PWMM可逆調速系統(tǒng)設計《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書

武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 PWM-M可逆調速系統(tǒng)設計 《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 目錄 摘要 3 一、直流調速介紹 4 1.1 調速定義 4 1.2 調速方法 4 1.2.1 調節(jié)電樞供電電壓U 4 1.2.2 改變電動機主磁通 4 1.2.3 改變電樞回路電阻R 4 1.3 調速指標 5 1.3.1 調速范圍（包括：恒轉矩調速范圍/恒功率調速范圍） 5 1.3.2 動態(tài)速降 5 1.3.3 恢復時間 5 二、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)介紹 6 2.1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 6 2.2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程 7 2.2.1 理想啟動過程 7 2.2.2 實際啟動過程分析 9 2.3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程三個特點： 11 2.3.1 飽和非線性控制 11 2.3.2準時間最優(yōu)控制 11 2.3.3轉速超調 11 2.4 PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 12 2.4.1 速調節(jié)器不飽和 12 2.4.2 轉速調節(jié)器飽和 13 2.5 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 14 三、設計任務及要求 15 3.1 設計初始條件 15 3.2 要求完成的主要任務 15 四、PWM-M調速系統(tǒng)設計 16 4.1 直流PWM-M調速系統(tǒng) 16 4.2 UPE環(huán)節(jié)的電路波形分析 18 4.3 電流調節(jié)器的設計 19 4.3.1 電流環(huán)結構框圖的化簡 19 4.3.2電流調節(jié)器參數(shù)計算 20 4.3.3 參數(shù)校驗 22 4.3.4 計算調節(jié)器電阻和電容 23 4.4 轉速調節(jié)器的設計 23 4.4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 23 4.4.2 轉速環(huán)結構的化簡和轉速調節(jié)器結構的選擇 24 4.4.3 轉速調節(jié)器的參數(shù)的計算 27 4.4.4 參數(shù)校驗 27 4.4.5 計算調節(jié)器電阻和電容 28 4.5 調速范圍靜差率的計算 29 五、系統(tǒng)仿真 30 5.1 仿真軟件Simulink介紹 30 5.2 Simulink仿真步驟 30 5.3 雙閉環(huán)仿真模型 31 5.4 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形圖 31 六、心得體會及小結 33 七、參考文獻 34 摘要 為了滿足生產(chǎn)工藝要求，需要改變工作速度，在當代工業(yè)上PWM控制調速系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應用，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)點還是日益突現(xiàn)，而帶有雙閉環(huán)的調速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。生產(chǎn)機械的調速方法可以采用機械的方法取得，但是機械設備的變速機構較復雜，所以在現(xiàn)代電力拖動中，大多數(shù)采用電氣調速方法。電氣調速就是對機械的電動機進行轉速調節(jié)，在某一負載下人為地改變電動機的轉速。 在實際應用中，電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，首先要具有較高的機電能量轉換效率；其次應能根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調節(jié)電動機的旋轉速度。電動機的調速性能如何對提高產(chǎn)品質量、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，調速技術一直是研究的熱點。直流電動機具有良好的起動、制動性能，適宜在較大范圍內調速，在許多需要高性能可控電力拖動領域中得到廣泛的應用。近年來交流調速系統(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)的基礎，所以應該很好地掌握直流調速系統(tǒng)。 采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。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，為了使調速達到高精度、高準度的要求，本次設計使用了電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器，以此來組成雙閉環(huán)，電流環(huán)為內環(huán)，轉速環(huán)為外環(huán)。這樣的設計能夠達到任務要求的靜態(tài)指標和動態(tài)指標。 關鍵詞：PWM調速、直流電動機、雙閉環(huán)調速 一、直流調速介紹 1.1 調速定義 調速是指在某一具體負載情況下，通過改變電動據(jù)或電源參數(shù)的方法，使機械特性曲線得以改變，從而使電動機轉速發(fā)生變化或保持不變。 1.2 調速方法 1.2.1 調節(jié)電樞供電電壓U 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(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，但是需要大容量可調直流電源。 1.2.2 改變電動機主磁通 改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調速，但只能減弱磁通進行調速（簡稱弱磁調速），從電機額定轉速向上調速，屬恒功率調速方法。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 在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能進行有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調速作用；還會在調速電阻上消耗大量電能。 1.3 調速指標 1.3.1 調速范圍（包括：恒轉矩調速范圍/恒功率調速范圍） 恒轉矩調速范圍是指調速系統(tǒng)在額定負載下，可長期穩(wěn)定運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，假定該調速系統(tǒng)的最大（額定速度）為2000rpm，則其最小運行速度為2rpm。指標越寬，調速范圍越大，系統(tǒng)性能越好。 恒功率調速范圍是指調速系統(tǒng)在額定功率下，可長期穩(wěn)定運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，假定該調速系統(tǒng)的額定速度為1000rpm，則其最高運行速度為2000rpm。 1.3.2 動態(tài)速降 它是指電機由空載突加額定負載時最大的速度跌落（下降），這個值越小，表明系統(tǒng)響應快，系統(tǒng)特性硬。 1.3.3 恢復時間 當電機突加額定負載后可以恢復到原先速度所需的時間，時間越短，響應越好，反之表明系統(tǒng)響應慢。 二、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)介紹 2.1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 圖2-1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構 穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2-1所示，兩個調節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調節(jié)器。轉速調節(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調節(jié)器的作用。當調節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，輸出量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和。當調節(jié)器不飽和時，PI調節(jié)器工作在線性調節(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)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖如圖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。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)過相同的延時，使得二者在時間上恰好的配合。 由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，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，采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。 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)過程的電流或轉矩。 在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，只有電流截至負反饋環(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，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。 帶電流截至負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)啟動時的電流和轉速波形如圖2-3所示。當電流從最大值降下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 圖2-3 帶電流截至負反饋得單閉環(huán)調速系統(tǒng)啟動過程 在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，希望充分利用電機允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）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，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又讓電流立即降低下來，使轉矩馬上與負載平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。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，而轉速是呈線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 圖2-4 理想快速啟動過程 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反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就應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反饋，而不能讓它和轉矩負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)定轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種負反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調速系統(tǒng)可以解決這個問題。 2.2.2 實際啟動過程分析 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)突加給定電壓，由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的過渡過程示于圖2-5。 圖2-5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)啟動過程轉速和電流波形 由于在起動過程中轉速調節(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，在圖中分別標以I、和III。 （1）第Ⅰ階段 電流上升的階段 突加給定電壓后，通過兩個調節(jié)器的控制作用，電動機開始轉動。由于機電慣性的作用，轉速的增長不會很快，因而轉速調節(jié)器ASR的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值，強迫電流迅速上升。當時，，電流調節(jié)器的作用使不再迅猛增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調節(jié)作用。 （2）第Ⅱ階段 恒流升速階段 從電流升到最大值開始，到轉速升到給定值為止，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，轉速環(huán)相當于開環(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節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定(電流可能超調，也可能不超調，取決于電流調節(jié)器的結構和參數(shù))，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。與此同時，電動機的反電動勢正也按線性增長。對電流調節(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。由于電流調節(jié)器ACR是PI調節(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，應略低于。此外還應指出，為了保證電流環(huán)的這種調節(jié)作用，在起動過程中電流調節(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飽和，這些都是在設計中必須注意的。 （3）第Ⅲ階段 轉速調節(jié)階段 在這階段開始時，轉速已經(jīng)達到給定值，轉速調節(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，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉速超調。轉速超調以后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，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，由于仍大于負載電流，在一段時間內，轉速仍繼續(xù)上升。到時，轉速n達到峰值。此后，電動機才開始在負載的阻力下減速，與此相應，電流也出現(xiàn)一段小于的過程，直到穩(wěn)定(設調節(jié)器參數(shù)已調整好)。在這最后的轉速調節(jié)階段內，ASR與ACR都不飽和，同時起調節(jié)作用。由于轉速調節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流內環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。 2.3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程三個特點： 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ASR飽和時，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當ASR不飽和時，轉速環(huán)閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。決不能簡單地應用線性控制理論來分析和設計這樣的系統(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)的結構和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。 2.3.2準時間最優(yōu)控制 起動過程中主要的階段是第Ⅱ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、Ⅲ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很小的成份，已無傷大局，所以雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程可以稱為“準時間最優(yōu)控制”過程。如果一定要追求嚴格最優(yōu)控制，控制結構要復雜得多，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)中普遍地得到應用。 2.3.3轉速超調 由于采用了飽和非線性控制，起動過程結束進入第Ⅲ段即轉速調節(jié)階段后，必須使轉速調節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調節(jié)器的特性，只有使轉速超調，ASR的輸人偏差電壓為負值，才能使ASR退出飽和。這就是說，采用PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速動態(tài)響應必然有超調。在一般情況下，轉速略有超調對實際運行影響不大。如果工藝上不允許超調，就必須采取另外的控制措施。 最后，應該指出，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)生負的回饋制動轉矩。因此，不可逆的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)雖然有很快的起動過程，但在制動時，當電流下降到零以后，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Ⅲ階段內，電流很快下降到零而不可能變負，于是造成斷續(xù)的動態(tài)電流，從而加劇了轉速的振蕩，使過渡過程拖長，這是又一種非線性因素造成的。 2.4 PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 一般存在兩種狀況：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，除非有反向信號使調節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(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，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 2.4.1 速調節(jié)器不飽和 這時，兩個調節(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 由第一關系式可得： 與此同時，由于ASR不飽和， ，從上述第二個關系式可知： 。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，這就是靜特性的運行段。 2.4.2 轉速調節(jié)器飽和 這時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(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 最大電流是設計者選定的，取決于電機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)調速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(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調節(jié)器分別形成內、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流至負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。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，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)各調節(jié)器的給定反饋值計算有關的反饋系數(shù)： 2.5 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關系 上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速n是由給定電壓決定的，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。這些關系反映了PI調節(jié)器不同于P調節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一點，雙閉環(huán)調速系統(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)各調節(jié)器的給定與反饋值計算有關的反饋系數(shù)： 轉速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 兩個給定電壓的最大值和是受運算放大器的允許輸入電壓限制的。 三、設計任務及要求 3.1 設計初始條件 采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 電機參數(shù)：uN=220V，IN=136A，Nn=1460r/min； 電動機電動勢系數(shù) 晶閘管放大系數(shù) 電樞回路總電阻R=0.5Ω； 電磁時間常數(shù)TL=0.03s； 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)Tm=0.18s 額定轉速時給定電壓為10V； 穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量σi≤5%； 空載啟動到額定轉速時的過度過程時間ts≤0.5s 3.2 要求完成的主要任務 （1）PWM-M可逆調速系統(tǒng)電路設計； （2）系統(tǒng)原理圖設計； （3）過程分析,參數(shù)設計計算與校驗。 四、PWM-M調速系統(tǒng)設計 4.1 直流PWM-M調速系統(tǒng) 整個系統(tǒng)上采用了轉速、電流雙閉環(huán)控制結構，如圖4-1所示。在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，是內環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設計；轉速調節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計。 為了獲得良好的動、靜態(tài)品質，調節(jié)器均采用PI調節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關元件、H橋電路為功率放大電路所構成的電路結構?？刂芇WM脈沖波形，通過調節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中對電機速度的控制。 圖4-1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖 直流調速系統(tǒng)的結構如上圖所示，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)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調量出現(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變換器的四個驅動電壓波形如圖3所示，它們的關系是：。在一個開關周期內，當時，，電樞電流沿回路1流通；當時，驅動電壓反號，沿回路2經(jīng)二極管續(xù)流，。因此，在一個周期內具有正負相間的脈沖波形。 為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別是轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM調制器。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速調節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器都采用PI調節(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。電動機電樞電壓的平均值則體現(xiàn)在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，，則的平均值為正，電動機正轉；反之則反轉。如果正、負脈沖相等，，平均輸出電壓為零，則電動機停止。圖4所示的波形是電動機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 直流電動機的電樞電壓的正、負變化，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。相當于電動機負載較重的情況，這時負載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電動機始終工作在第Ⅰ象限的電動狀態(tài)。相當于負載很輕的情況，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，而反向開關器件導通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態(tài)。電流中的線段3和4是工作在第Ⅱ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相同，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系不一樣了。 調速時，的可調范圍為，相應地，。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，，電動機停止。 4.3 電流調節(jié)器的設計 4.3.1 電流環(huán)結構框圖的化簡 在上圖點劃線框的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠小于機電時間常數(shù)，因此，轉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，可以認為反電動勢基本不變，即，這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(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)的近似結構框圖如圖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)內，同時把給定信號改成，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng) 和比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為： 則電流環(huán)結構框圖最終簡化成圖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Ⅰ型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 式中 --------電流調節(jié)器的比例系數(shù) --------電流調節(jié)器的超前時間常數(shù) 為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 （3-3） 則電流環(huán)的動態(tài)結構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)性能指標選取。設計要求電流超調量，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)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調節(jié)器都不飽和時。各變量之間的關系： 令兩個調節(jié)器的輸入和輸出最大值都是，額定轉速，額定電流，最大電流，為過載倍數(shù)，一般取為1.5。 轉速反饋系數(shù)： 電流反饋系數(shù)： 電流調節(jié)器超前時間： ，則電流調節(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Ⅰ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型電流調節(jié)器 電流調節(jié)器原理圖如圖4-6所示，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下： 取 取 取 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 滿足設計要求 4.4 轉速調節(jié)器的設計 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： 接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為： 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 轉速環(huán)結構的化簡和轉速調節(jié)器結構的選擇 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖4-7所示。 圖4-7 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) 和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內，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 等效成單位負反饋和小慣性的近似處理 為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器中?，F(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型Ⅱ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。至于其階躍響應超調量較大，那么線性系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低。 由此可見也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中 --------轉速調節(jié)器的比例系數(shù) --------轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù) 調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 令轉速環(huán)開環(huán)增益為： 在典型Ⅱ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，點處在特性段 因此 在工程設計中，如果兩個參數(shù)都任意選擇，工作量顯然很大，為此采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最佳配合。這一準則表明，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，之間的關系是 以上兩式稱作準則的“最佳頻比”，因而有 確定之后根據(jù)上式即可分別求得和。 可得 可知轉速環(huán)開環(huán)增益為 因此 4.4.3 轉速調節(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型轉速調節(jié)器 轉速調節(jié)器原理圖如圖所示，取，則 取 取 取 4.5 調速范圍靜差率的計算 取 靜差率： 調速范圍： 五、系統(tǒng)仿真 5.1 仿真軟件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，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(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)的仿真結果。 Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。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行設計、仿真、執(zhí)行和測試。. 構架在Simulink基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(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) 將設計的開環(huán)調速系統(tǒng)的參數(shù)輸入各個模塊，運行調試功能，如果無誤后就可以運行系統(tǒng)。 (4) 運行后便可通過模擬示波器觀察波形。 5.3 雙閉環(huán)仿真模型 電流環(huán)、轉速環(huán)，雙閉環(huán)仿真模型如圖5-1所示。 圖5-1 雙閉環(huán)仿真模型 5.4 雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形圖 電流環(huán)、轉速環(huán)，雙閉環(huán)仿真模型如圖5-2所示。 圖5-2 雙閉環(huán)仿真波形 其中，紅色曲線為電流環(huán)，黃色曲線為轉速環(huán)波形。電流環(huán)的仿真中，在直流電動機的恒流升速階段，電流值低于，其原因是電流調節(jié)系統(tǒng)受到電動機反電勢的擾動，它是一個線性漸增的擾動量，所以系統(tǒng)做不到無靜差而是略低于。轉速環(huán)的仿真中，ASR調節(jié)器經(jīng)過了不飽和、飽和、退飽和三個階段，最終穩(wěn)定運行于給定轉速。電流調節(jié)起作用:自動限制最大電流，能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響，速度調節(jié)可調節(jié)轉速可整定轉速反饋系數(shù)以整定系統(tǒng)的額定轉速。仿真結果符合實際情況，說明參數(shù)的選擇設計較為合適。 六、心得體會及小結 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器串級連接，轉速反饋環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內環(huán)。速度調節(jié)器的輸出即為電流給定，其輸出限幅值即為最大電流給定值。調整限幅值的小或調整電流反饋系數(shù)就可方便地改變最大電流。在起、制動過程中，速度調節(jié)器很快入飽和，輸出限幅值為電流環(huán)提供了最大電流給定，電流調節(jié)器為PI調節(jié)器，在它的調節(jié)作用下使電流保持在最大值，這時系統(tǒng)實際上為一個恒值電流調節(jié)系統(tǒng)。由于電流環(huán)的調節(jié)作用使系統(tǒng)的起、制動過渡過程中電流的波形接近于理想的最佳過渡波形。當轉速超調后，速度調節(jié)器退出飽和，對轉速起主要調節(jié)作用，電流環(huán)成為電流隨動系統(tǒng)。 電流反饋環(huán)使得系統(tǒng)的抗干擾能力增強，作用在電流環(huán)前向通道上的一切擾動作用，如電網(wǎng)電壓擾動等，受到電流環(huán)的及時調節(jié)所抑制，使轉速不受或少受擾動的影響。電流內環(huán)還起到改造轉速外環(huán)中調節(jié)對象結構及參數(shù)的作用，加快了轉速環(huán)的調節(jié)響應過程。在特性上，轉速環(huán)的調節(jié)作用保證了系統(tǒng)無靜差，電流環(huán)的作用使系統(tǒng)具有較理想的挖土機下垂特性。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)效正的設計與調試是先按內環(huán)（電流環(huán)）后外環(huán)（轉速環(huán)）的順序進行的，因為在動態(tài)過程中可以認為外環(huán)對內環(huán)幾乎沒有影響，而內環(huán)是外環(huán)的一個組環(huán)節(jié)。從快速起動系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典型I型系統(tǒng)設計電流環(huán)。由于要求轉速無靜差，此轉速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設計雙閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)電樞電流的最大脈動量與電源壓成正比，與電樞電感L和開關頻率f成反比，電樞PWM電壓的交變分量對轉速的影響是及其微小的。 通過本次課程設計，我學習與掌握了電力系統(tǒng)拖動的基本原理及其各種應用，對調速系統(tǒng)的工作原理和設計方法有了較深入的了解。對自動控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能及其控制也有了一定的認識。同時，我還掌握了不少軟件的應用如PROTEL、MATLAB等。 七、參考文獻 [1] 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2000 [2]高鵬，安濤，寇懷誠等.Protel 99入門與提高.北京：人民郵電出版社，2004 [3]李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎.第二版.北京：清華大學出版社，2001 [4]張世銘，王振和.直流調速系統(tǒng).武漢：華中理工大學出版社，1993 [5]胡壽松.自動控制原理.長沙：國防科技大學出版社，1995 35