PWMM可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書

1、PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書目錄摘要3一、直流調(diào)速介紹41.1 調(diào)速定義41.2 調(diào)速方法41.2.1 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U41.2.2 改變電動機(jī)主磁通41.2.3 改變電樞回路電阻R41.3 調(diào)速指標(biāo)51.3.1 調(diào)速圍（包括：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速圍/恒功率調(diào)速圍）51.3.2 動態(tài)速降51.3.3 恢復(fù)時間5二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹62.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成62.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程72.2.1 理想啟動過程72.2.2 實際啟動過程分析92.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程三個特點(diǎn)：112.3.1 飽和非線性控制112.3.2準(zhǔn)時間最優(yōu)控制112.3.3

2、轉(zhuǎn)速超調(diào)112.4 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征122.4.1 速調(diào)節(jié)器不飽和122.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和132.5 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算14三、設(shè)計任務(wù)與要求153.1 設(shè)計初始條件153.2 要求完成的主要任務(wù)15四、PWM-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計164.1 直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)164.2 UPE環(huán)節(jié)的電路波形分析184.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計194.3.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡194.3.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算204.3.3 參數(shù)校驗224.3.4 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容234.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計234.4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)234.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇2

3、44.4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計算274.4.4 參數(shù)校驗274.4.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容284.5 調(diào)速圍靜差率的計算29五、系統(tǒng)仿真305.1 仿真軟件Simulink介紹305.2 Simulink仿真步驟305.3 雙閉環(huán)仿真模型315.4 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形圖31六、心得體會與小結(jié)33七、參考文獻(xiàn)34摘要為了滿足生產(chǎn)工藝要求，需要改變工作速度，在當(dāng)代工業(yè)上PWM控制調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，軋制品種和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。其優(yōu)點(diǎn)還是日益突現(xiàn)，而帶有雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速方法可以采用機(jī)械的方法取得，但是機(jī)械設(shè)備的變速機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，所以在現(xiàn)代

4、電力拖動中，大多數(shù)采用電氣調(diào)速方法。電氣調(diào)速就是對機(jī)械的電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在某一負(fù)載下人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在實際應(yīng)用中，電動機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，首先要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；其次應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動機(jī)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(diǎn)。直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，適宜在較大圍調(diào)速，在許多需要高性能可控電力拖動領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。近年來交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它是交流拖動控制系統(tǒng)的

5、基礎(chǔ)，所以應(yīng)該很好地掌握直流調(diào)速系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要在。因此，為了使調(diào)速達(dá)到高精度、高準(zhǔn)度的要求，本次設(shè)計使用了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，以此來組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。這樣的設(shè)計能夠達(dá)到任務(wù)要求的靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)。關(guān)鍵詞：PWM調(diào)速、直流電動機(jī)、雙閉環(huán)調(diào)速一、直流調(diào)速介紹1.1 調(diào)速定義調(diào)速是指在某一具體負(fù)載情況下，通過改變電動據(jù)或電源參數(shù)的方法，使機(jī)械特性曲線得以改變，從而使電動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。1.2 調(diào)速方法1.2.1 調(diào)節(jié)電樞供電電

6、壓U改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。1.2.2 改變電動機(jī)主磁通改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。1.2.3 改變電樞回路電阻R在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還

7、會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。1.3 調(diào)速指標(biāo)1.3.1 調(diào)速圍（包括：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速圍/恒功率調(diào)速圍） 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速圍是指調(diào)速系統(tǒng)在額定負(fù)載下，可長期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個最高速度就是額定速度，比如：1：1000，假定該調(diào)速系統(tǒng)的最大（額定速度）為2000rpm，則其最小運(yùn)行速度為2rpm。指標(biāo)越寬，調(diào)速圍越大，系統(tǒng)性能越好。恒功率調(diào)速圍是指調(diào)速系統(tǒng)在額定功率下，可長期穩(wěn)定運(yùn)行的最低速度和最高速度之比，一般這個最低速度就是額定速度，比如：1：2，假定該調(diào)速系統(tǒng)的額定速度為1000rpm，則其最高運(yùn)行速度為2000rpm。1.3.2 動態(tài)速降它是指電機(jī)由空載突加額定負(fù)載時最大的速度

8、跌落（下降），這個值越小，表明系統(tǒng)響應(yīng)快，系統(tǒng)特性硬。1.3.3 恢復(fù)時間當(dāng)電機(jī)突加額定負(fù)載后可以恢復(fù)到原先速度所需的時間，時間越短，響應(yīng)越好，反之表明系統(tǒng)響應(yīng)慢。二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹2.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖2-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達(dá)到限幅值，輸出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。當(dāng)調(diào)節(jié)器不

9、飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。圖2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過一樣的延時，使得二者在時間上恰好的配合。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此

10、也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程2.2.1 理想啟動過程由前面的分析可知，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起、制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。

11、帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-3所示。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。圖2-3 帶電流截至負(fù)反饋得單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動過程在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機(jī)允許過載能力，最好是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，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程波形見圖2-4，這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。圖2-4 理想快速啟動過程

12、實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-4所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實現(xiàn)。為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過程。問題是希望在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔?，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個問題。2.2.2 實際啟動過程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

13、突加給定電壓，由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程示于圖2-5。圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程轉(zhuǎn)速和電流波形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、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖中分別標(biāo)以I、和III。（1）第階段 電流上升的階段突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。當(dāng)時，電流調(diào)節(jié)器的作用使不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。（

14、2）第階段 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，屬于恒流升速階段，是起動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定(電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù))，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電動機(jī)的反電動勢正也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。由于電流調(diào)節(jié)器ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低

15、于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電壓也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這些都是在設(shè)計中必須注意的。（3）第階段 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流也因而下降。但是，由于仍大于負(fù)載電流，在一段時間，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力

16、下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小于的過程，直到穩(wěn)定(設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好)。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程三個特點(diǎn)：2.3.1 飽和非線性控制隨著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)。當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線

17、性控制的特征。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。分析過渡過程時，還必須注意初始狀態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。2.3.2準(zhǔn)時間最優(yōu)控制起動過程中主要的階段是第階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，使起動過程盡可能最快。這個階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優(yōu)控制”。但整個起動過程與理想快速起動過程相比還有一些差距，主要表現(xiàn)在第I、兩段電流不是突變。不過這兩段的時間只占全部起動時間中

18、很小的成份，已無傷大局，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程可以稱為“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”過程。如果一定要追求嚴(yán)格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。 采用飽和非線性控制方法實現(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)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。2.3.3轉(zhuǎn)速超調(diào)由于采用了飽和非線性控制，起動過程結(jié)束進(jìn)入第段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸人偏差電壓為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。在一般情況下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對實際運(yùn)行影響不大。如果工藝上不允許超

19、調(diào)，就必須采取另外的控制措施。最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動時產(chǎn)生負(fù)的回饋制動轉(zhuǎn)矩。因此，不可逆的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然有很快的起動過程，但在制動時，當(dāng)電流下降到零以后，就只好自由停車。如果必須加快制動，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。同樣，減速時也有這種情況。類似的問題還可能在空載起動時出現(xiàn)。這時，在起動的第階段，電流很快下降到零而不可能變負(fù)，于是造成斷續(xù)的動態(tài)電流，從而加劇了轉(zhuǎn)速的振蕩，使過渡過程拖長，這是又一種非線性因素造成的。2.4 PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)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

20、影響輸出，除非有反向信號使調(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間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。實際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。2.4.1 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。因此由第一關(guān)系式可得：與此同時，由于ASR不飽和， ，從上述第二個關(guān)系式可知：。這就是說，段靜特性從=0 （理想空載狀態(tài)）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(yùn)行段。2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀

21、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)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時最大電流是設(shè)計者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加度所描述的靜特性是圖2-6中的A-B段。這樣的下垂特性只適合于n的情況。因為如果 ，則，ASR將退出飽和狀態(tài)圖2-6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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(hù)。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運(yùn)

22、算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)：2.5 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負(fù)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。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(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，

23、它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一點(diǎn)，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) 電流反饋系數(shù) 兩個給定電壓的最大值和是受運(yùn)算放大器的允許輸入電壓限制的。三、設(shè)計任務(wù)與要求3.1 設(shè)計初始條件采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)參數(shù)：uN=220V，IN=136A，Nn=1460r/min；電動機(jī)電動勢系數(shù)晶閘管放大系數(shù)電樞回路總電阻R=0.5；電磁時間常數(shù)TL=0.03s；電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.18s額定轉(zhuǎn)速時給定電壓為10V；穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量i5%；空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的過度

24、過程時間ts0.5s3.2 要求完成的主要任務(wù)（1）PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計；（2）系統(tǒng)原理圖設(shè)計；（3）過程分析,參數(shù)設(shè)計計算與校驗。四、PWM-M調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計4.1 直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)整個系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖4-1所示。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，二者之間實行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測部分中，采用

25、了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機(jī)進(jìn)行檢測，達(dá)到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)?？刂芇WM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中對電機(jī)速度的控制。圖4-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖所示，其中UPE是電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相(或單相)交流電源，輸出為可控的直流電壓鑄。對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P一MOSFET組成的PWM變換器;對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等;對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管裝置。根據(jù)自動控

26、制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。圖4-2 橋式可逆PWM變化器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖3所示，它們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期，當(dāng)時，電樞電流沿回路1流通；當(dāng)時，驅(qū)動電壓反號，沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，。因此，在一個周期具有正負(fù)相間的脈沖波形。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，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PWM調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這

27、樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器4.2 UPE環(huán)節(jié)的電路波形分析 圖4-3繪出了雙極式控制時的電壓和電流波形。電動機(jī)電樞電壓的平均值則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；反之則反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。圖4所示的波形是電動機(jī)工作在正向電動時的情況。圖4-3 雙極式控制可逆PWM變換器波形直流電動機(jī)的電樞電壓的正、負(fù)變化，使電流波形隨之波動。電流波形存在兩種情況，如圖4中的和。相當(dāng)于電動機(jī)負(fù)載較重的情況，這時負(fù)載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電

28、動機(jī)始終工作在第象限的電動狀態(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，于是二極管終止續(xù)流，而反向開關(guān)器件導(dǎo)通，電樞電流反向，電動機(jī)處于制動狀態(tài)。電流中的線段3和4是工作在第象限的制動狀態(tài)。電樞電流的方向決定了電流是經(jīng)過續(xù)流二極管VD還是經(jīng)過開關(guān)器件VT流動。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為若占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中一樣，則在雙極式控制的可逆變換器中就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時，的可調(diào)圍為，相應(yīng)地，。當(dāng)時，為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時，為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時，電動機(jī)停止。4.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.3.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在上圖點(diǎn)劃線框的

29、電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動勢基本不變，即，這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，得到的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖4-4。圖4-4 忽略反電動勢的動態(tài)影響如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，

30、其時間常數(shù)為：則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖4-5。圖4-5 小慣性環(huán)節(jié)近似處理4.3.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) -電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇 （3-3）則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖所示的典型形式，其中 （3-4）比例系數(shù)，可根據(jù)所需的動態(tài)性能指標(biāo)選取。設(shè)計要求電流超調(diào)量，查表可選， 已知三相橋式電路的平均失控時間=電流環(huán)開環(huán)增益： 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時。各變量之間的關(guān)系：令兩個調(diào)節(jié)器的輸入和輸出最大

31、值都是，額定轉(zhuǎn)速，額定電流，最大電流，為過載倍數(shù)，一般取為1.5。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： 電流反饋系數(shù)： 電流調(diào)節(jié)器超前時間：，則電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：4.3.3 參數(shù)校驗1）檢查對電源電壓的抗擾性能：，查表典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能都是可以接受的。電流截止頻率：2）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。3） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件，已知機(jī)電時間： 滿足近似條件。4）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。4.3.4 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖4-6 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-6所示，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計算如下： 取 取 取按照上述

32、參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為 滿足設(shè)計要求4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)化簡后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)，由圖3-4可知：忽略高此項，可降階近似為：接入轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為：這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用。4.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-7所示。圖4-7 用等

33、效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中.圖4-8 等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中?，F(xiàn)在擾動作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那么線性系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低。由此可見也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中

34、-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：在典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，時間常數(shù)是控制對象固定的，待定的參數(shù)有和。為了分析方便，引入一個新的變量，令是斜率為的中頻段的寬度，稱作中頻寬。由于中頻段的狀態(tài)對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)器決定性的作用，因此是一個很重要的參數(shù)。在一般情況下，點(diǎn)處在特性段因此 在工程設(shè)計中，如果兩個參數(shù)都任意選擇，工作量顯然很大，為此采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最佳配合。這一準(zhǔn)則表明，對于一定的值，只有一個確定的可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值，這時和，之間的關(guān)系是以上兩式稱作準(zhǔn)則的“

35、最佳頻比”，因而有確定之后根據(jù)上式即可分別求得和?？傻每芍D(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為因此4.4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計算已知，電流環(huán)等效時間常數(shù)： 令，則小時間常數(shù)近似處理的時間常數(shù)為：按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則的超前時間常數(shù)為： 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： 則的比例系數(shù)為： 4.4.4 參數(shù)校驗轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率為： 1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)化簡條件滿足簡化要求。2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。4.4.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖4-9 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖所示，取，則 取 取 取4.5 調(diào)速圍靜差率的計算取靜差率： 調(diào)速圍： 五、系統(tǒng)仿真5.1 仿真

36、軟件Simulink介紹Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制與數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用

37、于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以與信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。5.2 Simulink仿真步驟(1) 在MATLAB命令窗口中輸入simulink，桌面上出現(xiàn)一個稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。(2) 打開MATLAB中的Simulink工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并將其相連。(3) 將設(shè)計的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)輸入各個模塊，運(yùn)行調(diào)試功能，如果無誤后就可以運(yùn)行系統(tǒng)。(4) 運(yùn)行后