基于PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

基于PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計目錄1引言 11.1研究背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 21.3主要研究內(nèi)容 32同步電機的結(jié)構(gòu)特點與數(shù)學(xué)模型 32.1同步電機的結(jié)構(gòu)特點 32.2同步電機的數(shù)學(xué)模型 52.3同步電機的調(diào)速模型 82.4矢量控制原理基本思想 93雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 103.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型 103.2同步電機的電流環(huán)設(shè)計 133.3同步電機的轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計 144基于Matlab的仿真分析 164.1Matlab軟件簡介 164.2雙閉環(huán)調(diào)速分析 17參考文獻 18致謝 19摘要：如今，電子技術(shù)發(fā)展迅速，自動化應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，直流電機的使用也隨之增加，入了解直流電機的相關(guān)原理，同時著重分析研究電機調(diào)速原理，對提升同步電機調(diào)速時的穩(wěn)定性有著非常重要的現(xiàn)實意義。分析了以PWM調(diào)制為基礎(chǔ)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理。隨后深入鉆研PI控制的內(nèi)在機制，為SIMULINK仿真平臺之上，搭建了電機參數(shù)塊、轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)模塊，以及關(guān)鍵的PWM調(diào)制模塊。些模塊的協(xié)同作用，提供了全方位的電機控制仿真環(huán)境。通過這些模塊的聯(lián)立調(diào)試，構(gòu)建起了完整的電機控制模型。從轉(zhuǎn)速控制、電流控制兩個關(guān)鍵維度來進行控制仿真，。仿真結(jié)果清晰顯示，在處理線性系統(tǒng)時，PI控制展現(xiàn)出了較為出色的性能和穩(wěn)定性。同時通過精細(xì)調(diào)整控制器還能夠進一步優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)特性，使電機控制系統(tǒng)能夠以更快、更穩(wěn)定的方式達到期望狀態(tài)關(guān)鍵詞:直流電機；PWM；矢量控制；Matlab1引言1.1研究背景及意義自一九六五年以來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各類永磁電動機的研究與開發(fā)也在如火如荼地進行。然而，當(dāng)前國內(nèi)電機在實際應(yīng)用中存在著能源消耗大、設(shè)備陳舊、效率低下等問題。直流電機具有容易控制，溫度低，功率因數(shù)高，起動力矩大，起動時間短，過載能力強等優(yōu)點。在當(dāng)今節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，大力推廣同步電機是一項非常有意義的工作[1]。隨著科技的進步，以及永磁體的價格越來越便宜，直流電機的控制技術(shù)也越來越成熟，其在工業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)覆蓋了幾乎所有的行業(yè)。永磁同步電機在軌道地鐵、醫(yī)用器械、電動汽車、電梯生產(chǎn)、船舶電力等許多行業(yè)中，都獲得了很好的成就[2-4]。當(dāng)前，各個行業(yè)都在為直流電機的設(shè)計和運行而努力，希望直流電機能大放異彩?？梢钥闯觯绷麟姍C的工作環(huán)境非常嚴(yán)酷，對它的要求非常嚴(yán)格，它的工作條件也非常復(fù)雜，因此，對其進行良好的控制，將會使其在行業(yè)中獲得更好的表現(xiàn)。通過本項目的研究，將為該系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供基礎(chǔ)理論和技術(shù)支撐，為其在實際應(yīng)用中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。在當(dāng)前的現(xiàn)實生活中，直流電機的控制方法多采用傳統(tǒng)的PI控制方法。而在矢量控制上，則是以轉(zhuǎn)子磁場定向控制理論為導(dǎo)向，該理論在矢量控制上的動態(tài)性質(zhì)較好、對于系統(tǒng)的控制精度高、調(diào)節(jié)的靈敏度也高，系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性較強。因此，定向控制理論在永磁電機、無刷電機等電機系統(tǒng)控制中得到廣泛應(yīng)用，促進了電機系統(tǒng)乃至相關(guān)電氣設(shè)備的發(fā)展[5-6]。綜上所述，本文深入探討了永磁同步電機的理論模型，并以此為基礎(chǔ)，詳細(xì)研究了基于該模型的矢量控制技術(shù)。同時，本文也對相關(guān)的PI控制系統(tǒng)進行了全面分析。這一綜合性的研究旨在深化對永磁同步電機及其控制技術(shù)的理解，為電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實踐提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。希望通過這些研究，為永磁同步電機在實際應(yīng)用中的優(yōu)化和提升貢獻我們自己的智慧和力量。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀永磁同步電機的制造離不開永磁材料這一關(guān)鍵要素，材料的選取直接決定了電機的性能表現(xiàn)?；厮葜辽鲜兰o(jì)二十年代，那時問世的電動機大多采用四氧化三鐵作為主要的磁體材料。然而，由于這種天然磁性材料的固有局限性，所制成的電動機體積龐大，這無疑在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中帶來了一系列困擾和挑戰(zhàn)。鑒于此，電勵磁電動機應(yīng)運而生，其出現(xiàn)有效地解決了大體積電機帶來的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，新材料如雨后春筍般涌現(xiàn)。碳鋼、鎢鋼、鈷鋼等永磁材料逐漸進入工程師們的視野。經(jīng)過不斷的研究和改良，這些新型永磁材料相較于傳統(tǒng)的四氧化三鐵，展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。它們不僅可以制造更小體積的永磁體，而且在性能方面也有著更加優(yōu)異的表現(xiàn)。因此，在工業(yè)界中，這些先進的永磁材料被廣泛應(yīng)用于各類永磁同步電機的制造之中，推動著電機技術(shù)的持續(xù)進步與發(fā)展[7]。在上世紀(jì)70年代初，杰出的工程師F.Blaschke首次提出了將矢量控制理論與電機系統(tǒng)控制相結(jié)合的創(chuàng)新性思路。他巧妙地將電機系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的定子電流進行精準(zhǔn)分解，分化為縱向上的兩個獨立分量——產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量和負(fù)責(zé)構(gòu)建磁場的電流分量。而矢量控制的精髓正是在于分別對這兩個分量進行精細(xì)化的控制，以實現(xiàn)電機性能的優(yōu)化與提升。然而，直接將矢量控制的方法應(yīng)用于直流電機上并非易事。原因在于定子繞組的磁場與轉(zhuǎn)子磁場之間存在緊密的耦合關(guān)系，這一問題對直流電機的性能有著顯著的影響。為了使直流電機能夠達到與直流電機相近的優(yōu)異效果，必須解決這一耦合問題[8-10]。在直流電機的研究領(lǐng)域，江蘇大學(xué)在調(diào)速系統(tǒng)的高級控制方法方面進行了深入的探索與研究，為電機性能的提升提供了有力的理論支撐。而華中科技大學(xué)則聚焦于直流電機在風(fēng)力發(fā)電、工程控制等應(yīng)用領(lǐng)域的研究，為電機的實際應(yīng)用提供了廣泛的思路和方案。這兩所大學(xué)的研究不僅為直流電機的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也為我國電機領(lǐng)域的科研與技術(shù)進步貢獻了寶貴的知識和經(jīng)驗。控制理論的不斷進步，直流電機也在隨之不斷地更新?lián)Q代，隨著對電氣系統(tǒng)地需求不斷增加，使用環(huán)境越來越廣泛，其對直流電機系統(tǒng)地要求也越來越高，這樣也就間接地促進了對于直流電機的控制方法需要不斷地精進。目前，機器自動化、人工智能化、簡單化是直流電機系統(tǒng)發(fā)展地主要方向。雖然目前還有一定困難，不過只要通過我們的不懈努力，直流電機的控制系統(tǒng)其整體性能將會越來越好，早日實現(xiàn)更高效地控制，為我國的高新技術(shù)實業(yè)能提供一定的幫助[11-13]。1.3主要研究內(nèi)容本研究主要對直流電機系統(tǒng)調(diào)速進行分析，根據(jù)傳統(tǒng)PI控制以及原理與調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合進行分析，綜合以上目標(biāo)擬開展的工作如下：（1）理解坐標(biāo)變換的實質(zhì)，并根據(jù)理論模型進行相應(yīng)的變換，方能構(gòu)建起一個完備的直流電機系統(tǒng)模型。這前期工作的重要性不言而喻，完成此步驟后，方能依據(jù)直流電機的獨特結(jié)構(gòu)特點，巧妙地將已建立的數(shù)學(xué)模型通過坐標(biāo)變換的方式映射至d軸與q軸的坐標(biāo)系之中。唯有如此，方能奠定堅實的仿真基礎(chǔ)，為后續(xù)的工作鋪平道路，確保直流電機系統(tǒng)的研究與仿真得以順利進行。（2）在深入探討矢量控制的核心理念之后，審慎地分析了多種相關(guān)的控制方法。經(jīng)過縝密的考慮與比較，決定選擇PWM作為實現(xiàn)手段，將其應(yīng)用于直流電機系統(tǒng)之中。這一選擇并非偶然，而是基于對當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的深入理解與全面評估。正弦脈沖寬度矢量調(diào)制技術(shù)，以其出色的性能與廣泛的應(yīng)用前景，可認(rèn)為是適合直流電機系統(tǒng)的理想選擇。通過運用這一技術(shù)，將可以實現(xiàn)對電機系統(tǒng)的精確控制，進一步提升其運行效率與穩(wěn)定性。因此，可以確信，將PWM應(yīng)用于直流電機系統(tǒng)，是一種既合理又可行的方案。（3）深入研究了PI理論的相關(guān)知識，構(gòu)建了PI控制的外環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，再結(jié)合PI控制器構(gòu)建了內(nèi)環(huán)電流控制系統(tǒng)，最終兩者結(jié)合形成了本次研究需要的雙閉環(huán)控制矢量模型。（4）根據(jù)對相關(guān)理論的深入分析，最后在Matlab/Simulink軟件上搭建出仿真模型，然后設(shè)定出一組初始數(shù)據(jù)，觀察直流電機系統(tǒng)能否實現(xiàn)理論上的控制效果，進而檢驗直流電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性2同步電機的結(jié)構(gòu)特點與數(shù)學(xué)模型2.1同步電機的結(jié)構(gòu)特點本文將介紹一種廣泛應(yīng)用的直流電機，直流電機是同步電機中使用最廣泛的一種類型。該電機由轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組等組成，利用永磁鐵氧體、稀土永磁體等永磁材料制造而成[14]。在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖1中，展示了直流電機的整體設(shè)計。直流電機有多種分類方式：（1）按轉(zhuǎn)子繞組的位置進行分類；（2）按正弦波和方形波這種波形分類；（3）根據(jù)磁力線的軸向和徑向?qū)ζ溥M行分類；（4）根據(jù)有無起動繞分為有起動繞和沒有起動繞的兩種類型。（a）凸極式（b）隱極式圖1直流電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖直流電機的優(yōu)點：（1）直流電機系統(tǒng)具有出色的功率因數(shù)和高效的能源利用率。在穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子繞組中的銅損耗很小，此時的勵磁電流也很小，保證了直流電機在實際工作中的功率因數(shù)可以在很高的水平。與同等輸出的異步電機相比，更能環(huán)境保護和提高能源效率。[15]（2）直流電機相較于同輸出的異步電機具有更低的能量損耗。因此，直流電機的冷卻系統(tǒng)設(shè)計可以更為簡單，冷卻結(jié)構(gòu)所需的空間較小，從而減少產(chǎn)生的噪音。對于一些體積較小的直流電機，甚至可以不安裝制冷系統(tǒng)，而是通過自然降溫來實現(xiàn)散熱。（3）具有很高的靈敏度和很好的調(diào)整性。在真實的電機工作過程中，都會有外部的不可預(yù)測的干擾，例如，對于轉(zhuǎn)矩引起的干擾，同步電氣機要比異步電機反應(yīng)得更快。并且，與異步電動機相比，同步電動機具有更好的穩(wěn)定性，同步電機能夠更快的對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，是系統(tǒng)恢復(fù)到擾動之初的狀態(tài)。根據(jù)之前的文獻測試顯示，即使出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化幅度較大的情況時，可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電機系統(tǒng)的其它參數(shù)，電機系統(tǒng)就依然能較好的保持系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。[16]（4）整體結(jié)構(gòu)簡單，所以機身較小，輕便。其作為制造直流電機的永磁材料的性能越高，電機的整體性能就越好，這也就很大程度上提高了電機整體的功率密度，對使用環(huán)境的包容性更強。2.2同步電機的數(shù)學(xué)模型建立直流電機的數(shù)學(xué)模型，通常會基于以下假設(shè)條件：假設(shè)不存在渦流和磁滯損耗；假設(shè)在磁場中不會存在任何空間諧波。這些假設(shè)有助于簡化數(shù)學(xué)建模過程并提供更清晰的分析基礎(chǔ)。在電機控制系統(tǒng)中，最為常見的坐標(biāo)系有以下三種，如下圖2-2所示為直流電機的矢量圖：（1）三相靜止坐標(biāo)系即a-b-c坐標(biāo)系：a軸、b軸、c軸所在的位置是定子繞組中心所在的位置；（2）兩個相位的靜止坐標(biāo)系，也就是坐標(biāo)系，其軸線與a-b-c坐標(biāo)系統(tǒng)的軸線一致，軸線反向向軸線后移動90°；（3）在直流電機中，通常會使用兩個相位的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，即d-q坐標(biāo)系。在這個坐標(biāo)系中，d軸與轉(zhuǎn)子磁極的N極對齊，且隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)；而q軸則領(lǐng)先d軸90°并沿著d軸的逆時針方向。通過d-q坐標(biāo)系的引入，可以更方便地描述直流電機的磁場和運動特性，為控制算法和系統(tǒng)設(shè)計提供更有效的支持。圖2同步電機矢量關(guān)系圖對直流電機系統(tǒng)進行坐標(biāo)變換的目的，就是為了使直流電機的控制系統(tǒng)能夠更好地使其定子繞組輸出的三相電流準(zhǔn)確地變換為q、d兩軸上的電流，進而實現(xiàn)電流的解耦。所以，需要通過上述坐標(biāo)系間的變換來實現(xiàn)電流的解耦。（1）三相靜止坐標(biāo)系-兩相靜止坐標(biāo)系（Clark變換）對于A,B,C三相的定子電流、、，其相位差為120度，并且存在。按照總磁動勢守恒原則，它被投射到兩個固定坐標(biāo)系，三相靜止坐標(biāo)系-兩相靜止坐標(biāo)系如下圖2-3所示。圖3三相靜止坐標(biāo)系-兩相靜止坐標(biāo)系變換變換矩陣方程：（1）3/2變換矩陣C3/2:（2）2/3變換矩陣C2/3:（3）（2）兩相靜止坐標(biāo)系-兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（Park變換）通過Clark變換后，雖然將定子繞組轉(zhuǎn)換為兩相對稱繞組，但仍需將交流電通入兩相磁場以生成旋轉(zhuǎn)磁場。要想實現(xiàn)這一目的，就必須簡化磁場的產(chǎn)生。在這一點上，如果觀察者能夠和坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致，也就是相對地面靜止時，通過線圈的電流可以被認(rèn)為是直流電。在此轉(zhuǎn)換之后，直流電機系統(tǒng)的控制可以遵循直流電動機控制的邏輯，兩相靜止坐標(biāo)系-兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系如圖2-4所示。圖4兩相靜止坐標(biāo)系-兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系設(shè)靜止兩相坐標(biāo)系中的軸和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的軸夾角為，利用磁動勢相同原則，得變換矩陣方程：（4）變換矩陣C2s/2r（式中，下標(biāo)s表示靜止坐標(biāo)系，下標(biāo)r表示旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）：（5）反變換矩陣C2s/2r（6）2.3同步電機的調(diào)速模型根據(jù)直流電機模型理論知識，可以有下列直流電機的方程：(7)(8)(9)上式中：——兩相導(dǎo)通繞組的端電壓；E——電機反電動勢；——定子電樞回路總繞組；——定子電樞電流；——功率管電壓降；——內(nèi)部電動勢常數(shù)；——內(nèi)部轉(zhuǎn)矩常數(shù)；——無刷直流電機磁通量；——電機輸出轉(zhuǎn)矩；綜合以上公式，可以得到永磁電機轉(zhuǎn)速方程為：(10)從公式（10）可以看出，因為為系統(tǒng)固有的常數(shù)，因此改變轉(zhuǎn)速n的最簡單方法就是調(diào)節(jié)電樞的電壓，同時保持磁通不變。通常情況下，通過電機內(nèi)部的電流是恒定的，因此在不改變磁通量的情況下，無論是在高速還是低速狀態(tài)下，輸出轉(zhuǎn)矩都將保持恒定。換句話說，電機的功率與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。采用這種方法可以獲得良好的調(diào)速穩(wěn)定性能，實現(xiàn)廣泛范圍內(nèi)的調(diào)速，并且可以實現(xiàn)無級調(diào)速。這種簡單而有效的調(diào)速機制為直流電機系統(tǒng)提供了靈活的控制方式。2.4矢量控制原理基本思想在直流電機中，轉(zhuǎn)子繞組至關(guān)重要，其最大的作用是勵磁作用，能夠產(chǎn)生一個穩(wěn)定磁場，可以對直流電機進行矢量控制，就不用再去注意轉(zhuǎn)子繞組磁通量的內(nèi)容，所以，在直流電機中使用矢量控制有著很大的優(yōu)點。此外，還可對直流電機進行速度、位置雙閉環(huán)控制，使直流電機具有較好的調(diào)整特性。基于這些考慮，本文提出了一種新穎的矢量控制方法，旨在提高直流電機系統(tǒng)的控制效果和穩(wěn)定性。矢量控制的基本思路是將直流電機（直流電機）轉(zhuǎn)換為直流電機，通過轉(zhuǎn)矩控制來實現(xiàn)對直流電機的精確控制。通過解耦定子繞組電流，將其分為q軸勵磁電流和d軸轉(zhuǎn)矩電流，在坐標(biāo)系中使它們互相垂直、獨立運行，彼此不干擾。這種獨立控制的方式能夠有效地控制定子繞組。因此，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流，可以輕松實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)，提高直流電機系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。在不同的環(huán)境下，所需要的調(diào)速的大小也不相同，相應(yīng)的環(huán)境所要求的性能也是不相同的，要達到的目的也不相同，因此，對直流電機矢量控制方式的選擇也不相同。所以，需要對下面兩種模式進行分析，便于根據(jù)需要做出對應(yīng)的選擇：（1）控制定子繞組中的電流的平行分量恒為0，即在對直流電機控制過程中，保持，則直流電機的電壓公式可以化簡為：（11）控制保，即使定子繞組的平行方向沒有效果。等價于直流電機的定子電流只有在其縱軸上才有分量。所以電磁轉(zhuǎn)矩只受縱軸電流的影響，從而使直流電機的控制與控制直流電機一樣簡單，并且具有較大的調(diào)速范圍。（2）最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制該控制方法的主要目的是在轉(zhuǎn)矩和電流可承受范圍內(nèi)，實現(xiàn)直流電機系統(tǒng)獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩的同時，降低逆變器的輸出電流。這種方法的優(yōu)勢在于系統(tǒng)能效良好，符合節(jié)能環(huán)保要求。然而，這種方法的劣勢在于可能造成較高的力矩，導(dǎo)致功率因數(shù)較小，對中央處理芯片的要求較高。3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般來說，主要是以傳遞函數(shù)或極點為零的兩個模型為基礎(chǔ)來構(gòu)建雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的理論數(shù)學(xué)模型。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。圖中和分別表示的是轉(zhuǎn)速系統(tǒng)和電流系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。為了表示出電流的反饋信號，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)中需要把電樞電流也表示出來。UU*nUct-IdLnUd0Un+---UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E圖5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖直流調(diào)速系統(tǒng)在起始電壓為時由初始為零的狀態(tài)直接起動，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓信號為、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓信號為、整流單元輸出電壓為，其中電動機的電樞和轉(zhuǎn)速的非靜態(tài)響應(yīng)過程如圖2.6所示。由于在運行過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)ASR經(jīng)歷了不飽和到飽和再到過飽和而衰退時，整個動態(tài)過程就分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。圖6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形第一階段是電流處于上升。當(dāng)施加到給定電壓時，由于電動機的靜止摩擦力較大，電動機轉(zhuǎn)動的時間還較短（n=0），轉(zhuǎn)速電壓信號的負(fù)反饋，這時，很大，使ASR調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出突變?yōu)?，此時ACR的輸出為，可控整流器的整體輸出為，使電樞的電流增大。當(dāng)增加到（負(fù)載電流）時，電動機克服了運動所需的最大靜摩擦而開始運動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)ASR的輸出信號很快就會達到設(shè)定幅度，從而使電樞電流達到其最大值（在這過程中會下降，其原因是電流的負(fù)反饋作用所導(dǎo)致的），此時電流的負(fù)反饋作用后所產(chǎn)生的電壓信號與ACR調(diào)節(jié)系統(tǒng)所設(shè)定的初始電壓在大小上是基本相同的，即（12）式中，——電流的負(fù)反饋系數(shù)。其中，速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)ASR對于輸出電壓限定幅度的設(shè)定值主要就是按照這個要求進行分析的。第二階段,即是恒流的升速過程。由電流增加至峰值時開始，直至轉(zhuǎn)速增加到規(guī)定值時終止，這是整個啟動流程的最關(guān)鍵一步，在這個流程中，由于額定電流ASR都是飽和狀態(tài)的，而對轉(zhuǎn)速負(fù)反饋卻沒有控制意義，而由于轉(zhuǎn)速環(huán)為開環(huán)狀態(tài)，因而控制系統(tǒng)的表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。而由于電流密度維持在一定的水準(zhǔn)，因而控制系統(tǒng)的加速度也是恒值調(diào)節(jié)，而由于轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，即知，是電壓信號同時也在線性增大，也就是要求控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速增加曲線也為線性，從而在整個啟動流程中額定電流調(diào)節(jié)器是不需要飽和的，亦即晶閘管可控整流環(huán)也不需要飽和第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要在這個階段中發(fā)揮影響。在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到設(shè)定值的時候，ASR調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)定電壓與對轉(zhuǎn)速進行負(fù)反饋調(diào)節(jié)的電壓相一致，此時輸入電壓信號的偏差為零。但最終的輸出信號卻由于PI控制器的積分作用還維持在設(shè)定值附近，所以電動機仍會以最大電流下進行加速運動。超調(diào)后，，使ASR調(diào)節(jié)系統(tǒng)不再是飽和狀態(tài)，其輸出電壓信號（也就負(fù)反饋中的設(shè)定電壓）才從設(shè)定幅度下降，也隨之降了下來，但是，由于電樞電流相比于負(fù)載電流任是大于的，所以在接下來的一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍會上升，不過加速度會減小。到電樞電流小于負(fù)載電流時，電動機的加速度為0，在負(fù)載的作用下開始減速，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)（如果系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能不夠，可能需要一段時間調(diào)節(jié)后才恢復(fù)穩(wěn)定）。在這個階段中ASR系統(tǒng)與ACR系統(tǒng)會一起進行調(diào)節(jié)。穩(wěn)態(tài)時，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（13）ACR的輸出電壓為（14）由上述可以看出，對雙循環(huán)調(diào)壓設(shè)備而言，在工作階段的大部分時間內(nèi)，雙ASR處于完全的飽和限幅狀態(tài)，而雙轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于完全開路狀態(tài)，其優(yōu)點就是恒流態(tài)調(diào)壓，從而能夠基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制響應(yīng)需要有超調(diào)量，即只有當(dāng)控制超調(diào)量時，控制調(diào)節(jié)器才能退出過飽和時期，從而在接近穩(wěn)定的工作中ASR實現(xiàn)調(diào)控功能，并使在遠(yuǎn)穩(wěn)定和近平穩(wěn)工況時均表現(xiàn)出無靜差調(diào)速效果。也正所以，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都需要同時達到最優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量圖7電路控制系統(tǒng)圖綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程有以下特點：（1）飽和與非線形控制系統(tǒng)：由于ASR的飽和與不飽和，整個控制系統(tǒng)處在完全不同的二個情況中，在各種狀態(tài)下呈現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)的線形控制系統(tǒng)，都可以通過分段線形化的方式進行研究，而不是單純的用線形控制系統(tǒng)概念來籠統(tǒng)的研究這樣的控制系統(tǒng)。（2）速度超調(diào)量：在速度調(diào)節(jié)器ASR使用PI調(diào)節(jié)器后，速度必然存在超調(diào)量。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)量通常是允許的，針對完全不允許超調(diào)量的場合，可通過某些限制手段來限制超調(diào)量。3.2同步電機電流環(huán)設(shè)計電機是有慣性的，慣性的存在導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)動速度地變化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電流地變化速度。所以，為了更好地調(diào)節(jié)電機系統(tǒng)，本次研究使用了PI控制器對其進行控制，PI控制器結(jié)構(gòu)比較簡單，其工作原理也比較清楚，非常適合用來控制內(nèi)環(huán)。在調(diào)速裝置確定了系統(tǒng)的輸出電壓幅值后，電機系統(tǒng)相應(yīng)的驅(qū)動裝置將產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，并輸送到直流電機上。這個過程是一個漫長的過程，因此會有一個延遲。PI控制器的電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3-17所示。圖8基于PI控制器的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖在圖8中，ACR是電流回路調(diào)節(jié)器，是整流設(shè)備的等效放大因子，是整流設(shè)備的等效延遲時間，R是電動機的內(nèi)阻，是電磁時間常數(shù)，e是等效反電動勢干擾。在電機控制系統(tǒng)中，電流環(huán)通常采用PI控制器進行調(diào)節(jié)。PI控制器中的P代表控制系統(tǒng)的比例系數(shù)，I代表比例控制器的積分時間系數(shù)。電機電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為:（15）通常情況下，IGBT驅(qū)動器的延遲時間較電磁時間常數(shù)略短，為改善整個系統(tǒng)的靈敏度，可將此系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為另一種形式，從而可得轉(zhuǎn)換后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方程式：（16）由式（16）可以得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：（17）由式(4-6)可以很自然地得到振蕩頻率，對于振蕩頻率與阻尼比進行綜合分析之后，在PI控制器中對參數(shù)進行了一定程度上地調(diào)整，從而達到了靈敏度與超調(diào)方面之間的平衡點。通過以上的全面分析，得出了內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)對應(yīng)的PI參數(shù)是按照實際行業(yè)所選的阻尼比ζ來確定的：（18）3.3同步電機轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計電機的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。圖9電機的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖上圖中，ASR是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，R是電機回路串聯(lián)電阻，機電時間常數(shù)，飛輪矩；J為直流電機的轉(zhuǎn)動常量，為電機的電勢，為電機的轉(zhuǎn)矩經(jīng)驗常數(shù)，為電機的磁場強度常量，為等效的負(fù)載擾動轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過分析可以得到，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：。（19）由于K通常是一個相對較大的值，因此，在閉環(huán)傳遞函數(shù)中，可以忽略高階的、數(shù)值非常小的項，從而得到閉環(huán)傳遞函數(shù)的化簡，其等價方程的等價形式為：（20）一般情況下，它比內(nèi)環(huán)的常數(shù)還要小一些。因為在直流電機中，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時間遠(yuǎn)大于電流的調(diào)節(jié)時間，所以在對轉(zhuǎn)速進行的分析時，可以將電流進行簡化，其理想的比例方程如下：（21）為常量，電機系統(tǒng)運行時所產(chǎn)生的摩擦力一般為一個定值，所以就不用對其專門考慮，將其納入負(fù)載的考慮范圍即可。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用PI控制器的形式，在不考慮負(fù)載時，電機的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。圖10電機的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖令，由圖可知，，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的開環(huán)傳遞函數(shù)：（22）由此可以得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：（23）令自然振蕩頻率；阻尼比，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的閉環(huán)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為:（24）4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析4.1matlab軟件簡介Matlab系列軟件是一種高視覺化的軟件，具有非常豐富、復(fù)雜、強大的矩陣推理、數(shù)值計算等推理應(yīng)用能力，其軟件包中有近十余個預(yù)設(shè)好的基本命令組庫和基礎(chǔ)函數(shù)庫，而且還可以通過用戶自定義的函數(shù)庫進行擴充。Matlab軟件除了本身具備的二維矢量矩陣?yán)L制與矩陣操作的功能之外，還具備了在二維、三維矢量矩陣?yán)L制方面的優(yōu)勢。在另一層上，它還專門為一種新的編程語言設(shè)計了一個界面，這樣就可以更容易地和許多其它的高層編程語言聯(lián)合使用，并進行交互。比如，通過matlab語言進行計算得到的矩陣數(shù)據(jù)，就可以很容易的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌腃++程序員那里，從而讓他們在使用自己的語言編寫程序時變得更加容易。4.2雙閉環(huán)調(diào)速分析脈寬調(diào)制技術(shù)具有控制簡單、調(diào)節(jié)靈敏度高的特點，將脈寬調(diào)制與雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行結(jié)合能夠提高調(diào)速精度、減小系統(tǒng)損耗、調(diào)節(jié)范圍較廣，在容量不大的系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。在設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，一般是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)校正的設(shè)計與調(diào)試都是按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序進行，在動態(tài)過程中可以認(rèn)為外環(huán)對內(nèi)環(huán)幾乎無影響，而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)的一個組成環(huán)節(jié)。于是在仿真過程中，本設(shè)計研究的電機參數(shù)為直流電壓為400V，電流為52.2A，電阻為0.368Ω，轉(zhuǎn)速對于PWM變換器參數(shù)假定頻率為8000，Ks為107.6。在電流環(huán)中首先確定整流裝置滯后時間常數(shù)、電流濾波時間常數(shù)、電流環(huán)小時間常數(shù)，根據(jù)設(shè)計要求σ%≤5%，電流環(huán)可按照典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計，初步設(shè)定ACR超前時間常數(shù)為0.03s，電流濾波時間常數(shù)為0.0006s，電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅為5，根據(jù)前文關(guān)系計算出電流環(huán)反饋系數(shù)為0.128。根據(jù)設(shè)計要求得到初始的ACR的比例系數(shù)為0.267。同理，在轉(zhuǎn)速環(huán)中，考慮轉(zhuǎn)速環(huán)等效時間常數(shù)、轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)，由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求，應(yīng)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。按照跟隨和抗干擾性能都較好的原則取h=5，計算對應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速參數(shù)有轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)為0.01s，額定轉(zhuǎn)速給定電壓為10，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅值為10，轉(zhuǎn)速環(huán)反饋系數(shù)為0.0038，得到最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)參數(shù)則ASR超前時間常數(shù)初始為124.653，隨后對參數(shù)進行了調(diào)整如下圖所示：圖11參數(shù)調(diào)整完成對系統(tǒng)中電流和反饋系數(shù)進行調(diào)整后，利用初始電機的相關(guān)參數(shù)，確定了實際的電流反饋系數(shù)beta和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)alpha，隨后，對雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速功能進行了仿真研究。圖12電流環(huán)超調(diào)量驗證圖13轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)量驗證電流環(huán)按照典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計，電流超調(diào)量能夠在5%之內(nèi)，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計，轉(zhuǎn)速環(huán)超調(diào)量也能夠在5%之內(nèi)。通過建立直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型設(shè)計，根據(jù)指標(biāo)參數(shù)對電流反饋系數(shù)beta和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)alpha進行分析，應(yīng)用工程方法設(shè)計了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，設(shè)計中選擇合適的調(diào)節(jié)器類型，給出了系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進行了仿真和性能分析。利用MATLAB及其中的仿真工具Si