畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于MATLAB的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、大連理工大學(xué)城市學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué) 院：電子與自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期：2011年6月 5日 大連理工大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于matlab的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真總計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 45 頁表格 3 個(gè)插圖 23 幅 基于matlab的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣，精度高，動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動(dòng)機(jī)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(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用s

2、imulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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)。最后在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，并詳細(xì)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(shí)現(xiàn)電路。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；直流調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)系統(tǒng)；仿真abstractdc motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and dc motor has been widely used in the area of ele

3、ctric drive because of its neatly 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 system with double closed loops, detailedly discus

4、ses the static and dynamic state performance of the system. afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of simulink. the results of simulation are consistent with theory calculation.

5、some experience was acquired through simulation. based on the theory and simulation, this dissertation designs a dc speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. keywords:dc motor;dc governing system;d

6、ouble loop control system,simulink目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 直流調(diào)速概念11.2 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史11.3 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義31.4 課題研究的主要內(nèi)容41.4.1 研究內(nèi)容41.4.2 論文安排4第2章 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)52.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)52.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理52.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)62.2 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析102.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理102.2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性102.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

7、和動(dòng)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(xué)模型的建立142.3.2 起動(dòng)過程分析152.3.3 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析182.4 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法192.4.1 pi調(diào)節(jié)器192.4.2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法192.4.3 型系統(tǒng)與型系統(tǒng)的性能比較202.4.4 轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定21第3章 pwm脈寬調(diào)制233.1 pwm基本介紹233.2 脈寬調(diào)制變換器233.3 橋式可逆pwm變換器25第4章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真294.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)294.2 電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)314.2.1 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314.2.2 調(diào)節(jié)器的具體

8、設(shè)計(jì)314.3 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的matlab仿真354.3.1 matlab簡介354.3.2 電流環(huán)的matlab仿真354.3.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的matlab仿真374.3.4 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的matlab仿真38總 結(jié)42致 謝43參考文獻(xiàn)44附 錄4546第1章 緒論本章簡要介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的概念、發(fā)展過程及其主要特點(diǎn)，并闡述了研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義。1.1 直流調(diào)速概念直流調(diào)速1是指人為地或者自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或者外加電壓等方法來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性的

9、交點(diǎn)，使得電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展史直流傳動(dòng)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(dòng)采用有接點(diǎn)控制，通過開關(guān)設(shè)備切換直流電動(dòng)機(jī)電樞或者磁場(chǎng)回路電阻實(shí)現(xiàn)有極調(diào)速。1930年以后出現(xiàn)電機(jī)放大器控制的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組供電給直流電動(dòng)機(jī)（由交流電動(dòng)機(jī)m和直流發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)了直流傳動(dòng)的無接點(diǎn)控制。其特點(diǎn)是利用了直流電動(dòng)機(jī)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(jī)的勵(lì)磁電流或者汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動(dòng)機(jī)，從而方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但這種調(diào)速方法

10、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(dòng)中占主導(dǎo)地位。由于電力電子技術(shù)與器件的進(jìn)步和晶閘管系統(tǒng)具有的良好動(dòng)態(tài)性能，使直流調(diào)速系統(tǒng)的快速性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷的提高，在20世紀(jì)相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)成為調(diào)速傳動(dòng)的主流。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機(jī)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(dòng)的發(fā)展方向。直流傳動(dòng)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)鍵在于它能以簡單的手段達(dá)到較高的性能指標(biāo)。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達(dá)十萬分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達(dá)1:10000以上，快速

11、響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間已縮短到幾毫秒以下。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)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)。長期以來，直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于工程過程中。直流電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時(shí)，保持勵(lì)磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，保持電樞電壓恒定，可用改變勵(lì)磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直

12、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(diǎn)，在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。自19世紀(jì)80年代起至19世紀(jì)末以前，工業(yè)上傳動(dòng)所用的電動(dòng)機(jī)一直以直流電動(dòng)機(jī)為唯一方式。到了19世紀(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用的交流籠型電動(dòng)機(jī)以后，交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)在不調(diào)速的場(chǎng)合才代替了直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置。然而，隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，調(diào)速對(duì)變速傳動(dòng)裝置是一項(xiàng)基本的要求，現(xiàn)代應(yīng)用的許多變速傳動(dòng)系統(tǒng)，在滿足一定的調(diào)速范圍和連續(xù)（無級(jí)）調(diào)速的同時(shí)，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(dòng)機(jī)可以滿足

13、這些要求，但由于直流電動(dòng)機(jī)在容量、體積、重量、成本、制造和運(yùn)行維護(hù)方面都不及交流電動(dòng)機(jī)，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)代替直流電動(dòng)機(jī)。從60年代起，國外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)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(shí)現(xiàn)。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，促進(jìn)了各種類型交流調(diào)速系統(tǒng)：如串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向器電動(dòng)機(jī)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(dòng)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

14、的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行和制動(dòng)，其靜特性已可以與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相媲美。國際上許多國家交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用化階段，大有取代直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)的勢(shì)頭。但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)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(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)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(diǎn)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(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便；（3）系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)復(fù)原程序，以提

15、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(jí)計(jì)算機(jī)交換信息；（7）具有信息存儲(chǔ)、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(shí)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(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)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(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(dòng)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(diǎn)和

16、設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)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)的基本組成以及靜特性；然后，在建立該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)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(jì)方法和經(jīng)典控制理論的動(dòng)態(tài)校正方法相比，得出該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)；第四，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題等等。通過對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷，通過對(duì)該系統(tǒng)不足之處的完善，提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場(chǎng)合，提高其使用效率。

17、并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)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(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。1.4 課題研究的主要內(nèi)容1.4.1 研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真為目標(biāo)，主要內(nèi)容有：1、直流調(diào)速系統(tǒng)的概念、原理以及性能指標(biāo)；2、電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的理論分析及其數(shù)學(xué)模型的建立；3、pwm脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)及橋式可逆pwm變換器的簡介；4、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真等。1.4.2 論文安排1、理論部分：第1章和第2章主要介紹直流調(diào)速系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、原理和性能指標(biāo)，以及直流調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的理論分析和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。第3章主要介紹pwm脈寬調(diào)制原理和作

18、用。2、設(shè)計(jì)部分：第4章詳細(xì)介紹了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的參設(shè)計(jì)方法和參數(shù)選定。3、仿真部分：根據(jù)設(shè)計(jì)方法和參數(shù)的選定，運(yùn)用matlab中的simulink對(duì)雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并得出結(jié)論。第2章 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無法滿足人們期望的性能指標(biāo)，本章就閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)展開討論。簡單介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析，以及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)2.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)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(dòng)機(jī)（v-m）組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用

19、較普遍的一種電力傳動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。它在理論上實(shí)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)1，7。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)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(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（2-1）表示 （2-1）式中 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；電樞供電電壓；電樞電流； 電樞回路總電阻，單位為； 由電機(jī)機(jī)構(gòu)決定的電勢(shì)系數(shù)。在上式中，是常數(shù)，電流是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓；（2）

20、減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)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(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱勵(lì)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(dòng)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(biāo)根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力傳動(dòng)自動(dòng)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(shí)，速度穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動(dòng)能力。抗擾動(dòng)性是

21、指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響1，7。1、靜態(tài)性能指標(biāo)（1）調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，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(hào)表示 （2-2）（2）靜差率靜差率是用來表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù)s來表示。具體是指電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，在一條機(jī)械特性線上，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 （2-3）顯然，機(jī)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(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的。對(duì)于圖2-1中的

22、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(jī)械特性低速時(shí)靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性就越差。在1000r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r/min時(shí)也降落10r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全都降落完了。由圖2-1可見，對(duì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)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 不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性事實(shí)上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對(duì)靜差率的

23、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、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)（1）跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)（或稱參考輸入信號(hào)）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(hào)表示方式不同時(shí)，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(hào)階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時(shí)的動(dòng)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(dá)到的時(shí)間越快越好。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)有上升時(shí)間，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間：a、上升時(shí)間在典型的階躍響應(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(shí)

24、間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖2-2。圖2-2 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)b、超調(diào)量在典型的階躍響應(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?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： （2-4）超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。c、調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)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(shí)間。對(duì)于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到才真正穩(wěn)定，但是實(shí)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，取的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤

25、差帶所需的最短時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，可見圖2-2。（2）抗擾性能指標(biāo)一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見圖2-3。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間：a、動(dòng)態(tài)降落系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)（如額定負(fù)載擾動(dòng)）后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動(dòng)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(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)降落。b、恢復(fù)時(shí)間從階躍擾動(dòng)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(jìn)入某基準(zhǔn)量

26、的范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，其中稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。圖2-3 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)2.2 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(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)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(gè)偏差信號(hào)，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(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào)，直流電壓

27、迅速上升，電流也隨即增大直到等于最大給定值，電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(hào)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(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)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(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù)，還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí)，迅速使電流恢復(fù)到原來值，從而使速度

28、更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行1，5，7。2.2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖2-4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，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(cè)速發(fā)電機(jī)；ta電流互感器；upe電力電子變換器；轉(zhuǎn)速給定

29、電壓；轉(zhuǎn)速反饋電壓；電流給定電壓；電流反饋電壓。2、 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)框圖圖2-5所示為雙閉環(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(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(shí)，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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi的作用使輸入偏差電壓u在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和

30、與不飽和兩種情況1，5，7。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，（2-5）（2-6）由第一個(gè)關(guān)系式可得：（2-7）從而得到圖2-5所示靜特性曲線的ca段。與此同時(shí)，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，它是一條水平的特性。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，asr輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)：（2-8）其中，最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式

31、可得靜特性的ab段，它是一條垂直的特性。這種特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻?，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(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用，但負(fù)載電流達(dá)到時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時(shí)，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(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而，實(shí)際上運(yùn)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(shí)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3、各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)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

32、統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有以下關(guān)系： （2-9） （2-10） （2-11）上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定，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(shí)取決于和，或者說，同時(shí)取決于和。pi調(diào)節(jié)器輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)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(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：

33、（2-12）電流反饋系數(shù)： （2-13）兩個(gè)給定電壓的最大值、由設(shè)計(jì)者給定，受運(yùn)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(xué)模型和動(dòng)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(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。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： （2-14）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(xiàng)控制電壓；k觸發(fā)器移項(xiàng)控制斜率。圖2-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖整流與觸發(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： （2-15）繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速

34、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-7所示。2.3.2 起動(dòng)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?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，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(dòng)機(jī)電樞電流和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過程如圖2-8所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr經(jīng)歷了不飽和、飽和、退出飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的、三個(gè)階段。第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，電動(dòng)機(jī)還來不及轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，這時(shí)，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(fù)載電流）時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出很快達(dá)到限

35、幅值，從而使電樞電流達(dá)到所對(duì)應(yīng)的最大值（在這過程中，的下降是由于電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與acr的給定電壓基本上是相等的，即 （2-16）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(gè)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(dòng)過程的主要階段，在這個(gè)階段中，asr一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)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(dòng)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

36、三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中起作用。開始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，asr的給定電壓與轉(zhuǎn)速負(fù)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(dòng)機(jī)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(fù)載電流，在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個(gè)階段中asr與acr同時(shí)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

37、變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給定值，電樞電流等于負(fù)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 （2-17）acr的輸出電壓為 （2-18）由上述可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在啟動(dòng)過程的大部分時(shí)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(shí)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(yùn)行時(shí)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(yùn)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(dòng)態(tài)品質(zhì)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)：1、飽和非線形控制

38、隨著asr的飽和與不飽和，整個(gè)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(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。圖2-8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形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(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對(duì)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)。3、準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。但由于在起動(dòng)過程、兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過程與理想啟動(dòng)過程

39、相比還有一些差距，不過這兩段時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應(yīng)用。2.3.3 動(dòng)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(dòng)態(tài)性能，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。1、抗負(fù)載擾動(dòng)由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動(dòng)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(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)asr時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2、抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。在圖2-7所

40、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(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)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(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)小得多。2.4 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法2.4.1 pi調(diào)節(jié)器pi調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖2-9所示1，2，3：圖2-9 pi調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由圖可得： （2-19）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(shí)間常數(shù)。pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （2-20）2.4.2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)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(dá)到穩(wěn)速狀態(tài)；2

41、、保證最優(yōu)的穩(wěn)定時(shí)間；3、減小轉(zhuǎn)速超調(diào)量。為了解決上述問題，就必須對(duì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)的需要。建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是：1、概念清楚、易懂；2、計(jì)算公式簡明、好記；3、不僅給出參數(shù)計(jì)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(jì)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(jì)包括確定典型系統(tǒng)、選擇調(diào)節(jié)器類型、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、計(jì)算調(diào)節(jié)器電路參數(shù)、校驗(yàn)等內(nèi)容。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(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(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)

42、據(jù)計(jì)算一下就可以了，這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。2.4.3 型系統(tǒng)與型系統(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 （2-21）根據(jù)中積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)的不同，將該控制系統(tǒng)稱為0型、型、型系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的，而型及型以上的系統(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，多用型、型系統(tǒng)，典型的型、型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-22） （2-23）典型型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可做到超調(diào)小，但抗擾性能差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些，抗擾性能卻比較好。接下來可用一個(gè)實(shí)例來說明這個(gè)問題。設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)如式（2-24）： （2-24）若欲將

43、系統(tǒng)校正成型系統(tǒng)，則調(diào)節(jié)器僅僅是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，若欲將系統(tǒng)校正成型系統(tǒng)，則調(diào)節(jié)器必須含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，并帶有一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)，以便消除被控對(duì)象的一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，故調(diào)節(jié)器采用如式（2-25）的pi調(diào)節(jié)器。仿真結(jié)果如圖2-10所示。從圖中可以清楚地看到型系統(tǒng)、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。圖2-10 型系統(tǒng)、型系統(tǒng)性能比較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型系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗憂性能差；而典型型系統(tǒng)的超調(diào)量相對(duì)要大一些而抗擾性能卻比較好。圖2-10很好地說明了這一點(diǎn)?；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(gè)重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中

44、不超過允許值，即能否抑制超調(diào)是設(shè)計(jì)電流環(huán)首先要考慮的問題，所以一般電流環(huán)多設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)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(jì)為型系統(tǒng)。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)和電流濾波時(shí)間常數(shù)一般都比電樞回路電磁小很多，可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取。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(duì)象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計(jì)成典型型系統(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(duì)象形如式（2-22）。如前所述，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計(jì)成pi型調(diào)節(jié)器，如下式所示： （2-25）第3章 pwm脈寬調(diào)制直流脈寬變換器

45、，或稱直流pwm變換器，是在全控型電力電子器件問世以后出現(xiàn)的能取代相控整流器的直流電源。本章主要介紹脈寬調(diào)制的優(yōu)越性和橋式可逆pwm變換器工作原理。3.1 pwm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(dòng)機(jī)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：1、主電路線路簡單，需用的功率器件少；2、開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；3、低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右；4、若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能

46、力強(qiáng)；5、功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，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(shí)，電網(wǎng) 效率因數(shù)比相控整流器高。由于上述優(yōu)點(diǎn)，在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，直流pwm調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛4。3.2 脈寬調(diào)制變換器在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，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(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。為了節(jié)能，并實(shí)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(shí)，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種

47、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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理如圖3-1 a所示，其中vt用開關(guān)符號(hào)表示任何一種電力電子器件，vd表示續(xù)流二極管。當(dāng)vt導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)vt關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)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，如圖3-1 b所示，好像是電源電壓在時(shí)間內(nèi)被接上，又在內(nèi)被斬?cái)?，故稱為“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為：（3-1）式中 功率開關(guān)器件的開關(guān)周期；開通時(shí)間；占空比，其中f為開關(guān)頻率。圖3-1脈寬調(diào)制變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖如圖3-2 a所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，

48、由vt1vt2共4個(gè)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（pulse width modulation，簡稱pwm）變換器。vt1和vt4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，vt2和vt3同時(shí)通斷，使電動(dòng)機(jī)m的電樞兩端承受電壓或。改變兩組開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，也就改變了電壓脈沖的寬度，得到電動(dòng)機(jī)兩端電壓波形如圖3-2 b 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如果用表示vt1和vt4導(dǎo)通的時(shí)間，開關(guān)周期和占空比的定義和上面相同，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓平均值為： （3-2）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

49、變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)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3-3所示。雙極式控制可逆pwm變換器的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖3-4所示。它們之間的關(guān)系是：。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，電樞電流沿回路1流通；當(dāng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反相，沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，。因此，在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。圖3-4也繪出了雙極式控制時(shí)的輸出電壓和電流波形。相當(dāng)于一圖3-3 橋式可逆pwm變換器圖3-4 雙極式控制可逆pwm變換器的驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形般負(fù)載的情況，脈動(dòng)電流的方向始終為正；相當(dāng)于輕載情況，電流可在正

50、負(fù)方向之間脈動(dòng)，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬度上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，電動(dòng)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(dòng)機(jī)停止。圖3-4所示的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。雙極式控制可逆pwm變換器的輸出平均電壓為： （3-3）若占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0到1，相應(yīng)的，=（-1）到（+1）。當(dāng)1/2時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)1/2時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)=1/2時(shí)，=0，電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈

51、寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。這個(gè)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(dòng)機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)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(diǎn)：1、電流一定連續(xù)；2、可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；3、電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；4、低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右；5、低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個(gè)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(shí)可

52、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(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。為了克服上述缺點(diǎn)，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(dòng)態(tài)性能會(huì)略有降低4，7。第4章雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真本章主要介紹了直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用及其具體的設(shè)計(jì)方法，并利用matlab下的simulink軟件建立圖形化的系統(tǒng)模型和仿真，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示，從而對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為精確的調(diào)整。4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動(dòng)機(jī)的過載能力，使電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)以盡可

53、能大的加速度起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這種理想的起動(dòng)過程如圖4-1所示。為實(shí)現(xiàn)在約束條件快速起動(dòng)，關(guān)鍵是要有一個(gè)使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個(gè)量，只要引入這個(gè)量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖4-2所示。圖4-1理想啟動(dòng)過程圖4-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖如圖4-3a所示的是帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速起動(dòng)特性曲

54、線，而我們希望的電流、轉(zhuǎn)速起動(dòng)特性曲線如圖4-3b所示。 圖4-3 直流調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速起動(dòng)特性曲線雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，應(yīng)該先分析它的起動(dòng)過程（起動(dòng)過程分析見2.3.2節(jié)）。4.2 電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)4.2.1 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)速很快的跟隨給定電壓的變化；穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差；（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；（3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)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（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程；（4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。4.2.2 調(diào)節(jié)器的具體