畢業(yè)論文——可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）報(bào)告（論文）題目：可逆直流脈寬調(diào)速 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者所在系部： 電子工程系 作者所在專業(yè)： 自動(dòng)化 作者所在班級(jí)： 作 者 姓 名 ： 作 者 學(xué) 號(hào) ： 指導(dǎo)教師姓名： 完 成 時(shí) 間 ： 20 年 月 日 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制北華航天工業(yè)學(xué)院北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)（理工類）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)（理工類）學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 趙秀芬 職 稱： 副教授 完成時(shí)間： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)縱向課題（ ）理論研究（）教師科研課 題橫向課題（）應(yīng)用研究（）教師自擬課題（）應(yīng)用設(shè)計(jì)（）題目來(lái)源學(xué)生自

2、擬課題（）題目類型其 他（）注：請(qǐng)直接在所屬項(xiàng)目括號(hào)內(nèi)打“”總體設(shè)計(jì)要求及技術(shù)要點(diǎn)：根據(jù)電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)與需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的指標(biāo)的要求，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)可以進(jìn)行可逆運(yùn)行，在確定調(diào)速系統(tǒng)地主電路與控制電路后，通過(guò)運(yùn)用工程設(shè)計(jì)法完成對(duì)電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1、所要控制的制備：直流電動(dòng)機(jī)；2、所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：電動(dòng)機(jī)的額定電壓、電流、電磁時(shí)間常數(shù)、機(jī)電時(shí)間常數(shù)、PWM 裝置的開(kāi)關(guān)頻率與放大倍數(shù)；3、按照設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器，之后觀察調(diào)速系統(tǒng)的性能并且對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。工作環(huán)境及技術(shù)條件：計(jì)算機(jī)一臺(tái)，Matlab 軟件，NMCL-型電機(jī)電力電子及電氣傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。工作內(nèi)容及最終成果：1、

3、直流電機(jī)調(diào)速的方法比較及選擇。2、調(diào)速系統(tǒng)反饋環(huán)的選擇。3、PWM 變換器的選擇。4、控制電路的設(shè)計(jì)及 SG3525 芯片的介紹。5、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)。6、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證雙環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能。7、用 Matlab 軟件的 Simulink 工具進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真。8、獲得良好的調(diào)速性能。時(shí)間進(jìn)度安排：1、第七學(xué)期第 6 周第 15 周，查閱資料，完成開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、外文文獻(xiàn)翻譯。2、第七學(xué)期第 16 周第 17 周，開(kāi)題報(bào)告審閱、答辯。3、第八學(xué)期第 1 周第 4 周，查閱相關(guān)資料，并分析可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)工作原理與各個(gè)狀態(tài)。4、第八學(xué)期第 5 周第 7 周，對(duì)確定的電路進(jìn)行軟件

4、仿真，確定相關(guān)參數(shù)。5、第八學(xué)期第 8 周第 11 周，完成對(duì)參數(shù)的測(cè)試和用 MATLAB 中的 Simulink 工具箱來(lái)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，構(gòu)建被控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。6、第八學(xué)期第 12 周第 15 周，測(cè)試調(diào)速系統(tǒng)性能并進(jìn)行完善，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日教研室主任意見(jiàn)：教研室主任簽字： 年 月 日北華航天工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性及知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品或成果。對(duì)本設(shè)計(jì)（論

5、文）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。因本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果歸北華航天工業(yè)學(xué)院所有。本人遵循北華航天工業(yè)學(xué)院有關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的相關(guān)規(guī)定，提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本。本人同意北華航天工業(yè)學(xué)院有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以營(yíng)利為目的的前提下，可以公布非涉密畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部?jī)?nèi)容。特此聲明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 年 月 日摘 要近年來(lái)隨著 PWM 技術(shù)的不斷發(fā)展，其在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)

6、用逐漸地多了起來(lái)。本論文的研究工作便是以脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開(kāi)的，并且分析調(diào)速方案，與調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，然后提出能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行的脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本文在詳細(xì)分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，著重研究了采用脈寬調(diào)制的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。首先對(duì)主電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，由于不同形式的主電路具有不同的調(diào)速性能，因?yàn)槲覀冃枰氖悄軌驅(qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行調(diào)速系統(tǒng)，最終確定采用 H 型的主電路形式。然后設(shè)計(jì)控制電路，由于采用 SG3525 芯片，使得調(diào)速系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中變得簡(jiǎn)單。隨后，通過(guò)應(yīng)用工程設(shè)計(jì)法，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)調(diào)節(jié)器完成了相關(guān)設(shè)計(jì)。最后通過(guò) MATLAB 軟件的 Simulink 工具進(jìn)行了

7、仿真，所得的起動(dòng)制動(dòng)過(guò)程的波形與理論上的是一致的，獲得了令人滿意的調(diào)速性能，并且改變相關(guān)參數(shù)完成對(duì)調(diào)速系統(tǒng)地完善。關(guān)鍵詞 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng) SG3525 工程設(shè)計(jì)法 Simulink AbstractIn recent years, with the continuous development PWM technology, its application in the DC speed control system gradually over again. Research work of this paper is to design PWM speed control syste

8、m is carried out, and the program analyzes the governor, with the regulator design, and then made to achieve a reversible operation PWM speed control system design.Based on a detailed analysis of the double-loop speed control system, focusing on the use of pulse width modulation control method to ac

9、hieve the motor speed control. First, the design of the main circuit for analysis, due to the different forms of the primary circuit has a different speed performance, because we need to be able to achieve a reversible operation speed control system, and ultimately determine the use of the main circ

10、uit in the form of H-type. And then design a control circuit, the use SG3525 chip, making it easy speed control system in the design process. Then, through the application of engineering design method, the speed control system of the two regulators to complete the relevant design. Finally, by the Si

11、mulink tools of MATLAB for simulation, the resulting waveform start braking process is consistent with the theory, get a satisfactory speed performance, and change the parameters to complete the speed control system to improve.Key words PWM DC speed regulating system SG3525 The engineering design me

12、thod Simulink目 錄第 1 章 緒論 .11.1 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況.11.2 本課題國(guó)內(nèi)、外研究應(yīng)用情況.11.3 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義.21.4 課題的建立以及本文完成的主要工作.2第 2 章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) .32.1 現(xiàn)行方案的討論與比較.32.2 PWM 控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) .42.3 選擇 IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件的理由.52.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由.5第 3 章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) .73.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo).73.2 調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)基本矛盾.73.3 調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理.83.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程分析.93

13、.5 可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的總體介紹.113.6 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).143.6.1 PWM 變換器介紹 .143.6.2 泵升電壓限制電路 .183.7 主電路相關(guān)參數(shù).193.7.1 IGBT 的相關(guān)參數(shù) .193.7.2 泵升電路的相關(guān)參數(shù) .203.8 控制電路設(shè)計(jì).203.8.1 PWM 控制器 .203.8.2 SG3525 芯片的特點(diǎn) .21第 4 章 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 .224.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).224.1.1 電流環(huán)的近似處理 .224.1.2 電流環(huán)的數(shù)據(jù)計(jì)算 .234.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).254.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)的處理 .254.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的近

14、似處理 .264.2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)的數(shù)據(jù)計(jì)算 .27第 5 章 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 .305.1 電流環(huán) Simulink 仿真.305.2 轉(zhuǎn)速環(huán) Simulink 仿真.315.3 可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 Simulink 仿真.32第 6 章 結(jié)論 .35致 謝 .36參考文獻(xiàn) .37可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 1 章 緒論1.1 課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況在現(xiàn)今的各行各業(yè)中，很多生產(chǎn)車間中或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地場(chǎng)合下都會(huì)使用電動(dòng)機(jī)，并且如果不使用電動(dòng)機(jī)是無(wú)法生產(chǎn)的，例如發(fā)電廠，地下勘探，制造民用或軍用器械的企業(yè)等。這些產(chǎn)業(yè)中的用來(lái)制造產(chǎn)品的機(jī)器的原動(dòng)機(jī)一般都是直流電機(jī)。那么

15、如果能讓電動(dòng)機(jī)按照人們的需要運(yùn)行，并且還可以改變電動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作時(shí)的特性，這樣能為改變國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)帶來(lái)巨大的好處。 從二十世紀(jì)三十年代到九十年代，如果要想在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的高性能運(yùn)行，那么直流電動(dòng)機(jī)必然是最佳選擇，因?yàn)橛啥ㄗ油D(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是沒(méi)有相互聯(lián)系的與此同時(shí)它們?cè)诜较蛏险?，這樣一來(lái)要控制直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行就會(huì)相對(duì)容易方便，而且其在起動(dòng)時(shí)的所表現(xiàn)出的機(jī)械特性也是不錯(cuò)的，制動(dòng)和調(diào)速性能也能滿足人們的需求。雖然在這幾年來(lái)交流電動(dòng)機(jī)和其他電動(dòng)機(jī)越來(lái)越多的被人們使用，有的電動(dòng)機(jī)的性能甚至超過(guò)了直流電動(dòng)機(jī)，然而到今天為止在一些調(diào)速系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)仍然占有一席之地，例如位置隨動(dòng)控制系

16、統(tǒng)，需要經(jīng)常改變轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)等。不僅是由于它具有很好的線性特性，而且還具有相當(dāng)好的控制性能以及較高的效率等優(yōu)點(diǎn)。用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)速依舊是當(dāng)前比較可靠而且精度最高的調(diào)速途徑。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容就是利用之前所學(xué)的自動(dòng)控制理論和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的工程設(shè)計(jì)法來(lái)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，包括主電路和控制電路的選擇，和對(duì)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，并且通過(guò)設(shè)置調(diào)節(jié)器的不同參數(shù)來(lái)控制調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行性能，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)需要滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，而且需要對(duì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行的近似進(jìn)行檢驗(yàn)。使用NMCL-型電機(jī)電力電子和電氣傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，之后再通過(guò) MATLAB7.0 軟件中的 Simulink 工具對(duì)設(shè)計(jì)的

17、系統(tǒng)進(jìn)行電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)以及整個(gè)電氣電路的仿真以此來(lái)校正系統(tǒng)使其能夠滿足我們的控制要求。1.2 本課題國(guó)內(nèi)、外研究應(yīng)用情況近 30 年來(lái)，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)獲得了迅猛的提高。但技術(shù)革新是永無(wú)止盡的，電力電子技術(shù)一直在向前發(fā)展，那么所生產(chǎn)的元件的性能也都更加優(yōu)良，使得使用直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的調(diào)速性能提供了硬件上的支持，新的電力電子器件正向著高壓，更大的功率，高頻化和智能化的目標(biāo)改革。一些經(jīng)過(guò)技術(shù)改良的電動(dòng)機(jī)中使用了智能功率模塊（IPM） ，那么在使用了這種直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特性將會(huì)更加優(yōu)越，而且它的體積也在不斷地變小。在過(guò)去直流電動(dòng)機(jī)的直流電源是應(yīng)用晶閘管來(lái)整流的，用這種方

18、法在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上具有一定的好處，然而它的控制方式不是很簡(jiǎn)單，并且要求散熱性能要比較好。由于電力電子技術(shù)的不斷更新，應(yīng)用更加方便的全控型的電力電子器件件獲得了相當(dāng)廣泛的使用。因?yàn)?IGBT 在使用中不僅可以控制它的導(dǎo)通而且也可以完全控制的關(guān)斷，它的特性相對(duì)比較好，用全控型器件 IGBT 作為主電路的開(kāi)關(guān)所構(gòu)成的直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的青睞。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)的調(diào)速性能令人滿意，并且在眾多領(lǐng)域中被應(yīng)用，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)速性能和動(dòng)態(tài)性能都是比較良好的。雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)環(huán)節(jié)分別對(duì)調(diào)速系統(tǒng)

19、起著不同的作用，因此我們需要很好的掌握轉(zhuǎn)速電流雙環(huán)系統(tǒng)的控制方法，因?yàn)樗鼘?duì)我們具有非同一般的指導(dǎo)作用。第一，應(yīng)熟悉兩個(gè)環(huán)節(jié)的作用并且知道將其校正為幾型系統(tǒng)；第二，在對(duì)電機(jī)的傳遞函數(shù)進(jìn)行分解后，然后在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)需要考慮電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)要求及整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外來(lái)的擾動(dòng)的抵抗能力，并且通過(guò)觀察起動(dòng)時(shí)的曲線來(lái)分析在起動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)；第三，通過(guò)在課堂上所學(xué)的工程設(shè)計(jì)法與自動(dòng)控制原理中系統(tǒng)校正的方法結(jié)合，就可以知道用雙環(huán)調(diào)速的好處，而且這樣設(shè)計(jì)只需按照規(guī)定的步驟進(jìn)行計(jì)算，具體操作起來(lái)比較容易，理解起來(lái)更加深刻；第四，通過(guò)工程設(shè)計(jì)法對(duì) ACR 和 ASR 進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，完成參數(shù)計(jì)算。之前已經(jīng)掌握了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的相

20、關(guān)知識(shí)，我已經(jīng)熟悉了該調(diào)速系統(tǒng)的在起動(dòng)、加減速、停車以及反向運(yùn)行過(guò)程中的特點(diǎn)，正是由于對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)性能的了解，因此可以知道它的不足的地方，經(jīng)過(guò)不斷地改善所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中不能滿足要求的地方，這樣就可以使系統(tǒng)的性能得以提高，因此也可以適用于各種領(lǐng)域，而且電動(dòng)機(jī)的使用效率也可以得到提高。1.4 課題的建立以及本文完成的主要工作本文主要包括以下內(nèi)容：1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型。2雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計(jì)。3借助 MATLAB 軟件的 Simulink 工具對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正。第 2 章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2.1 現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：1調(diào)節(jié)電

21、樞兩端的電壓 U。在通常的情況下，我們能夠減小供給電動(dòng)機(jī)的電壓，很少增大其供電電壓，這是受電動(dòng)機(jī)的性能所限，那么它的速度就不會(huì)從小往大調(diào)，一般都是轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速方式。這種方法適合于規(guī)定在相對(duì)大小要求來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速的系統(tǒng)，響應(yīng)起來(lái)比較快，可是這樣要求可調(diào)的直流源要有較大的容量。2改變電動(dòng)機(jī)主磁通的 。雖然調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁通能夠完成無(wú)極連續(xù)的調(diào)速，但是我們的調(diào)節(jié)方式只能是降低磁通（即弱磁調(diào)速） ，這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能從額定轉(zhuǎn)速往下調(diào)，屬恒功率調(diào)速方式。Ia變化時(shí)的時(shí)間常數(shù)比 If在調(diào)節(jié)時(shí)的時(shí)間常數(shù)相對(duì)小得多，用這種方式進(jìn)行調(diào)速，動(dòng)作的速度不是很快，然而要求的直流電源的容量也就不大。3改變電樞回路電

22、阻的 R?？梢园央娮璐?lián)在電樞回路的外面，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的大小來(lái)調(diào)速，這樣多需要的設(shè)備不復(fù)雜，實(shí)際控制起來(lái)比較方便?？墒谴娮柚豢梢允怯袠O的并且不平滑的調(diào)速，電機(jī)的機(jī)械特性就會(huì)變軟；若我們不給電動(dòng)機(jī)設(shè)定相應(yīng)的阻礙，來(lái)讓其運(yùn)行那么這種方式對(duì)調(diào)速?zèng)]任何幫助，且增加了系統(tǒng)能量損失。如果調(diào)速系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行性能要求不是很高，可以采用第一種方法進(jìn)行調(diào)速。若采用弱磁調(diào)速的方法，那么系統(tǒng)的調(diào)速范圍就比較小，一般是在調(diào)壓調(diào)速的同時(shí)采用弱磁調(diào)速，使得轉(zhuǎn)速在高于額定轉(zhuǎn)速的不是很大的范圍內(nèi)進(jìn)行加速。如果只要求控制系統(tǒng)能夠在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，那么采用改變電壓大小的方法相對(duì)而言是最適合的。所以，直流電動(dòng)拖動(dòng)的系統(tǒng)一般都

23、是應(yīng)用調(diào)壓調(diào)速的方式。要想調(diào)節(jié)電樞電壓，那么需要給直流電動(dòng)機(jī)的供電電源的大小可以調(diào)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)大小的直流電源經(jīng)常使用的有如下三類：1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。把直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的機(jī)組，用來(lái)獲得可調(diào)的直流電壓。2靜止可控整流器。這種整流器一般有汞弧整流器和晶閘管整流器件兩種，獲得可調(diào)的直流電壓。3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。先用二極管對(duì)交流電進(jìn)行整流，然后把我們所得的脈動(dòng)直流電來(lái)給電動(dòng)機(jī)供電，只要控制全控型開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的打開(kāi)時(shí)間，那么其輸出端的電壓也就也可改變。相對(duì)來(lái)說(shuō)第一類的弊端比較多，汞弧整流器或者類似的半控型控制器的性能則比前者優(yōu)越一些。通常我們將后者稱為離子拖動(dòng)系統(tǒng)。離子拖動(dòng)

24、的方法沒(méi)有旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組那么多的弊端，并且使得響應(yīng)的時(shí)間也變短，然而因?yàn)楣≌髌魃a(chǎn)成本比較高，而且它的體積依然很大，維護(hù)起來(lái)比較費(fèi)事，特別是水銀一旦漏出，不僅環(huán)境會(huì)遭到污染，而且嚴(yán)重危害身體健康。如今，用晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行整流來(lái)獲得直流電源的方法在當(dāng)今依然占據(jù)了大部分?？墒?，晶閘管整流器同樣有它的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在如下的幾個(gè)方面：1由于晶閘管的自身特點(diǎn)決定了它是一種單向?qū)ǖ脑?，因此流過(guò)晶閘管的電流是不會(huì)變成向另一個(gè)方向的，那么如果想要使轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)其實(shí)是比較復(fù)雜的。2當(dāng)晶閘管兩端的電壓或者流過(guò)它的電流亦或這兩個(gè)值的變化率較大時(shí)對(duì)晶閘管器件的影響都比較大，這里面有一個(gè)指標(biāo)超過(guò)允許值

25、都將有可能在較短的短時(shí)間內(nèi)損壞元件，所有一定要有穩(wěn)定的保護(hù)裝置同達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的散熱裝置作保證，同時(shí)保證元件的要有充足的裕量在挑選器件時(shí)也是必須要考慮的，使晶閘管在工作的過(guò)程中更加穩(wěn)定。3晶閘管整流的工作曲線特性在系統(tǒng)中是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，那么，晶閘管可控制整流器可以當(dāng)做是直流電源的感性負(fù)載，吸收滯后的無(wú)功電流，這使得它的功率因數(shù)較低，尤其在深度調(diào)速的情況，這種條件下系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速相對(duì)較小，半控器件的控制角特別大，造成整體的品質(zhì)因數(shù)偏低，而且電路中有很大的高次諧波，電網(wǎng)電壓波形因此會(huì)有變化，影響四周的需要供電的器械。與此同時(shí)，如果用這種方法來(lái)獲得直流電源所占的比例相對(duì)大時(shí)， “電力公害”將會(huì)產(chǎn)生。為了防止這

26、樣的問(wèn)題產(chǎn)生，需要應(yīng)用對(duì)應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置同時(shí)需要濾波和采取高次諧波的抑制措施。4用晶閘管構(gòu)成的橋式電路輸出脈動(dòng)直流電壓，脈沖數(shù)受到交流電源相數(shù)的制約。而且主電路中所帶的負(fù)載如果阻感性不是很大，那么在回路中的電流不會(huì)總是保持連續(xù)的狀態(tài)，于是系統(tǒng)的運(yùn)行特性將會(huì)出現(xiàn)兩種截然相反的狀態(tài)，電流如果連續(xù)那么其機(jī)械特性相對(duì)硬一些，一般還是線性的；斷續(xù)段的機(jī)械特性卻比較軟，同時(shí)也呈現(xiàn)出明顯的非線性。因?yàn)橛幸陨系倪@些因素，那么采用脈寬調(diào)制的變換器來(lái)調(diào)節(jié)電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。2.2 PWM 控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)脈寬控制系統(tǒng)中用單片集成的脈寬控制器 SG3525 作為控制器。SG3525 不僅具有良好的特

27、性，而且通用性較好，能滿足多種應(yīng)用要求。因?yàn)樗?jiǎn)單，可靠和易于使用，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和調(diào)試，因此被廣泛應(yīng)用。PWM 調(diào)速系統(tǒng)的眾多優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下的方面 ：1PWM 調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2開(kāi)關(guān)頻率高，電流實(shí)現(xiàn)連續(xù)更加方便，諧波少，相對(duì)小的損耗和發(fā)熱。3在低速工作的時(shí)候特性依然令人滿意，速度穩(wěn)定時(shí)的精度較高，速度的控制范圍較大，可以有 1：10000 的范圍。4如果電動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度較快，那么用這種方式進(jìn)行控制，無(wú)論是從時(shí)時(shí)控制的角度還是自身抵抗外來(lái)擾動(dòng)的角度來(lái)考慮，都是最佳的選擇。5功率開(kāi)關(guān)器件在導(dǎo)通與關(guān)斷兩種狀態(tài)之間切換，導(dǎo)通時(shí)的損耗比較小，如果開(kāi)關(guān)頻率比較合適時(shí)，開(kāi)關(guān)的損耗也

28、不是很大，所以裝置效率就很好。 6直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速由于具有良好的調(diào)速性能，因而很快被許多場(chǎng)合采用，現(xiàn)如今已經(jīng)成為了一種很受人們歡迎的調(diào)速方法，而且在一些中小容量且要求動(dòng)態(tài)高性較高的系統(tǒng)中基本上能夠完全取代別的調(diào)速方式。從這我們可以看出，變頻調(diào)速這種方式很值得我們?nèi)ド钊氲膶W(xué)習(xí)。變頻調(diào)速方法的種類中，采用 PWM 調(diào)制去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法尤其被人們熟知，這也是我選擇可逆直流脈寬調(diào)速這個(gè)題目的一個(gè)因素。2.3 選擇 IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件的理由IGBT 的優(yōu)點(diǎn)：1IGBT 的開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。2如果電壓是同樣的大小且電流也是額定的，那么 IGB

29、T 的安全工作區(qū)同 GTR的安全工作區(qū)相比比較大，并且受脈沖電流的沖擊能力也較好。3IGBT 的導(dǎo)通后在其上的電壓小于 VDMOSFET 的的導(dǎo)通后在其上的電壓，尤其表現(xiàn)在電流相對(duì)大一些的范圍。4IGBT 的輸入阻抗較高，它的輸入特征與電力 MOSFET 差不多。5同 GTR 和電力 MOSFET 進(jìn)行比較，IGBT 的耐壓能力和通流能力依然能夠進(jìn)行相對(duì)的升高，并且能保證高開(kāi)關(guān)頻率的特性。在 PWM 變換器的許多工作的途徑中，H 型的 PWM 變換器是最多的。這樣的電路具有電動(dòng)機(jī)可以在四象限運(yùn)行、回路電流能夠保持連續(xù)、沒(méi)有摩擦死區(qū)、轉(zhuǎn)速較低時(shí)平穩(wěn)性依然良好等優(yōu)點(diǎn)。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)采用 H 型 P

30、WM 直流控制器為作為系統(tǒng)的主電路。相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)主控電路以及調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行展開(kāi)。2.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由和開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)進(jìn)行比較，閉環(huán)的系統(tǒng)具備很多的優(yōu)點(diǎn)。在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，如果因?yàn)閿_動(dòng)量的出現(xiàn)而使被控量偏離了給定量情況，這有可能是系統(tǒng)的負(fù)載擾動(dòng)或者電壓源所造成的擾動(dòng)，系統(tǒng)都會(huì)馬上進(jìn)行動(dòng)作來(lái)消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。正是因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的輸出量能夠按照給定量去輸出，且能夠消除誤差的益處，所以選擇閉環(huán)系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。反饋量只有速度信號(hào)的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)應(yīng)用比例積分型的調(diào)節(jié)器時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)在穩(wěn)速時(shí)沒(méi)有誤差。可是假如

31、需要控制系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)特性，例如需要電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的過(guò)程中要求有較高的電磁轉(zhuǎn)矩以縮短起動(dòng)時(shí)間，或者增加負(fù)載時(shí)速度的降落要很小等，這時(shí)單閉環(huán)的速度控制系統(tǒng)就不能滿足我們的要求了。其中的原因是，在單環(huán)系統(tǒng)中所控制的電樞電流并不能進(jìn)行直接控制，因此起動(dòng)時(shí)的電樞電流不是很大，這就會(huì)使得起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。此外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)外界的擾動(dòng)的抵抗能力較差，如果電網(wǎng)的電壓有波動(dòng)，只有等到轉(zhuǎn)速升高或者降低之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才會(huì)起作用，這樣一來(lái)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差就會(huì)很大。如果對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行性能有較高的需求，那么應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：一個(gè)是電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)的過(guò)程中要足夠的快；另一個(gè)是外界的負(fù)載擾動(dòng)以及電網(wǎng)電壓的波動(dòng)可以

32、被很快的抑制。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究，我們知道只有在直流電動(dòng)機(jī)能夠以一定的且是最大的電磁轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，也就是電樞電流時(shí)最大時(shí)進(jìn)行起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)才能夠迅速的起動(dòng)，只要保證電樞電流在電機(jī)允許的過(guò)載范圍內(nèi)保持最大值不變，轉(zhuǎn)速以勻加速運(yùn)動(dòng)迅速升到給定值所確定的值，而后回路中電流會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)降低到負(fù)載所需要的電流值的大小。若是希望對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)能夠及時(shí)動(dòng)作，那么電樞電流就需要做相應(yīng)的調(diào)節(jié)。鑒于上述在控制時(shí)都用到了電樞回路的電流值，因此我們同樣將電樞電流作為反饋量進(jìn)行控制，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。第 3 章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)3.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速和電樞電流的要求可以用

33、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能作為指標(biāo)來(lái)衡量。在設(shè)計(jì)時(shí)我們需要考慮調(diào)速系統(tǒng)地各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足我們的需求。那么，我們就需要對(duì)調(diào)速系統(tǒng)地性能指標(biāo)有熟悉的認(rèn)知，這樣對(duì)后期調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)很有幫助。調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)有如下的幾個(gè)方面。其中，調(diào)速范圍和靜差率是系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時(shí)的參考指標(biāo)，跟隨性能和抗擾性能是動(dòng)態(tài)的參考指標(biāo)。調(diào)速范圍 D 電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的最高速度與最低速度的比值，即靜差率 s 靜差率是在理想的空載情況下，負(fù)載變化到額定負(fù)載時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速所降低的部分，同理想空載轉(zhuǎn)速進(jìn)行相除所得到的數(shù)，計(jì)算方法如下靜差率經(jīng)常用來(lái)分析一個(gè)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)是否平滑穩(wěn)定。跟隨性能指標(biāo) 此指標(biāo)用來(lái)反映系統(tǒng)的輸出量跟隨給

34、定輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)。跟隨性能指標(biāo)一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：調(diào)節(jié)時(shí)間 ts，上升時(shí)間 tr，超調(diào)量 ?？箶_性能指標(biāo) 它主要反映了外界的擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)造成的影響的程度，我們可以從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行衡量：一個(gè)是動(dòng)態(tài)降落大小 Cmax%，一個(gè)是恢復(fù)時(shí)間tv。3.2 調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)基本矛盾當(dāng)我們擁有在設(shè)計(jì)中所需要的的各種數(shù)據(jù)后，通過(guò)分析可知在設(shè)計(jì)的過(guò)程中其實(shí)上述的兩項(xiàng)指標(biāo)是相互制約的，即1動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；2起動(dòng)快速性與防止電流的沖擊對(duì)電機(jī)電流的要求互相矛盾。在閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)中如果我們將速度信號(hào)進(jìn)行反饋構(gòu)成單閉環(huán)的控制系統(tǒng)，而且應(yīng)用比例積分型的調(diào)節(jié)器，那么轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)無(wú)

35、靜差，那么第一個(gè)問(wèn)題就不存在了。然而，一般情況下我們不可能只要求轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，我們也希望電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)或者停車的過(guò)程中能夠以較快的加速度加速或者減速，我們同樣也希望在負(fù)載在突然增加時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降落能夠較小，那么如果只采用速度反饋構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)是不能達(dá)到我們的需求的。分析單環(huán)控制系統(tǒng)我們不難看出如果要求電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩能夠在動(dòng)態(tài)過(guò)程中受我們的控制這是不可能的。因此，無(wú)法解決第二個(gè)基本矛盾。一般情況下電動(dòng)機(jī)會(huì)允許電樞電流于其額定的電流值，那么如果電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)或制動(dòng)的過(guò)程中如果能以電流的過(guò)載值進(jìn)行升速或者降速，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到和給定值所對(duì)應(yīng)的值，一旦轉(zhuǎn)速穩(wěn)定了，那么電樞

36、電流就會(huì)迅速的減小，以達(dá)到能夠和相應(yīng)的負(fù)載所匹配，此時(shí)調(diào)速系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)下。如果在單環(huán)系統(tǒng)中要想實(shí)現(xiàn)對(duì)電流進(jìn)行控制，那我們可以采取的措施可以在電路中加入一個(gè)電流截止負(fù)反饋以此來(lái)控制電流的大小，然而中其中依然存在問(wèn)題，那就是唯有當(dāng)回路電流大于臨界電流時(shí)，它才起作用，而且電流截止負(fù)反饋是通過(guò)限定電流過(guò)大防止損壞電機(jī)的原理工作的，而且通過(guò)這種方式進(jìn)行控制所得到的電流波形并不是我們所希望的。如果在只有轉(zhuǎn)速環(huán)構(gòu)成的系統(tǒng)中添加電流截止負(fù)反饋，那么它在起動(dòng)過(guò)程中的情況如圖 3-1 所示。左側(cè)的圖是在實(shí)際的情況下的電流和轉(zhuǎn)速波形，右側(cè)的圖是在起動(dòng)時(shí)我們所希望的情況。圖 3-1 調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的電流波形和

37、轉(zhuǎn)速波形然而如果在電機(jī)起動(dòng)時(shí)只要電流的負(fù)反饋，同時(shí)它的輸入端又不會(huì)和轉(zhuǎn)速環(huán)在同一個(gè)調(diào)節(jié)器上進(jìn)行疊加，并且一旦轉(zhuǎn)速在達(dá)到穩(wěn)定值后，電流負(fù)反饋就失去作用，從而又唯有轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行工作，那么雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)速系統(tǒng)就應(yīng)用而生了。3.3 調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理如果希望轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋單獨(dú)進(jìn)行工作，那么調(diào)速系統(tǒng)中將需要有兩個(gè)調(diào)節(jié)，單獨(dú)用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電樞回路中的電流大小，兩個(gè)調(diào)節(jié)器應(yīng)該是串聯(lián)在一起的。電流調(diào)節(jié)器需要放在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的后面，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的大小決定了后者輸出值的大小，脈寬控制器的觸發(fā)裝置是靠電流調(diào)節(jié)器去控制的。從它的布局上我們可以看出，內(nèi)部的環(huán)節(jié)為電流調(diào)節(jié)器，外側(cè)的環(huán)節(jié)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，我們

38、所說(shuō)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)就是這個(gè)樣子的。因?yàn)槲覀兿Ｍ{(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜特性都能滿足要求，所以在雙環(huán)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器是比例積分型的調(diào)節(jié)器，分析知電流調(diào)節(jié)器能夠輸出的最大值是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器所確定的最大輸出值即限幅值 Unmax來(lái)控制的；脈寬控制器能夠輸出的最大值是由電流調(diào)節(jié)器所確定的最大輸出值即限幅值 Uimax來(lái)控制的，如圖 3-2 所示。轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器都是具有限幅功能的 PI 型調(diào)節(jié)器，那么在調(diào)速系統(tǒng)中的狀態(tài)只會(huì)有兩種，即飽和與不飽和。飽和時(shí)輸出達(dá)到限幅值；調(diào)節(jié)器沒(méi)有飽和時(shí)，限幅值不起作用，此特性對(duì)研究雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。如果一個(gè)調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和狀態(tài)，那么它所輸出的值就不在

39、變化，即使它的輸入發(fā)生了改變，它的輸出量依然是限幅值，此時(shí)這個(gè)環(huán)節(jié)相當(dāng)于是開(kāi)環(huán)，要想使這一環(huán)重新起作用只能是讓它退出飽和而重新構(gòu)成閉環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)，由于調(diào)節(jié)器中具有積分環(huán)節(jié)，因此，在調(diào)速系統(tǒng)處于穩(wěn)定的時(shí)候偏差信號(hào)總是等于零。Un*Un-WASR(s)WACR(s)Ui*Ui-UctUd01/1 sTRl1 STKssId-IdlsTRmnCe1 圖 3-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖3.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程分析如果在起動(dòng)時(shí)要求電樞電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速是按照我們所希望的波形進(jìn)行工作的，那么雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是能夠滿足我們需求的。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在起動(dòng)的過(guò)程里會(huì)出現(xiàn)不飽和到飽和的工作狀態(tài)，根據(jù)這

40、項(xiàng)特點(diǎn)在起動(dòng)時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)三個(gè)歷程，也就是電流增加過(guò)程；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。分析雙環(huán)系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程，我們可以看出恒流升速在這個(gè)過(guò)程中占了很大一部分，于是雙環(huán)系統(tǒng)在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電流值保持為所允許的值實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速處于快速加速的狀態(tài)，這主要是使用限幅的功能，即飽和非線性的特性，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)最好的控制。采用比例積分型的調(diào)節(jié)器必然會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)現(xiàn)象，即在雙環(huán)系統(tǒng)中起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速必然會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。其起動(dòng)過(guò)程波形如圖 3-3 所示。圖 3-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖 3-3 知，可以看出共有三個(gè)階段存在：第一個(gè)階段是電流上升階段。設(shè)定給定信號(hào)為 Un*，在起動(dòng)時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器開(kāi)始動(dòng)作起作用，其中增加的量

41、有電樞電壓、電樞電流和電流調(diào)節(jié)器的給定電壓，等到電樞電流大于負(fù)載所需的電流值時(shí)，電動(dòng)機(jī)就有轉(zhuǎn)速了。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)具有慣性，速度在增加時(shí)不是特別迅速，那么給定電壓與轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)做差的結(jié)果會(huì)很大，這使得速度調(diào)節(jié)器會(huì)有一個(gè)很大的輸入，因而它的輸出不再是線性的而是限幅值，強(qiáng)迫電流 Id迅速上升。等到電樞電流和電動(dòng)機(jī)所允許的最大電流一樣大時(shí)，電流調(diào)節(jié)器的輸入端的給定電壓為其給定電壓的最大值，ACR 中的積分作用使得電樞電流不在增加，此時(shí)意味著可以進(jìn)入下一個(gè)階段了。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在本段時(shí)間內(nèi)從不飽和的狀態(tài)進(jìn)入飽和，但是通常情況下，電流調(diào)節(jié)器是達(dá)不到飽和的，這樣內(nèi)環(huán)才會(huì)有對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。第二個(gè)階段是恒流升速階

42、段。恒流升速階段是以電流增長(zhǎng)到電機(jī)允許的最大電流值為起點(diǎn)，以轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)到我們所需要的值為終點(diǎn)，這一階段占起動(dòng)總時(shí)間的大部分。這個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直都處于飽和狀態(tài)，外環(huán)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)很類似，在這個(gè)過(guò)程里電流調(diào)節(jié)器的輸入端的電壓一直為 Uim*，而且電樞電流也為一定值，于是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速做勻加速運(yùn)動(dòng)，縮短了了系統(tǒng)的起動(dòng)時(shí)間。第三個(gè)階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此階段是以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升速到我們所給定的值大小為起點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋到輸入端的電壓和給定值大小相等，那么它們做差后的結(jié)果即為零，然而由于我們所使用的是比例積分型的調(diào)節(jié)器那么轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值依然是我們所設(shè)置的限幅值的大小，這必然使得電樞電流維持為最大電流，那么

43、轉(zhuǎn)速將會(huì)一直的增加，直到出現(xiàn)了超調(diào)。一旦出現(xiàn)超調(diào)，必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和的狀態(tài)，這是因?yàn)樗妮斎胍呀?jīng)由正值變成了負(fù)值，那么它的輸出值將不再是 Uim*，所以電流調(diào)節(jié)器的輸出值將會(huì)由限幅值開(kāi)始減小，這樣一來(lái)，電路中電流值也將要減小。然而電樞電流的值依然比負(fù)載電流值大，那么這個(gè)過(guò)程里，速度還會(huì)保持不斷地增加。如果電樞電流減小到和負(fù)載電流一樣大的時(shí)候電池轉(zhuǎn)矩也就和負(fù)載轉(zhuǎn)矩一樣大了，此時(shí)轉(zhuǎn)速的加速度為零，那么電機(jī)轉(zhuǎn)速將達(dá)到最大值。從這個(gè)時(shí)間點(diǎn)為起點(diǎn)由于負(fù)載的作用轉(zhuǎn)速不斷的減小，同時(shí)電樞電流會(huì)有低于負(fù)載電流的階段，直到達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有如下三個(gè)特點(diǎn)：1調(diào)節(jié)器出現(xiàn)飽和狀態(tài)不是線性

44、的：因?yàn)樵谡麄€(gè)起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器會(huì)出現(xiàn)飽和并且還會(huì)回到不飽和的狀態(tài)，那么調(diào)速系統(tǒng)就分成非線性狀態(tài)和線性狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和的時(shí)候，外環(huán)相當(dāng)于斷開(kāi)的狀態(tài)，雙環(huán)系統(tǒng)呈現(xiàn)出電流單環(huán)的控制作用，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于非飽和時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器才能構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，并且轉(zhuǎn)速在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)是零誤差的，其中內(nèi)環(huán)相當(dāng)于是一個(gè)跟隨系統(tǒng)，其跟隨量是系統(tǒng)中的電流。不一樣的狀態(tài)下，會(huì)呈現(xiàn)出不一樣的特性。2轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大于額定轉(zhuǎn)速的情況：因?yàn)檗D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)定了限幅值，所以在轉(zhuǎn)速大于給定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，ASR 必然會(huì)再次回到不飽和的狀況。根據(jù)比例積分型調(diào)節(jié)器的工作情況，一旦 ASR 出現(xiàn)超調(diào)，系統(tǒng)的輸入量的差值小于零，這樣轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

45、器重新回到不飽和的狀態(tài)。所以在轉(zhuǎn)速電流雙環(huán)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速在起動(dòng)過(guò)程中一定會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。3相對(duì)時(shí)間滿足要求：分析起動(dòng)波形我們可以看出，第二個(gè)階段在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中的時(shí)間最長(zhǎng)。在這個(gè)過(guò)程中電流值是電動(dòng)機(jī)的最大值，并且一直是不變的，這樣是可以將電機(jī)以最大限度的利用起來(lái)，于是起動(dòng)的整個(gè)時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)比較短。在此過(guò)程中，要保證總的起動(dòng)時(shí)間滿足我們的要求，這個(gè)階段是很重要的，它受最大電流的限制，實(shí)現(xiàn)這樣的控制是最好的。3.5 可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的總體介紹PWM 調(diào)速系統(tǒng)是采用如圖 3-4 的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，其中主電路的 PWM 變換器是用IGBT 組成橋式電路，雙極型的 PWM 變換器是用四只 IGBT 作為開(kāi)關(guān)器

46、件，并且每個(gè)管子上都并聯(lián)上一個(gè)二極管，通過(guò)改變觸發(fā)脈沖的占空比的大小，那么加在電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就會(huì)出現(xiàn)正負(fù)的不同。PWM 電路的控制電路使用集成的芯片 SG3525，同時(shí)還需在電路中加入延時(shí)導(dǎo)通環(huán)節(jié)，即 SG3525 與隔離與驅(qū)動(dòng)之間的部分。測(cè)速發(fā)電機(jī) TG 同軸連接到電動(dòng)機(jī)上，測(cè)速發(fā)電機(jī)所測(cè)得速度通過(guò)速度變換器 FBS 后的轉(zhuǎn)速反饋電壓送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入端同我們所給定的電壓進(jìn)行作差，來(lái)控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出端的大小。為了方便我們進(jìn)行研究電路，為此在主電路中的外面串聯(lián)一個(gè)電阻（圖中的 R2） ，這樣一來(lái)我們用示波器來(lái)觀察 R2 兩端電壓情況，以此我們也就可以知道在主電路中的電流的情況；第二，可以

47、限制電路的電流的大小，有一點(diǎn)的保護(hù)作用。一旦其兩端的電壓比我們事先確定的值大了，那么電路中具有過(guò)流保護(hù)的環(huán)節(jié)就會(huì)起作用，是的 IGBT的觸發(fā)脈沖被封鎖，這樣一來(lái)開(kāi)關(guān)管便不會(huì)被損壞，實(shí)際上這個(gè)電阻就是我們?cè)谇懊嫠f(shuō)的電流截止的作用。圖 3-4 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)電路圖在整個(gè)脈寬調(diào)速系統(tǒng)中我們所用的直流源是用四只二極管整流所得到的脈動(dòng)直流電，通常如果接入的是 220V 的 AC 電源，那么將會(huì)被整成在 300V 左右的 DC 電源，同時(shí)我們還會(huì)在直流源的后面串入一個(gè)電阻用來(lái)保護(hù)主電路不會(huì)因突然的過(guò)大電流而被損壞，即 R1 電阻，電容 C1 的作用是使所得到的直流電平滑一些，電流調(diào)節(jié)器的反饋電壓是這樣

48、得到的，即分別在開(kāi)關(guān)管 2 和 4 的源極下面連接一個(gè)電阻，那么其上面的電壓信號(hào)就可以用來(lái)送到電流的反饋端，同 Uim*進(jìn)行比較。因?yàn)?SG3525 中有振蕩器所以需要外接電阻和電容才能完成它的功能，在圖中即Rd、C2和 C3，我們只需要改動(dòng)它們的值即可在 SG3525 內(nèi)部得到不同頻率的鋸齒波。PWM 波形是這樣產(chǎn)生的，前面的振蕩器制造一定頻率的鋸齒波，我們把它用來(lái)載波，以 Ut來(lái)表示它的大小，而用來(lái)調(diào)制的信號(hào)需要由個(gè)電壓進(jìn)行疊加，即通過(guò)滑動(dòng)變阻器RP 兩端的電壓 Ur和通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器所輸出的電壓 Ug，一般情況下所產(chǎn)生 PWM 波需要先有一個(gè)原始的占空比，它的確定是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻 RP 來(lái)實(shí)

49、現(xiàn)的，但是另一個(gè)信號(hào) Ug相對(duì)而言能夠是大于零也能小于零，這樣一來(lái) PWM 變換器的可以獲得不同值并且正負(fù)不受限制的電壓，如果調(diào)速系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的，就可以將給定電壓直接加到后一個(gè)信號(hào)的位置，在閉環(huán)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器一般為模擬的調(diào)節(jié)器，當(dāng)然數(shù)字式的調(diào)節(jié)器的性能更加的優(yōu)越。為了熟悉兩個(gè)調(diào)節(jié)器的一般設(shè)計(jì)過(guò)程，因此我們選用的調(diào)節(jié)器時(shí)模擬式的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入為所設(shè)置的電壓值，電流調(diào)節(jié)器決定 Ug的大小。SG3525 內(nèi)部具有比較單元，由振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)和需要調(diào)制的信號(hào)在此單元中進(jìn)行比較，如果 Ut比 Ur大，那么芯片輸出的 PWM 波將會(huì)有一個(gè)從低電平向高電平的跳變；如果 Ut比 Ur小，那么

50、芯片輸出的 PWM 波將會(huì)有一個(gè)從高電平向低電平的跳變。在 SG3525 外圍接有鎖存器，這是因?yàn)槿绻贿@樣做，可能會(huì)導(dǎo)致輸出的 PWM 波相對(duì)比較窄。而鎖存器能夠一直保持高電平，直到有下降沿到來(lái)的時(shí)候，它才清除之前的信號(hào)，并且鎖存之后的比較結(jié)果。主電路中，每一個(gè)橋臂上的兩個(gè) IGBT 是并聯(lián)在所整流得到的直流電源上的，并且它們是交替的導(dǎo)通與關(guān)斷，那么需要設(shè)定相應(yīng)的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管并不能瞬間的關(guān)斷。在關(guān)斷的過(guò)程中，每個(gè)需要關(guān)斷的 IGBT 在還沒(méi)有徹底的關(guān)斷時(shí)，導(dǎo)通同一峭壁上的另一個(gè) IGBT，將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè) IGBT 形成通路，那么直流電源就會(huì)被短路。為了防止出現(xiàn)這樣的狀態(tài)，在電路

51、中設(shè)計(jì)了一個(gè)具有延時(shí)功能的 RC 電路。確保需要導(dǎo)通的 IGBT 在需要關(guān)斷的 IGBT 的脈沖被停止 5 微秒后才開(kāi)通?？烧{(diào)節(jié)的 PWM 波是通過(guò)SG3525 的 13 引腳輸出的，并且其占空比為 0.10.9，通過(guò)延時(shí)電路的移相作用，這樣兩個(gè)脈沖的相位相差 180，并且它們的死區(qū)時(shí)間是 5 微秒，然后再通過(guò)光耦的隔離作用，來(lái)控制相應(yīng)的 IGBT 導(dǎo)通與關(guān)斷，這里開(kāi)關(guān)管 1、4 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一樣，另一組 IGBT 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一樣的。雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)是通過(guò) ACR 及檢測(cè)反饋電流的部分組成的，外環(huán)的組成有ASR 及檢測(cè)反饋轉(zhuǎn)速的部分。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速?zèng)]有靜差，ASR 和 ACR 我們都采用 P

52、I 調(diào)節(jié)器。這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動(dòng)保持運(yùn)行在一個(gè)給定的速度。因?yàn)樵陔娐分杏袃?nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)，所以電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)的時(shí)候允許給定值能夠突然增加，而且如果電網(wǎng)電壓有波動(dòng)，那么內(nèi)環(huán)會(huì)快速進(jìn)行動(dòng)作來(lái)抑制這個(gè)擾動(dòng)。如果需要電機(jī)反向運(yùn)行，僅僅改變給定電壓，使它的極性反向就可以了，而且這樣做也不會(huì)出現(xiàn)短路的事故。因?yàn)槿绻妱?dòng)所帶的負(fù)載有所改變，那么轉(zhuǎn)速也會(huì)有相應(yīng)上下起伏，如果負(fù)載變大，那么轉(zhuǎn)速必然要降低，然后轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)速度變換器的傳遞，使得輸入端的反饋值減小，從而使電流調(diào)節(jié)器的輸入與輸出同時(shí)減小，那么 Ug和 Ur疊加后的結(jié)果會(huì)變小，這使得SG3525 所輸出的 PWM 波的占空比變大，那么與正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的 I

53、GBT 的導(dǎo)通時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，電樞電壓 Ud增大，從而轉(zhuǎn)速又會(huì)有所增加。與此相反，如果負(fù)載減小，那么轉(zhuǎn)速必然要增加，然后轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)速度變換器的傳遞，使得輸入端的反饋值變大，從而使電流調(diào)節(jié)器的輸入與輸出同時(shí)增大，那么 Ug和 Ur疊加后的結(jié)果會(huì)變大，這使得SG3525 所輸出的 PWM 波的占空比變小，那么與正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的 IGBT 的導(dǎo)通時(shí)間就會(huì)縮短，電樞電壓 Ud增大，從而轉(zhuǎn)速又會(huì)有所下降。這就是為什么雖然所帶的負(fù)載又增加或者減小的情況，但是電動(dòng)機(jī)依然能夠保持在我們所給定的電壓值所確定的轉(zhuǎn)速而保持一定的原因。 從上面的分析我們知道，可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的形式能夠?qū)崿F(xiàn)我們隊(duì)

54、電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速和電流的要求；相對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)它的機(jī)械特性比較硬，和轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)相比能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)靜差；而且是可以電機(jī)在四象限運(yùn)行的。3.6 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.6.1 PWM 變換器介紹變換器介紹在主電路中應(yīng)用可以改變占空比的 PWM 變換器，而 PWM 變換器又存在與只能一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)之分。由于我們需要的是可逆的調(diào)速系統(tǒng)，所以只研究能夠使電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的主電路形式。T 型和 H 型 PWM 變換器是可逆 PWM 變換器的兩種主要方式，如圖 3-5 是 T 型PWM 變換器的形式，如圖 3-6 是 H 型 PWM 變換器的形式。T 型的 PWM 變換器只需要兩個(gè)全控型器件組成一個(gè)橋臂，然后分別對(duì)并

55、聯(lián)一個(gè)二極管即可，T 型電路需要的器件少，并且原理容易理解，同時(shí)這個(gè)電路本身就存在反饋。一般 T 型 PWM 變換器用在電源值小于 50V 的調(diào)速系統(tǒng)中；然而從其電路的形式可以看出，它要求兩個(gè)電源的值要大小相等且極性相反，與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)管需要能承受雙倍的電源電壓值，如果所加的直流電源是一樣的，那么它能夠輸出的電壓最大值僅為 H 型的二分之一。圖 3-5 T 型 PWM 變換器電路圖 3-6 H 型 PWM 變換器電路在可逆的 PWM 變換器的形式中 H 型變換器是使用最普遍的，H 型的結(jié)構(gòu)是用四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成兩組橋臂，并且用四只二極管進(jìn)行續(xù)流，從圖中可以看出此電路僅用一個(gè)極性的電源就可以了，而且

56、開(kāi)關(guān)管所承受的電壓也不大，H 型電路中的電樞是采用浮地的接法。用不同的方法使電路中的開(kāi)關(guān)器件打開(kāi)和關(guān)斷，我們就會(huì)獲得雙極式和單極式這兩種形式的控制方法。1雙極式可逆 PWM 變換器：圖 4-3 即為雙極式的 H 型脈寬控制器。四個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成兩個(gè)橋臂，開(kāi)關(guān)管 1、2 在一個(gè)橋臂上，開(kāi)關(guān)管 3、4 在另一個(gè)橋臂上。VT1 與 VT4 的控制電壓是一樣的，它們開(kāi)通和關(guān)斷是一塊進(jìn)行的；VT2 與 VT3 的控制電壓是一樣的，它們開(kāi)通和關(guān)斷是一塊進(jìn)行的。并且控制電壓 Ug1Ug4Ug2Ug3，在調(diào)速系統(tǒng)工作的過(guò)程中，每個(gè)控制電壓的周期內(nèi) VT1、VT4 和 VT2、VT3 兩組開(kāi)關(guān)管輪流進(jìn)行工作和停止。

57、因?yàn)榭刂齐妷河姓?fù)兩種極性的變化，所以將這種電路形式稱為雙極式變換器。因?yàn)榭刂齐妷簳?huì)有正負(fù)的變化，所以調(diào)速系統(tǒng)中的電流也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。根據(jù)負(fù)載較重和較輕的不同，其電樞電壓和回路電流的情況如圖 3-7 所示。圖 3-7 雙極式 PWM 變換器電壓和電流波形（a）電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí) （b）電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕時(shí)如果電動(dòng)機(jī)的負(fù)載較重，平均負(fù)載電流較大，在 0tton時(shí)，Ug1和 Ug4為正，VT1和 VT4 飽和導(dǎo)通；而 Ug2和 Ug3為負(fù)，VT2 和 VT3 截止。那么供給電動(dòng)機(jī)的電壓是電源電壓的正值，從圖中我們可以看出此時(shí)的路徑只能是回路 1，所以此時(shí)的機(jī)械特性是位于第一象限。而當(dāng) tontT 時(shí)

58、，Ug1和 Ug4為負(fù)，VT1 和 VT4 截止，Ug2和 Ug3為正，由于電動(dòng)機(jī)是感性的電流不會(huì)馬上反向，它會(huì)通過(guò)由二極管 VD2 和 VD3 所組成的續(xù)流通路進(jìn)行續(xù)流，因此在 VD2 和 VD3 兩端的電壓為正值，這使得 VT2 和 VT3 的因?yàn)槌惺芊聪虻碾妷阂蚨粫?huì)開(kāi)通，此時(shí) UAB=Us，電機(jī)通過(guò)回路 2 進(jìn)行工作。其電流和電壓的波形即為圖 3-7 的 a 圖。當(dāng)電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載較輕時(shí)，電路的總的電流值也較小，在這個(gè)過(guò)程中電樞電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)減小到零，也就是為圖中的 t2時(shí)刻。而且當(dāng) t2tt3時(shí)，VT2 和 VT3 不在承受反向的電壓，此時(shí)加在電樞兩端的電壓為- Us和之前的反電勢(shì)，

59、這使得 VT2 和 VT3 開(kāi)始工作，同時(shí)電流的方向也發(fā)生了給變，回路 3 為其流動(dòng)的路徑，電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。而當(dāng) Ttt4時(shí)，Ug2和 Ug3為負(fù)，VT2 和 VT3 被截止，Ug1和 Ug4為正，由于電動(dòng)機(jī)是感性的電流不會(huì)馬上反向，它會(huì)通過(guò)由二極管 VD1 和 VD4 所組成的續(xù)流通路進(jìn)行續(xù)流，因此在 VD1 和 VD4 兩端的電壓為正值，這使得 VT1 和 VT4 的因?yàn)槌惺芊聪虻碾妷阂蚨粫?huì)開(kāi)通，電機(jī)通過(guò)回路 4 進(jìn)行工作，此時(shí)電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)的情況下。當(dāng)t4tton時(shí)，VT1 和 VT4 開(kāi)始工作，回路 1 為其流動(dòng)的路徑，又開(kāi)始了新的一輪的循環(huán)運(yùn)行，具體的電流波形如圖 3-7

60、 的 b 圖。電動(dòng)機(jī)之所以能夠正反向的轉(zhuǎn)動(dòng)，是因?yàn)榭刂齐娐分锌刂齐妷旱恼伎毡人斐傻?。如果占空比大?50%，即 tonT/2，那么加在電動(dòng)機(jī)兩側(cè)的電壓的平均值就大于零，這樣電動(dòng)機(jī)在第一象限運(yùn)行；如果占空比小于 50%，即 tonT/2，那么加在電動(dòng)機(jī)兩側(cè)的電壓的平均值就小于零，這樣電動(dòng)機(jī)在第四象限運(yùn)行。如果占空比等于 50%，即tonT/2，那么加在電動(dòng)機(jī)兩側(cè)的電壓的平均值就等于零，這樣電動(dòng)機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。雙極式的 H 型 PWM 變換器的所輸出電壓的均值的計(jì)算公式如下：sonsonsondUTtUtTUtTU)12()(1現(xiàn)在我們將定義一個(gè)新的量 Ud/Us， 稱為電壓系數(shù)，那么12TtUUo