雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、交交直直流流調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng) 課課程程設(shè)設(shè)計計學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué) 號： 3126108025 專業(yè)（方向）年級： 電氣工程及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 連愛慶 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電氣工程系2015 年 12 月 20 日目錄目錄 一一 課程設(shè)課程設(shè)計計任務(wù)任務(wù)書書.1.1 二二 課程設(shè)計說明書課程設(shè)計說明書.3.31.1.任務(wù)分析任務(wù)分析.1.1 選擇 PWM 控制系統(tǒng)的理由.1.2 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由.1.3 直流 PWM 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.1.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖.1.5 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形.1.6 H 橋雙極式逆變器的工作原理.1.7 PWM 調(diào)速系

2、統(tǒng)的靜特性.2.2.主電路設(shè)計主電路設(shè)計.2.1 給定基準(zhǔn)電源.2.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計.2.2.1 電流調(diào)節(jié)器.2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器.2.3 控制電路的設(shè)計.2.4 驅(qū)動電路設(shè)計.2.5 轉(zhuǎn)速及電流檢測電路.2.5.1 轉(zhuǎn)速檢測電路.2.5.2 電流檢測電路.3.3.調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定.3.1 系統(tǒng)固有部分的主要參數(shù)計算.3.2 預(yù)先選定的參數(shù).3.3 電流環(huán)的設(shè)計.3.4 速度環(huán)的設(shè)計.4.4.轉(zhuǎn)速及電流檢測環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)速及電流檢測環(huán)節(jié).5.5.電路圖總體設(shè)計電路圖總體設(shè)計.6.6.心得及總結(jié)心得及總結(jié).參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).1一、題目：雙閉環(huán)可逆直流脈寬一、題目：雙閉環(huán)可逆直流

3、脈寬 PWMPWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計二、設(shè)計目的二、設(shè)計目的1、對先修課程（電力拖動自動控制系統(tǒng)、電力電子學(xué)、自動控制原理等）的進(jìn)一步理解與運用2、運用電力拖動自動控制系統(tǒng)的理論知識設(shè)計出可行的直流調(diào)速系統(tǒng)，通過建模、仿真驗證理論分析的正確性。也可以制作硬件電路。3、同時能夠加強(qiáng)同學(xué)們對一些常用單元電路的設(shè)計、常用集成芯片的使用以及對電阻、電容等元件的選擇等的工程訓(xùn)練。達(dá)到綜合提高學(xué)生工程設(shè)計與動手能力的目的。三、系統(tǒng)方案的確定三、系統(tǒng)方案的確定自動控制系統(tǒng)的設(shè)計一般要經(jīng)歷從“機(jī)械負(fù)載的調(diào)速性能（動、靜）電機(jī)參數(shù)主電路控制方案” （系統(tǒng)方案的確定）“系統(tǒng)設(shè)計仿真研究參數(shù)整定直到理論實現(xiàn)

4、要求硬件設(shè)計制版、焊接、調(diào)試”等過程，其中系統(tǒng)方案的確定至關(guān)重要。為了發(fā)揮同學(xué)們的主觀能動作用，且避免方案及結(jié)果雷同，在選定系統(tǒng)方案時，規(guī)定外的其他參數(shù)有同學(xué)自己選定。1、主電路采用二極管不可控整流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)管IGBT 構(gòu)成 H 型雙極式控制可逆 PWM 變換器；2、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器；U*nm=U*im=Ucm=10V3、機(jī)械負(fù)載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,系統(tǒng)飛輪矩（含電機(jī)及傳動機(jī)構(gòu)）GD2=1.5Nm2；4、主電源：可以選擇單相交流 380V 供電；變壓器二次相電壓為 52V；5、他勵直流電動機(jī)的參數(shù)：見習(xí)題集【4-19】 （P96）=1000r/m

5、in，電樞回路總電阻 R=2,電流過載倍數(shù) =2；6、PWM 裝置的放大系數(shù) Ks=11；PWM 裝置的延遲時間 Ts=0.4ms。2四、設(shè)計任務(wù)四、設(shè)計任務(wù)a）總體方案的確定；b）主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計算；c）系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖、主要硬件結(jié)構(gòu)圖；d）控制電路設(shè)計、原理分析、主要元件、參數(shù)的選擇；e）調(diào)節(jié)器、PWM 信號產(chǎn)生電路的設(shè)計；f）檢測及反饋電路的設(shè)計與計算；五、課程設(shè)計報告的要求：五、課程設(shè)計報告的要求：1、不準(zhǔn)相互抄襲或代做，一經(jīng)查出，按不及格處理；2、報告字?jǐn)?shù)：不少于 8000 字（含圖、公式、計算式等） 。3、形式要求：必須按照福建農(nóng)林大學(xué)本科生

6、課程設(shè)計 （工科）的規(guī)范化要求。4、必須畫出系統(tǒng)總圖，總圖不準(zhǔn)徒手畫，電路圖應(yīng)清潔、正確、規(guī)范。未進(jìn)行具體設(shè)計的功能塊允許用框圖表示，且功能塊之間的連線允許用標(biāo)號標(biāo)注。六、參考資料六、參考資料1、電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo) 李榮生主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2004.62、新型電力電子變換技術(shù) 陳國呈 中國電力出版社3、電力拖動自動控制系統(tǒng)，上海工業(yè)大學(xué) 陳伯時 機(jī)械工業(yè)出版社4、電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2000.13雙閉環(huán)可逆直流脈寬雙閉環(huán)可逆直流脈寬 PWMPWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1.任務(wù)分析任務(wù)分析1.11.1 選擇選擇 PWMPWM 控制系統(tǒng)的理由控制系統(tǒng)的理由

7、脈寬調(diào)制器 UPW 采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成 PWM 控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM 系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1） PWM 調(diào)速系統(tǒng)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)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到 1：10000 左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，

8、當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 6） 直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速很快為廣大電動機(jī)用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。 1.21.2 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化） ，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用

9、去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用 PI 控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速4系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過分析

10、發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動，必須使直流電動機(jī)在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時，電動機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.1.3 3 直流直流 PWMPWM 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 1-1系統(tǒng)構(gòu)成原理直流 PWM 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流 PWM 控制系統(tǒng)是直流脈寬調(diào)制式調(diào)速控制系統(tǒng)的簡稱，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于用直流 PWM 變換器取代了晶閘管變流裝置，作

11、為系統(tǒng)的功5率驅(qū)動器，系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1-1所示。其中屬于脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)主要由調(diào)制波發(fā)生器 GM、脈寬調(diào)制器 UPM、邏輯延時環(huán)節(jié) DLD 和電力晶體管基極的驅(qū)動器 GD 和脈寬調(diào)制（PWM）變換器組成，最關(guān)鍵的部件為脈寬調(diào)制器 UPM。1.41.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1-2所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM 裝置。其中脈寬調(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，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)

12、電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計要求。圖 1-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1.51.5 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-3所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程6圖 1-3 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形1.61.6 H H 橋雙極式逆變器的工作橋雙極式逆變器的工作原理原理脈寬調(diào)制器的作用是：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

13、變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。H 形雙極式逆變器電路如圖1-4所示。這時電動機(jī) M 兩端電壓的極性ABU隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。圖 1-4 H 形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個驅(qū)動電壓波形如圖1-5所示。7OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UABUs-Usidid1id2tttttonTtonT圖 1-5 H 形雙極式逆變器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)1423ggggUUUU 時，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時。當(dāng)0ontt 1VT4VT3VT2VTABsUU時，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、onttT 1VT4VT3VT

14、2VTdi2VD續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式 PWM 變換3VDABsUU ABU器的特征，其電壓、電流波形如圖 2 所示。電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機(jī)正2onTtABU轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為2onTt零，則電動機(jī)停止。8雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為21ononondsstTttUUUTTT如果定義占空比，電壓系數(shù)ontTdsUU則在雙極式可逆變換器中 21調(diào)速時，的可調(diào)范圍為 01 相應(yīng)的。當(dāng)時，為正，11 12電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時，為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時，電動機(jī)停1

15、2120止。但電動機(jī)停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機(jī)停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)。雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點：1）電流一定連續(xù)。2）可使電動機(jī)在四象限運行。3）電動機(jī)停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。1.71.7 PWMPWM 調(diào)速系統(tǒng)的靜特性調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較

16、簡單，電壓平衡方程如下 .dsddiURiLEdt(0)ontt dsddiURiLEdt()onttT 按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，dsUUdI/enE C而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成則ddiLdt機(jī)械特性方程式90sddeeeURRnInICCC綜上所述，目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。但是晶閘管整流器也有它的缺點，主要表現(xiàn)在：1） 晶閘管一般是單向?qū)щ娫辉试S電流反向，這給電動機(jī)實現(xiàn)可逆運行造成困難2）對過電壓。過電流

17、等十分敏感，只要一超過允許值都可能在很短的時間內(nèi)損壞元件3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，它對交流電源是一個感性負(fù)載，吸取滯后無功功率，因此功率因素很低，如果它在電網(wǎng)中容量大，將造成“電力公害”4）晶閘管整流裝置的輸出電壓時脈動的，而且脈動數(shù)總是有限的。由于以上原因，選擇脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓直流調(diào)速系統(tǒng)，因為 PWM 調(diào)速系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性：1）PWM 調(diào)速系統(tǒng)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)熱都較小3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá) 1：10000 左右4）如果可以與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動

18、態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(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，開關(guān)損耗也不大，因為裝置效率高。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用 PI 控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為 0，但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。還有單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。2.2.主電路設(shè)計主電路設(shè)計H 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖2-1所示。PWM 逆變

19、器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒0C定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動sU10機(jī)制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓” 。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻 Rz 消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時接通 VTz。圖 2-1 H 橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路主要參數(shù)如下：=1200V =16A =100 CERUcI*CNTCkWPCM9 . 0VUsatCE05. 3)(2.12.1 給定基準(zhǔn)電源給定基準(zhǔn)電源此電路用于產(chǎn)生15V 電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準(zhǔn)電壓，如圖 2-2 所示：圖 2-2 給定

20、基準(zhǔn)電源電路2.22.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計設(shè)計為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進(jìn)行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)11節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對被控量進(jìn)行采樣與測量。2.2.12.2.1 電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號的延遲，在0.001oiTs給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當(dāng)。圖 2-3 含給定濾波與反饋濾波的 PI 型電流調(diào)節(jié)器2.2.22.2.2 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖

21、 2-4 所示，由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù)。根據(jù)和電流sTon005. 0環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖 2-4 PI 型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器122.32.3 控制電路的設(shè)計控制電路的設(shè)計雙閉環(huán)控制電路的工作原理對雙閉環(huán)控制電路的穩(wěn)態(tài)工作原理的分析，可根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。分析穩(wěn)態(tài)工作原理的關(guān)鍵是要了解 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和-輸出達(dá)到限幅值；不飽和-輸出未達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入值的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器

22、暫時隔斷了輸入與輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于是該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)；不飽和的調(diào)節(jié)器，PI 的作用使輸入偏差電壓都為 0。在實際的正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的，因此，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是 0。而當(dāng)轉(zhuǎn)速飽和時，ASR 輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(huán)轉(zhuǎn)態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生作用，雙閉環(huán)系統(tǒng)相當(dāng)于一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，ASR 的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流。PI 調(diào)節(jié)器的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，

23、輸入為 0，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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。這樣的靜特性比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。對其啟動過程的分析，由于在啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退保和三種情況，整個動態(tài)過程就分成 I、II、III 三個階段。第一個階段是電流上升階段。突加給定電壓 U 后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id 都跟著上升，但是在

24、 Id 沒有達(dá)到負(fù)載電流 Idl 以前，電動機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng) Id=Idl，電動機(jī)開始啟動。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值強(qiáng)迫電樞電流 Id 迅速上升。直到 Id=Idm，Ui=Uim，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 Id 的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束，在這一階段中，ASR 很快就進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 一般不飽和；第二個階段是恒流上升階段，是起動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給的那個 Uim 下13的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加

25、速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長，與此同時，電動機(jī)的反電動勢 E 也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E 是一個線性漸增的擾動量。為了克服這個擾動，Udo 和 Uc 也必須基本上按線性增長，才能保持 Id 恒定。當(dāng) ACR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，Id 應(yīng)略低于 Idm，此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中 ACR 不應(yīng)飽和，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也需留有余地，這些都是設(shè)計時必須注意的。第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅

26、值 Uim，所以電動機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR 輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，Ui 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負(fù)載電流 Idl，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 Id=Idl 時，轉(zhuǎn)矩 Te=Tl，則轉(zhuǎn)速 n 才能到達(dá)峰值，此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的不夠好，也會有一段振蕩過程。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR 和 ACR 都不飽和，ASR 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則使 Id 盡快跟隨其給定值，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： 對其動態(tài)抗擾性能的分析，動態(tài)原

27、理圖框圖對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動能夠比較快的反應(yīng)到被調(diào)量 n 上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用被調(diào)量稍遠(yuǎn)，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到及時的調(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。2.42.4 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路中V5起保護(hù)作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護(hù)起控點，以降低過高的保護(hù)閥值從而解決過流保護(hù)閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接

28、在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通。針對EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問題，可將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，保證14軟關(guān)斷的可靠性。針對負(fù)偏壓不足的問題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V，可以采用-8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇

29、受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT.2.52.5 轉(zhuǎn)速及電流檢測電路轉(zhuǎn)速及電流檢測電路2.5.12.5.1 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測電路如圖 2-5 所示。與電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速nU*nU偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，nU還包含轉(zhuǎn)速的方向，測速電路如圖 15 所示，通過調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖 2-5 轉(zhuǎn)速檢測電路2.5.22.5.2 電流檢測電路電流檢測電路通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如

30、圖 2-6 所示。圖 2-6 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，15內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點： 1）可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流； 2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV12kV； 3）電流測量范圍寬，可測量額定1mA50kA電流； 4）跟蹤速度di/dt50A/s； 5）線性度優(yōu)于0.1IN； 6）響應(yīng)時間1s； 7）頻率響應(yīng) 0100kHz。3.3.調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定整定本設(shè)計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要元件主要元件/ /參數(shù)的選擇參數(shù)的選擇1.他勵直流電動機(jī)的參數(shù)：Pnom=3kw，Unom=48V，Inom=3.7A，n=500r/min，電樞電阻 Ra=6.5，電樞回路總電阻 R=8。電樞回路電磁時間常數(shù) Tl=5ms，機(jī)電時間常數(shù) Tm=200ms,電源電壓 Us=60V,給定值和 ASR 、ACR 的輸出限幅值均為10V，電流反饋系數(shù)=0.05V.min/r,電動勢轉(zhuǎn)速比 Ce