系統(tǒng) 是在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)定性好，速度穩(wěn)定， 精度高，無論在理論和實踐更加成熟的體系，拖動領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要的作用。80年代以來，直到深夜才在工業(yè)馬達驅(qū)動 19世紀19世紀多年來一直用于 直流電動機的唯一途徑。19世紀，出現(xiàn)了三相電源，結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用交流 電動機籠后無調(diào)速交流電機驅(qū)動器是由直流電動機驅(qū)動器取代。 但是，隨著生產(chǎn), 變速

7、驅(qū)動器的速度不斷發(fā)展，在很多現(xiàn)代應(yīng)用，變速驅(qū)動系統(tǒng)，滿足基本要求的 同時一定的速度范圍，連續(xù)（無級）的速度，我們還必須有持續(xù)穩(wěn)定和良好的瞬 態(tài)性能。雖然直流電機，以滿足這些要求，但由于直流電動機容量，體積，重量, 成本，生產(chǎn)操作和維修交流電動機不長的人一直渴望， 而不是利用直流電動機驅(qū) 動器馬達。從60年代起，國外對交流電機的轉(zhuǎn)速控制已開始重視。特別是功率 半導(dǎo)體器件的發(fā)展做出了使用半導(dǎo)體技術(shù)交流轉(zhuǎn)換器的速度控制系統(tǒng)可以實現(xiàn) 的。特別是70年代以來，現(xiàn)代控制理論的交流電機驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用創(chuàng)造 了交流驅(qū)動系統(tǒng)的各類有利條件： 如串級調(diào)速控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向 器電機驅(qū)動系統(tǒng)，如矢量控

8、制和快速發(fā)展。交流電機驅(qū)動系統(tǒng)，目前已經(jīng)有一個 很寬的速度范圍，高穩(wěn)速精度，動態(tài)響應(yīng)快，效率高，可四象限運行和制動，其 靜態(tài)特性已與DC相媲美的電機驅(qū)動系統(tǒng)已。在電動驅(qū)動系統(tǒng)的國際交流，許多 國家已進入實用階段行業(yè)，多以取代直流電動驅(qū)動系統(tǒng)的勢頭。1.2研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的性能，最廣泛使用的直流馬達， 轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)的速度商品的特定質(zhì)量調(diào)節(jié)特性。 速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制律， 性能特點以及交流和直流電源驅(qū)動的 自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計方法品種的重要基礎(chǔ)。 首先，應(yīng)該有速度和電流雙閉環(huán)直 流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成部分

9、及其靜態(tài)特性；然后，在動態(tài)模型的系統(tǒng)從一開始免 疫的基礎(chǔ)上，建立和它的性能和速度的兩個方面與目前的兩個監(jiān)管機構(gòu)的作用， 三是工程設(shè)計方法的基本調(diào)節(jié)，古典控制理論，動態(tài)校正方法，推導(dǎo)出了設(shè)計方 法，即計算簡單的優(yōu)點，方便，易于掌握；第四，應(yīng)用工程解決方案，以兩環(huán)速 度控制兩個監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計，等等。以速度，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制，使我們能夠更好地理解黨的基本 控制系統(tǒng)理論及相關(guān)內(nèi)容，其各種性能更好的了解，而該部找到了系統(tǒng)的完善不 足的缺陷，能改善該系統(tǒng)的性能，使其能適用于各種工作環(huán)境，并提高其效率。 并在此基礎(chǔ)上，交流驅(qū)動系統(tǒng)的進一步研究，并最終掌握了交流和直流調(diào)速控制 系統(tǒng)的各種原則，以便

10、能在國民經(jīng)濟各生產(chǎn)領(lǐng)域。1.3本文的研究內(nèi)容本設(shè)計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，而且詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。利用 MATLAB寸系統(tǒng)進行 了各種參數(shù)給定下的仿真，之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，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。本設(shè)計的主要工作：1. 掌握電機傳動的工作原理及應(yīng)用；2. 設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)；主要內(nèi)容包括：(1) 觸發(fā)電路設(shè)計；(2) 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計；(3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計；(4) 建立數(shù)學(xué)模型，計算其參數(shù)；(5) 進行數(shù)字仿真，驗證其設(shè)計；(6) 完成相關(guān)實驗。2總體方案設(shè)計2.1方案比較方案一：單閉環(huán)

11、直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在電動 機軸上裝一臺測速發(fā)電機，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓 Uf與給定電壓Ud比較后， 得偏差電壓AU，經(jīng)放大器FD產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF的控制電壓Uk，用以控制電動 機的轉(zhuǎn)速，如圖2.1所示。圖2.1方案一原理框圖方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán) 節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè) 置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回 路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)電流調(diào)節(jié)器；ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)，稱為雙閉 環(huán)調(diào)

12、速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路 中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)做ACR的輸入，再由ACR得輸出 去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。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)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的 PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負 反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如圖 2.2所示。2.2方案論證方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時整流電路的脈波數(shù)m =2, 3, 6，12,其數(shù)目總是有限的，比直流電機每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少很多。因此，除非主電路電感L=x,否則晶|、（1）脈動電流產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，（2）脈動電流（斜波電流）流入電 源

13、，對電網(wǎng)不利，同時也增加電機的發(fā)熱。沒有轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā) 揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，把交流分量引到運算放大器輸入端， 不僅不起正常 的調(diào)節(jié)作用，反而會產(chǎn)生干擾，嚴重時會造成放大器局部飽和， 從而破壞系統(tǒng)的 正常工作。方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的 可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足， 既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時 也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直 流分量外，還含有交流分量。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，實現(xiàn)轉(zhuǎn) 速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳 過渡過程，很好

14、的實現(xiàn)了生產(chǎn)需求。2.3方案選擇1. 在單閉環(huán)速度控制信號采用多種系統(tǒng)集成的穩(wěn)壓器，參數(shù)相互影響，是難 以監(jiān)管機構(gòu)調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)性能的動態(tài)參數(shù)，是不好的。電流切斷在系統(tǒng)中使用， 以限制負反饋循環(huán)，啟動電流，電機過載不能最快的動態(tài)反應(yīng)，即是最好的過渡 充分利用。2. 雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)不僅可以加速無靜電錯誤，有一個良好的動態(tài)性能。 理想在電機快速起動電流下的最大允許限度的調(diào)解下，利用力矩電機超負荷充分 利用，目前仍然在過渡期間（扭矩）是最大允許，使電驅(qū)動系統(tǒng)能夠啟動的最大 加速度，穩(wěn)定的速度，從而使電流下降，立即讓曾經(jīng)的負載轉(zhuǎn)矩平衡，而進入穩(wěn) 定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在主回路電感的作用，電流不能突變，但閉環(huán)

15、系統(tǒng)在雙負反饋的使 用可以近似恒流當(dāng)前進程。為了計算對過程的理想，克服了一個缺點控制器的輸入，最好的辦法是調(diào)整 速度的集成幾個信號，并通過調(diào)整兩個監(jiān)管機構(gòu)，目前的金額分別控制輔助進行 了調(diào)整，速度和電流，構(gòu)成了速度和電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。因此，這為最終 規(guī)劃設(shè)計方案二。3直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)是人為或自動改變直流電動機達到所需的機械的工作速度。從機械性能角度來看，那個或通過改變外加電壓電機的參數(shù)等方法來改變電動機的 機械性能，從而改變的力學(xué)性能和電機的工作特性是力學(xué)性能的交集電機的速度 變化的穩(wěn)定運行。3.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標一個速度的任何設(shè)備控制的需要，對生產(chǎn)過程的控制性能

16、有一定要求。例如， 精密機床的加工精度要求幾十微米到數(shù)微米；重型機床進給機構(gòu)要求的速度，最 高和最低差近300倍寬的范圍；初軋機軋輥的幾千千瓦的電動機容量不有1的時間來完成從現(xiàn)在的進程，扭轉(zhuǎn)。第二；高速紙機造紙速度1000m/min ,需要穩(wěn)定的速度誤差小于 0.01 %。作為一個設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所有這些要求，可 以轉(zhuǎn)化為運動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)指標。3.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理直流電動機具有良好的效果，制動性能，適當(dāng)?shù)乃俣绕椒€(wěn)廣泛，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，是一個電氣傳動自動化與控制系統(tǒng)更普遍的應(yīng)用。 這是

17、 在理論上，實踐，比較成熟，但也從閉環(huán)控制的角度是，它也是外匯管理制度的 基礎(chǔ)。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，由可控硅所以直流電機（ VM）中的直 流調(diào)速控制系統(tǒng)組成，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（3 ）表示：(3-)U IR nKe式中n電動機轉(zhuǎn)速；u電樞供電電壓；R電樞回路總電阻；I 電樞電流；K e由電機機構(gòu)決定的電勢系數(shù)。在上式中，Ke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）減弱勵磁磁通 ；（2）改變電樞回路電阻R；（3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。在為所需的順利

18、無級調(diào)速控制系統(tǒng)， 例如一定范圍內(nèi)，以規(guī)范的方式，最好 的電樞電壓。抵制變革的速度只能達到調(diào)整，超過了小范圍的弱磁勵磁磁通減少， 即使它可以平穩(wěn)速度控制，但往往只是與監(jiān)管方案的速度范圍小，在基本速度（額 定轉(zhuǎn)速），升速度。因此，直流電機調(diào)速自動控制趨于改變主電壓。3.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標根據(jù)機械一般可控制系統(tǒng)的所有要求概括為各種典型的生產(chǎn)動態(tài)和靜態(tài)速 度指標。該指標的動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動，制動速度快，平穩(wěn)，并具有良好的抗干擾， 靜電的傳輸速度自動控制系統(tǒng)的最大速度，最小速度在調(diào)整速度范圍，并在不同的工作速度要求的指標，速度和穩(wěn)定性。是該系統(tǒng)的干擾是穩(wěn)定運行的速度， 應(yīng) 該是獨立的負載變化和

19、電源電壓波動和其他因素。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nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D表示：nmaxD 二（3-）nmin（2）靜差率ned與理想空載轉(zhuǎn)速no之比，用百分數(shù)表示為100% % " 100%(33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n°n°顯然，機械特性硬度越大, 高。ned越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。

20、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 3.1中的線1和線2,它們有相同的轉(zhuǎn)速降落差率較大，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no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3.1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。事實上，速度范圍以及這兩項指標靜態(tài)誤差率并不孤立于對方， 而且還必須 提供有意義的。速度速度控制系統(tǒng)的范圍是定義在靜態(tài) SLIP最低速度能滿足所 提出的要求，速度

21、可調(diào)范圍為時間。出的速度范圍，以滿足給定的靜態(tài)滑也容易 得多，在轉(zhuǎn)身對任何控制系統(tǒng)的要求靜態(tài)防滑，可以得到非常高的速度范圍。3.1.3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、跟隨性能指標條件可以用來描述以下性能指標。當(dāng)信號的表示沒有給予同樣的時間， 輸出 響應(yīng)是不一樣的。通常情況下，初始輸出值為零，在給定的信號過渡進程中的一 個階躍變化后，作為一個典型的，則動態(tài)響應(yīng)也被稱為階躍響應(yīng)的進程。 一般希 望在階躍響應(yīng)中輸出量c(t)與其穩(wěn)態(tài)值CX的偏差越小越好，CX

22、達到的時間越快 越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標有上升時間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間：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。(1) 上升時間tr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 c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3.2。（2）超調(diào)量%在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中, 比，用百分數(shù)表示，叫做超調(diào)量：輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之c c-jmax100%c(3-)超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。 應(yīng)比較平穩(wěn)。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響（3）調(diào)節(jié)時間ts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。

23、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t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(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取5%或2%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3.2。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3.3。常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復(fù)時間：（1）動態(tài)降落Sax %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 "ax

24、%叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 c i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c 2，（c 1-c 2），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cJ匸8L Fr ：.LJLi1i«0ttf*1r圖3.3抗性動態(tài)性能指標負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落nmax % o（2）恢復(fù)時間tf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C 2之差進入某基準量C的5%（或2%）范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間tf，其中C 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

25、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。3.2電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析3.2.1雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流參考電壓到電流調(diào)節(jié)器， 然后才等于最大電流上 升時間對于一個不斷給定的電機電流最大速度值的最大啟動。兩者之間實行嵌套連接，電機最大電流（堵轉(zhuǎn)電流）可以通過設(shè)置調(diào)整的變化幅度的輸出速度的限 制。在電機轉(zhuǎn)速達到給定的速度，速度控制器的輸入錯誤信號減少到接近零， 速 度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器飽和退出，閉環(huán)發(fā)揮調(diào)節(jié)。電流調(diào)節(jié)器來修復(fù)觸發(fā)相電壓， 整流輸出直流電壓和電機速度校正偏差補償相應(yīng)的修改時間。另一個很小的常 數(shù)，而且還因為功率電機電樞電流調(diào)節(jié)電

26、流調(diào)節(jié)器的快速變化波動的時候，一直沒有時間在改變電機轉(zhuǎn)速，從而使電流恢復(fù)到原來的價值，所以我們的速度更良 好穩(wěn)定的速度運行。322雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在此則以給定值的電流調(diào) 節(jié)器輸出信號的轉(zhuǎn)變，在直流電壓和電流的快速增加，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。如圖 3.4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，速度由負載引起的波 動，速度控制器的輸入信號將產(chǎn)生錯誤隨時由速度調(diào)節(jié)器，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

27、外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)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，Un 轉(zhuǎn)速給定電壓，Un 轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui 電流給定電壓，Ui 電流反饋電壓。二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析靜態(tài)特性分析，關(guān)鍵是掌握穩(wěn)定狀態(tài) PI調(diào)節(jié)器的特點，所以一般有兩個條 件：飽和-限制輸出幅度，不飽和-輸出幅度不符合限制。當(dāng)調(diào)整飽和度，輸出 是恒定值，輸入變化沒有影響輸出，除非有一個反向輸入信號，在退出飽和度調(diào) 節(jié)，換句話說，監(jiān)管機構(gòu)暫時切斷飽和輸入和輸出連接調(diào)整環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。當(dāng)不飽和穩(wěn)壓器，PI的失調(diào)電壓 U輸入的作用是在穩(wěn)定狀態(tài)下的

28、總零。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圖3.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖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，Un Unnno(3-)UjUjId(3-6)由第一個關(guān)系式可得：Unn-n。(3-7)從而得到圖3.5所示靜特性曲線的CA段。與此同時，由于 ASR不飽和， Uj Uim可知Id Idm，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的ld=O 直延 續(xù)到Id Idm。而Idm，一般都是大于額定電流I dm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)

29、器飽和這時，ASR輸出達到限幅值Um，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：IdUmI dm(3-)其中，最大電流Idm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n no的情況，因為如果n n°,則Un Un，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Idm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Idm時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出Uim，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

30、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3.6中虛線。%UIdn.圖3.6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(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系：UcUn Un n noUi UiIdUd0KsCe n Id RKs(391 dlCe UnIdi R(3-0)Ks(3-1)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Un*決定，ASR的輸出量U

31、i*是由負載電流Idi決定的，而控制電壓Uc的大小則同時取決于 門和心或者說, 同時取決于Un*和Idi。一體化的動態(tài)過程調(diào)節(jié)器的輸入輸出達到穩(wěn)定狀態(tài)而定， 輸入為零時，輸出的穩(wěn)態(tài)值無關(guān)，與輸入，但其需要所決定的后半部。有價證券 投資背后的需要調(diào)節(jié)提供多少產(chǎn)值，它可以提供多少，直至飽和，增長。鑒于這 一特點，雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，閉環(huán)穩(wěn)態(tài)參數(shù)是一個單一的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的計算 是完全不同的，但與靜態(tài)和非穩(wěn)態(tài)計算系統(tǒng)的不同類似，按照監(jiān)管機構(gòu)與該反饋值給出的反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) :Unm / n max ；電流反饋系數(shù)：U im / 1 dm ；兩個給定電壓的最大值U nm、Uim由設(shè)計者給定，受運算

32、放大器允許輸入 電壓和穩(wěn)壓電源的限制。3.3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3.3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立雙閉環(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，具體的內(nèi)容將在第四章內(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Ua。的關(guān)系為：Ua0 AU 2 cosU2 COS(KU ct)(312)其中：A整流器系數(shù)；U2 整流器輸入交流電壓；a整流器觸發(fā)角；U ct 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 U a0 / Uct

33、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3.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.3.2起動過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Ugn由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓Ugi、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓Uk、可控整流器輸出電壓Ud、電動機電樞電流la 和轉(zhuǎn)速n的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖3 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、 U、 川三個階段。第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓 Ugn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Ufn 0，這時，Un Ugn U fn 很大，使ASR的輸

34、出突增為Ugi0，ACR的輸出為Uk0，可控整流器的輸出為Ud0， 使電樞電流la迅速增加。當(dāng)增加到la Il （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Ugm，從而使電樞電流達到所對應(yīng)的 最大值Uam （在這過程中Uk,Ud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：U gim U fi 1 am（3 3）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 lam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，穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速等于給

35、定值ng，電樞電流la等于負載電流l L，開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓 Ugn與轉(zhuǎn)速負反饋電壓Ufn相平衡，輸入偏差 Un等于零。但其輸出卻由于積分 作用還維持在限幅值Ugim, 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la保持恒定值lam，這就要求Uk也要線性增加，故在啟動過程中電流調(diào)節(jié)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。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。 所以電動機仍 在以最大電流lam下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，Ufn 0, Un 0，使ASR退出 飽和，其輸出電壓（也就是 AC

36、R的給定電壓）Ugi才從限幅值降下來，Uk與Ud 也隨之降了下來，但是，由于la仍大于負載電流Il，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍 繼續(xù)上升。到la Il時，電動機才開始在負載的阻力下減速，即系統(tǒng)的加速度 dn/dt為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由Ud lamR Cen知，Ud也線性 增加，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la盡快地跟隨ASR輸出Ugi的變化圖3.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為：Ugi Ufi

37、Il(3-4)ACR的輸出電壓為：UCeng IlR(3-5)U kkKs從以上我們可以看到，系統(tǒng)的性能，然而，由于啟動過程中的I,u兩 個基因突變在目前階段不能真正開始起動的進程的進程較理想有一些差距基 本能實現(xiàn)理想的過程。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)必須具有反應(yīng)速度過沖和過沖之 后才，速度控制器退出飽和，因此，當(dāng)在穩(wěn)定運行 ASR的調(diào)節(jié)作用發(fā)揮非常 接近穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行表明沒有靜態(tài)錯誤的速度。因此，雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng) 具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)?？傊?，雙回路高速啟動過程的控制系統(tǒng)具有以下三個特點：（1）飽和非線性控制：與 ASR的飽和和不飽和，整個系統(tǒng)是完全不同的兩 個國家，在不同情況下表現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的線

38、性系統(tǒng)，而是利用亞線性的方法來 分析，不能只需使用一般的線性控制理論來設(shè)計這種控制系統(tǒng)。（2）速度過沖：當(dāng)采用PI調(diào)節(jié)器的ASR速度控制器，轉(zhuǎn)速勢必沖。速度一 般稍微沖沖允許完全允許的情況下，其他控制方法應(yīng)該被用來鎮(zhèn)壓過沖。（3） 準時間最優(yōu)控制：該裝置可在最短的時間控制的條件下可能被稱為最優(yōu)控制”的電驅(qū)動系統(tǒng)，電機過載限制下允許恒定電流啟動，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 開始在大部分時間的過程，在一個飽和的狀態(tài)限制器的ASR，速度環(huán)相當(dāng)于打開恒流穩(wěn)壓電路，是時間最優(yōu)控制。但是這一次只有兩個很小的啟動時間 全部the成分，不傷大局，可稱為 準時間最優(yōu)控制?！崩蔑柡头蔷€性控制方 法實現(xiàn)準最優(yōu)控制是一個非常

39、實用價值的控制策略在多回路控制普遍采用多種。333動態(tài)抗干擾性分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是比較滿意的動態(tài)性能，速度控制系統(tǒng)，動態(tài)性能是最重要的抗干擾性能。主要是針對負載干擾和反干擾電網(wǎng)電壓。1. 抗負載擾動雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)可以看出，負載擾動后，電流環(huán)，因此，只能依 賴于速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生反ASR的負載擾動的影響。在ASR的設(shè)計應(yīng)具有較好的免疫所需的性能。2. 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)也產(chǎn)生變化的干擾。 如圖2-7雙回路系統(tǒng)，由于內(nèi)部電流回路 此外，電壓波動可更受電流反饋控制及時， 沒有等到它影響的反饋速度回來了好 多擾等待性能。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)，電壓波動引起的速度的動態(tài)變化會

40、小得多。3.4調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法3.4.1PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式:圖3.9 PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖由圖可得：(3-6)Uex RlUin UMt心幾-UdtRoR0C1pKpi: 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： w Kpi3.4.2調(diào)節(jié)器的設(shè)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(shè)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(shè)計， 以滿 足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法所遵

41、循的原則是：1概念清楚、易懂；2. 計算公式簡明、好記；3. 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；4能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；5.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(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。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(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。3.4.3 I型系統(tǒng)與U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：

42、mK ( jS 1)W(s) (3-17)sr (TjS 1)j i(3-8)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、U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，而川型及川型以上的系統(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、U型系統(tǒng)，典型的I 型、U型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為s(Ts 1)(3-9)W(s)W(s)s (Ts 1)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U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(4):叫切(s)1s(2s 1)(3 2

43、0)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U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。3.4.4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U型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好。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U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Ti小

44、很多,可將前兩者近似為一個慣性環(huán)節(jié)，取T i Ts G。這樣，當(dāng)電動機過 載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，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(shè)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(yīng)設(shè)計成 U型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成PI型調(diào)節(jié)器,如下式所示：s 1W(s) K( 3t21)s3.5電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計3.5.1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(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)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

45、，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；(2) 對負載變化起抗擾作用；(3) 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(1) 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；（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，基于此，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 ，從而加快動態(tài)過程； 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(fù)正常。這個作用對系 統(tǒng)的可靠運行來說是

46、十分重要的。3.5.2調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計本設(shè)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：1. 晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks 302. 電樞回路總電阻：R=0.18Q3. 時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)T 0.012s機電時間常數(shù)Tm 0.12s4. 調(diào)節(jié)器輸入電阻R。20k設(shè)計指標：靜態(tài)指標：無靜差；i%5% ;空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量動態(tài)指標：電流超調(diào)量15%。計算反饋關(guān)鍵參數(shù):UmInU nmnn1510000.015V /(r/min).電流環(huán)的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts0.0017s ；（見附錄表一）電流濾波時間常數(shù)Toi 0.002s （三相

47、橋式電路每個波頭是時間是 3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有(12) Toi 3.33ms，因此取Toi2ms 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T i Ts Toi 0.0037s。(Ts和J 一般都比Ti小得多，可以當(dāng)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(shè)計要求：i% 5%，且衛(wèi) 012 2.86 10,可按典型I型設(shè)計T i 0.0042PI型的.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(shè)計成檢查對電源電壓的抗擾性能:竺空3.24 100.0037s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

48、Ti0.012s ; 電流環(huán)開Ki0.5T ii去=135*，ACR的比例系數(shù):KiKi占的 °.°12。180.37 oKs30 0.026(4) 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率ciKi 135.1s 1，晶閘管傳遞函數(shù)近似條件：ci13Ts ，1 13TS 3 0.0017S196.1135.1，滿足近似條件;忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：ci3二 3小時間常數(shù)近似處理條件：1 13； 0.0017 0.0025161.69sci，滿足近似條件電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為: 二速度環(huán)的設(shè)計(1) 確定時間常數(shù)%4.3% 5%，也滿足設(shè)計要求電流環(huán)等效時間常數(shù):2T i 2

49、0.00370.0074s轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：Ton 0.014s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理:T n 2T i Ton 0.0074 0.014 0.0214s。(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(shè)置一個積分環(huán)節(jié)，因此需要U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U型系統(tǒng) 一選用設(shè)計PI調(diào) 節(jié)器。典型U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)：hT n5 0.0214 0.107s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：Kn2hT25 12 22 50.0214262.03sASR的比例系

50、數(shù)：Kn(h 1) CeTm60.0260.20.12a / a2h RTn2 50.0150.186.480.0214n(4) 近似校驗轉(zhuǎn)速截止頻率為:Kncn1Kn n 262.03 0.107s 128.03s電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件:5T i15 0.003754.05scn，滿足條件;轉(zhuǎn)速環(huán)小常數(shù)近似處理(5)檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時,37.6%，不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量:max81.2%，nnIdRCe305 0.180.2274.5r/min，滿足設(shè)計要求。4 PWM脈寬調(diào)制4.1PWM基本介紹自后，電力電子設(shè)備的出現(xiàn)全控整流，有高頻率脈沖寬度調(diào)制開關(guān)控制模式，

51、 形成一個PWM轉(zhuǎn)換器-直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)，簡稱直流 PWM速度控制系統(tǒng)， 或直流PWM速度控制系統(tǒng)。PWM系統(tǒng)在許多方面更大的優(yōu)勢： 主電路線路簡單，需要減少功率器件； 高開關(guān)頻率，電流容易連續(xù)，低諧波，電機損耗和發(fā)熱?。坏退傩阅埽€(wěn)定的速度，精度高，調(diào)速范圍寬，高達約1:10000;如果用頻率帶寬與系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾電機；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗，開關(guān)頻率在適當(dāng)?shù)臅r候，切換損失并 不大，因此也更高效的設(shè)備；直流電源使用非控整流，功率因數(shù)效率比相控整流 器更咼。由于這些優(yōu)勢，在中，小容量，高系統(tǒng)的動態(tài)性能，直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用 廣泛。4.2脈寬調(diào)制變換

52、器在主干鐵路機車，礦山電力機車，城市電車和地鐵電動車輛牽引電機和其他 設(shè)備往往在直流串激或復(fù)合電機， 直流穩(wěn)壓電源。制動和速度在電阻，偉大的力 量。為了節(jié)約能源，并實施非沖擊控制，其中 VT用開關(guān)符號表示任何一種電力 電子器件，電力電子開關(guān)是多方面的，使用的設(shè)備，如快速可控硅，晶閘管，IGBT 和等。簡單的單管控制，稱為直流斬波器，后來到使用的脈沖寬度調(diào)制開關(guān)電路 的各種演變，統(tǒng)稱為脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器。直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理如圖4.1a所示，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng) VT導(dǎo)通時，電樞與轉(zhuǎn)換開關(guān)電路的電阻來控制電機起動，直流電源電壓 Us 加到電動機上；當(dāng)VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動

53、機電樞經(jīng)VD續(xù)流， 兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形u=f（t）,如圖4.1b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)UsUs(4-1)式中T-功率開關(guān)器件的開關(guān)周期，ton-開通時間，p -占空比, p = ton /T=to n*f，其中f為開關(guān)頻率。L rs）a）原理圖b）電壓波形圖圖4.1脈寬調(diào)制變換器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖如圖4.2 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（

54、PULSEWIDTH MODULATION，簡稱PWM ）變換器。VT1和VT4同時導(dǎo)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(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4.2 b）所示a)基本原理圖b)電壓波形圖4.2橋失可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形如果用ton表示VT1和VT4導(dǎo)通的時間，開關(guān)周期 T和占空比p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= (2p -1) *Us (4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。4.3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4.3所示。圖4.3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4.4所示。4Us