直流調(diào)速系統(tǒng)

1、1前言11.1直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 1.1.2研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 11.3本文的研究內(nèi)容2.2 總體方案設(shè)計(jì) 4.2.1方案比較4.2.2方案論證4.2.3方案選擇5.3直流調(diào)速系統(tǒng)6.3.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)63.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理.6.3.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 7.3.1.3動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 8.3.2電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 1 03.2.1雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 1.03.2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 1 13.3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 143.3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 1 4

2、3.3.2起動(dòng)過程分析 1.43.3.3動(dòng)態(tài)抗干擾性分析173.4調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法1.83.4.1PI 調(diào)節(jié)器183.4.2調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法183.4.31型系統(tǒng)與U型系統(tǒng)的性能比較 193.4.4轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 203.5電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì) 203.5.1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 203.5.2調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)214 PWM永寬調(diào)制244.1PWM基本介紹244.2脈寬調(diào)制變換器244.3橋式可逆PWM變換器 265直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 285.1數(shù)學(xué)模型的建立285.1.1寫出平衡方程式、拉普拉斯變換 285.1.2動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 296雙閉環(huán)直流調(diào)

3、速系統(tǒng)仿真336.1仿真模型336.2動(dòng)態(tài)性能分析347結(jié)論348總結(jié)與體會(huì)359謝辭3610參考文獻(xiàn)37附錄一指標(biāo)參數(shù)3.8附錄二外文資料翻譯錯(cuò)誤!未定義書簽/、八1前言1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的發(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)電樞或磁 場回路電阻實(shí)現(xiàn)有級調(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GM系統(tǒng)）， 以后又出現(xiàn)了磁放大器和汞弧整流器供電等，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技 術(shù)，隨著電力電子和電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了直流傳動(dòng)的無接

4、點(diǎn)控制。由直流電動(dòng)機(jī)的 速度和輸入電壓的使用特點(diǎn)已通過調(diào)整直流電流或汞弧整流器觸發(fā)階段獲得可 變直流電壓供電的直流電動(dòng)機(jī)，所以容易實(shí)現(xiàn)速度之間的激勵(lì)原理簡單的比例關(guān) 系。然而，這種方式后來州長可控整流直流電源供應(yīng)速度控制系統(tǒng)所取代，已不再使用?？煽毓?957年后，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高， 在20世紀(jì)，作為一個(gè)主流高速傳輸很長一段時(shí)間。今天是逐步推廣計(jì)算機(jī)控制 的全數(shù)字直流調(diào)速精度高，速度控制控制系統(tǒng)的使用范圍廣泛，代表了直流電氣 傳動(dòng)的發(fā)展方向。之所以多年后的直流驅(qū)動(dòng)器，工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展仍然被廣泛使用， 關(guān)鍵是一個(gè)簡單的手段來實(shí)現(xiàn)高性能。例如，該系統(tǒng)穩(wěn)定的速度最高為每萬件穩(wěn)

5、 速精度，寬轉(zhuǎn)速1:1萬或更多的速比控制系統(tǒng)數(shù)萬，快速響應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短 到幾毫秒或更少。在實(shí)踐中，作為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械的主要設(shè)備能源電動(dòng)汽車， 二是生產(chǎn)機(jī)器的 基礎(chǔ)上應(yīng)該能夠控制和管理的技術(shù)要求電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。如何電機(jī)的速度控制性 能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和節(jié)約能源有直接的，決定性的影響。因此， 速度控制技術(shù)一直是研究的重點(diǎn)。性能優(yōu)越的直流調(diào)速掩蓋由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程過程中廣泛使用的缺點(diǎn)。減直流電動(dòng)機(jī)在額定速度運(yùn)行，以保持恒定勵(lì)磁電流，該方法可用于改變電樞電壓來 實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩速度高于額定速度運(yùn)行，晶閘管相控裝置的問世使用可變直流電源已 經(jīng)由直流傳動(dòng)為主。電力電子技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)展及可控硅系統(tǒng)

6、具有良好的動(dòng)態(tài)性 能，以保持恒定電樞電壓可以用來改變的方法來實(shí)現(xiàn)恒功率勵(lì)磁傳輸速度。直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，它必須有較高的機(jī)械和電氣能量轉(zhuǎn)換效率， 具有良好的功能，很長 一段時(shí)間控制，直流調(diào)速控制系統(tǒng)已被壟斷，其中雙回路直流直流調(diào)速控制系統(tǒng) 是在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)定性好，速度穩(wěn)定， 精度高，無論在理論和實(shí)踐更加成熟的體系，拖動(dòng)領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要的作用。80年代以來，直到深夜才在工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng) 19世紀(jì)19世紀(jì)多年來一直用于 直流電動(dòng)機(jī)的唯一途徑。19世紀(jì)，出現(xiàn)了三相電源，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用交流 電動(dòng)機(jī)籠后無調(diào)速交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器取代。 但是，隨著生產(chǎn), 變速

7、驅(qū)動(dòng)器的速度不斷發(fā)展，在很多現(xiàn)代應(yīng)用，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，滿足基本要求的 同時(shí)一定的速度范圍，連續(xù)（無級）的速度，我們還必須有持續(xù)穩(wěn)定和良好的瞬 態(tài)性能。雖然直流電機(jī)，以滿足這些要求，但由于直流電動(dòng)機(jī)容量，體積，重量, 成本，生產(chǎn)操作和維修交流電動(dòng)機(jī)不長的人一直渴望， 而不是利用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng)器馬達(dá)。從60年代起，國外對交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制已開始重視。特別是功率 半導(dǎo)體器件的發(fā)展做出了使用半導(dǎo)體技術(shù)交流轉(zhuǎn)換器的速度控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 的。特別是70年代以來，現(xiàn)代控制理論的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用創(chuàng)造 了交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各類有利條件： 如串級調(diào)速控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)，無換向 器電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如矢量控

8、制和快速發(fā)展。交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，目前已經(jīng)有一個(gè) 很寬的速度范圍，高穩(wěn)速精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，效率高，可四象限運(yùn)行和制動(dòng)，其 靜態(tài)特性已與DC相媲美的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已。在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的國際交流，許多 國家已進(jìn)入實(shí)用階段行業(yè)，多以取代直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的勢頭。1.2研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的性能，最廣泛使用的直流馬達(dá)， 轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的速度商品的特定質(zhì)量調(diào)節(jié)特性。 速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制律， 性能特點(diǎn)以及交流和直流電源驅(qū)動(dòng)的 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法品種的重要基礎(chǔ)。 首先，應(yīng)該有速度和電流雙閉環(huán)直 流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成部分

9、及其靜態(tài)特性；然后，在動(dòng)態(tài)模型的系統(tǒng)從一開始免 疫的基礎(chǔ)上，建立和它的性能和速度的兩個(gè)方面與目前的兩個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的作用， 三是工程設(shè)計(jì)方法的基本調(diào)節(jié)，古典控制理論，動(dòng)態(tài)校正方法，推導(dǎo)出了設(shè)計(jì)方 法，即計(jì)算簡單的優(yōu)點(diǎn)，方便，易于掌握；第四，應(yīng)用工程解決方案，以兩環(huán)速 度控制兩個(gè)監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，等等。以速度，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制，使我們能夠更好地理解黨的基本 控制系統(tǒng)理論及相關(guān)內(nèi)容，其各種性能更好的了解，而該部找到了系統(tǒng)的完善不 足的缺陷，能改善該系統(tǒng)的性能，使其能適用于各種工作環(huán)境，并提高其效率。 并在此基礎(chǔ)上，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，并最終掌握了交流和直流調(diào)速控制 系統(tǒng)的各種原則，以便

10、能在國民經(jīng)濟(jì)各生產(chǎn)領(lǐng)域。1.3本文的研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)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，而且詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。利用 MATLAB寸系統(tǒng)進(jìn)行 了各種參數(shù)給定下的仿真，之后按照自動(dòng)控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參 數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。本設(shè)計(jì)的主要工作：1. 掌握電機(jī)傳動(dòng)的工作原理及應(yīng)用；2. 設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)；主要內(nèi)容包括：(1) 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；(2) 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；(3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；(4) 建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算其參數(shù)；(5) 進(jìn)行數(shù)字仿真，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)；(6) 完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。2總體方案設(shè)計(jì)2.1方案比較方案一：單閉環(huán)

11、直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在電動(dòng) 機(jī)軸上裝一臺測速發(fā)電機(jī)，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓 Uf與給定電壓Ud比較后， 得偏差電壓AU，經(jīng)放大器FD產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF的控制電壓Uk，用以控制電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速，如圖2.1所示。圖2.1方案一原理框圖方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán) 節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè) 置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回 路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)電流調(diào)節(jié)器；ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)，稱為雙閉 環(huán)調(diào)

12、速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路 中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)做ACR的輸入，再由ACR得輸出 去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè) 調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的 PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù) 反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如圖 2.2所示。2.2方案論證方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時(shí)整流電路的脈波數(shù)m =2, 3, 6，12,其數(shù)目總是有限的，比直流電機(jī)每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少很多。因此，除非主電路電感L=x,否則晶|、（1）脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利，（2）脈動(dòng)電流（斜波電流）流入電 源

13、，對電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā) 揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，把交流分量引到運(yùn)算放大器輸入端， 不僅不起正常 的調(diào)節(jié)作用，反而會(huì)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成放大器局部飽和， 從而破壞系統(tǒng)的 正常工作。方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的 可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足， 既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí) 也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過程。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直 流分量外，還含有交流分量。在啟動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳 過渡過程，很好

14、的實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)需求。2.3方案選擇1. 在單閉環(huán)速度控制信號采用多種系統(tǒng)集成的穩(wěn)壓器，參數(shù)相互影響，是難 以監(jiān)管機(jī)構(gòu)調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的動(dòng)態(tài)參數(shù)，是不好的。電流切斷在系統(tǒng)中使用， 以限制負(fù)反饋循環(huán)，啟動(dòng)電流，電機(jī)過載不能最快的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，即是最好的過渡 充分利用。2. 雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)不僅可以加速無靜電錯(cuò)誤，有一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)性能。 理想在電機(jī)快速起動(dòng)電流下的最大允許限度的調(diào)解下，利用力矩電機(jī)超負(fù)荷充分 利用，目前仍然在過渡期間（扭矩）是最大允許，使電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠啟動(dòng)的最大 加速度，穩(wěn)定的速度，從而使電流下降，立即讓曾經(jīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，而進(jìn)入穩(wěn) 定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在主回路電感的作用，電流不能突變，但閉環(huán)

15、系統(tǒng)在雙負(fù)反饋的使 用可以近似恒流當(dāng)前進(jìn)程。為了計(jì)算對過程的理想，克服了一個(gè)缺點(diǎn)控制器的輸入，最好的辦法是調(diào)整 速度的集成幾個(gè)信號，并通過調(diào)整兩個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)，目前的金額分別控制輔助進(jìn)行 了調(diào)整，速度和電流，構(gòu)成了速度和電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。因此，這為最終 規(guī)劃設(shè)計(jì)方案二。3直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)是人為或自動(dòng)改變直流電動(dòng)機(jī)達(dá)到所需的機(jī)械的工作速度。從機(jī)械性能角度來看，那個(gè)或通過改變外加電壓電機(jī)的參數(shù)等方法來改變電動(dòng)機(jī)的 機(jī)械性能，從而改變的力學(xué)性能和電機(jī)的工作特性是力學(xué)性能的交集電機(jī)的速度 變化的穩(wěn)定運(yùn)行。3.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo)一個(gè)速度的任何設(shè)備控制的需要，對生產(chǎn)過程的控制性能

16、有一定要求。例如， 精密機(jī)床的加工精度要求幾十微米到數(shù)微米；重型機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)要求的速度，最 高和最低差近300倍寬的范圍；初軋機(jī)軋輥的幾千千瓦的電動(dòng)機(jī)容量不有1的時(shí)間來完成從現(xiàn)在的進(jìn)程，扭轉(zhuǎn)。第二；高速紙機(jī)造紙速度1000m/min ,需要穩(wěn)定的速度誤差小于 0.01 %。作為一個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所有這些要求，可 以轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。3.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)具有良好的效果，制動(dòng)性能，適當(dāng)?shù)乃俣绕椒€(wěn)廣泛，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，是一個(gè)電氣傳動(dòng)自動(dòng)化與控制系統(tǒng)更普遍的應(yīng)用。 這是

17、 在理論上，實(shí)踐，比較成熟，但也從閉環(huán)控制的角度是，它也是外匯管理制度的 基礎(chǔ)。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，由可控硅所以直流電機(jī)（ VM）中的直 流調(diào)速控制系統(tǒng)組成，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（3 ）表示：(3-)U IR nKe式中n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；u電樞供電電壓；R電樞回路總電阻；I 電樞電流；K e由電機(jī)機(jī)構(gòu)決定的電勢系數(shù)。在上式中，Ke是常數(shù)，電流I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）減弱勵(lì)磁磁通 ；（2）改變電樞回路電阻R；（3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。在為所需的順利

18、無級調(diào)速控制系統(tǒng)， 例如一定范圍內(nèi)，以規(guī)范的方式，最好 的電樞電壓。抵制變革的速度只能達(dá)到調(diào)整，超過了小范圍的弱磁勵(lì)磁磁通減少， 即使它可以平穩(wěn)速度控制，但往往只是與監(jiān)管方案的速度范圍小，在基本速度（額 定轉(zhuǎn)速），升速度。因此，直流電機(jī)調(diào)速自動(dòng)控制趨于改變主電壓。3.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)根據(jù)機(jī)械一般可控制系統(tǒng)的所有要求概括為各種典型的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)速 度指標(biāo)。該指標(biāo)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)啟動(dòng)，制動(dòng)速度快，平穩(wěn)，并具有良好的抗干擾， 靜電的傳輸速度自動(dòng)控制系統(tǒng)的最大速度，最小速度在調(diào)整速度范圍，并在不同的工作速度要求的指標(biāo)，速度和穩(wěn)定性。是該系統(tǒng)的干擾是穩(wěn)定運(yùn)行的速度， 應(yīng) 該是獨(dú)立的負(fù)載變化和

19、電源電壓波動(dòng)和其他因素。一、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nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D表示：nmaxD 二（3-）nmin（2）靜差率ned與理想空載轉(zhuǎn)速no之比，用百分?jǐn)?shù)表示為100% % " 100%(33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)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落n°n°顯然，機(jī)械特性硬度越大, 高。ned越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。

20、兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的。對于圖 3.1中的線1和線2,它們有相同的轉(zhuǎn)速降落差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(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no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3.1可見，對一個(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。事實(shí)上，速度范圍以及這兩項(xiàng)指標(biāo)靜態(tài)誤差率并不孤立于對方， 而且還必須 提供有意義的。速度速度控制系統(tǒng)的范圍是定義在靜態(tài) SLIP最低速度能滿足所 提出的要求，速度

21、可調(diào)范圍為時(shí)間。出的速度范圍，以滿足給定的靜態(tài)滑也容易 得多，在轉(zhuǎn)身對任何控制系統(tǒng)的要求靜態(tài)防滑，可以得到非常高的速度范圍。3.1.3動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求經(jīng)折算和量化后可以表達(dá)為動(dòng)態(tài)性能 指標(biāo)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對給定信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動(dòng)輸 入信號的抗擾性能指標(biāo)。一、跟隨性能指標(biāo)條件可以用來描述以下性能指標(biāo)。當(dāng)信號的表示沒有給予同樣的時(shí)間， 輸出 響應(yīng)是不一樣的。通常情況下，初始輸出值為零，在給定的信號過渡進(jìn)程中的一 個(gè)階躍變化后，作為一個(gè)典型的，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)也被稱為階躍響應(yīng)的進(jìn)程。 一般希 望在階躍響應(yīng)中輸出量c(t)與其穩(wěn)態(tài)值CX的偏差越小越好，CX

22、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：在給定信號(或稱參考輸入信號)R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情。(1) 上升時(shí)間tr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 c所經(jīng) 過的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖3.2。（2）超調(diào)量%在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中, 比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量：輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之c c-jmax100%c(3-)超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。 應(yīng)比較平穩(wěn)。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響（3）調(diào)節(jié)時(shí)間ts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。

23、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。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到t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5%或2%的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí) 間，可見圖3.2。二、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3.3。常用的抗擾性能指標(biāo)為動(dòng)態(tài)降落和恢復(fù)時(shí)間：（1）動(dòng)態(tài)降落Sax %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 "ax

24、%叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 c i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c 2，（c 1-c 2），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cJ匸8L Fr ：.LJLi1i«0ttf*1r圖3.3抗性動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)降落nmax % o（2）恢復(fù)時(shí)間tf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C 2之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量C的5%（或2%）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間tf，其中C 稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。實(shí)際系統(tǒng)中對于各種動(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

25、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。3.2電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析3.2.1雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流參考電壓到電流調(diào)節(jié)器， 然后才等于最大電流上 升時(shí)間對于一個(gè)不斷給定的電機(jī)電流最大速度值的最大啟動(dòng)。兩者之間實(shí)行嵌套連接，電機(jī)最大電流（堵轉(zhuǎn)電流）可以通過設(shè)置調(diào)整的變化幅度的輸出速度的限 制。在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定的速度，速度控制器的輸入錯(cuò)誤信號減少到接近零， 速 度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器飽和退出，閉環(huán)發(fā)揮調(diào)節(jié)。電流調(diào)節(jié)器來修復(fù)觸發(fā)相電壓， 整流輸出直流電壓和電機(jī)速度校正偏差補(bǔ)償相應(yīng)的修改時(shí)間。另一個(gè)很小的常 數(shù)，而且還因?yàn)楣β孰姍C(jī)電樞電流調(diào)節(jié)電

26、流調(diào)節(jié)器的快速變化波動(dòng)的時(shí)候，一直沒有時(shí)間在改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使電流恢復(fù)到原來的價(jià)值，所以我們的速度更良 好穩(wěn)定的速度運(yùn)行。322雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在此則以給定值的電流調(diào) 節(jié)器輸出信號的轉(zhuǎn)變，在直流電壓和電流的快速增加，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。如圖 3.4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，速度由負(fù)載引起的波 動(dòng)，速度控制器的輸入信號將產(chǎn)生錯(cuò)誤隨時(shí)由速度調(diào)節(jié)器，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

27、外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)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 測速發(fā)電機(jī)，TA 電 流互感器，UPE 電力電子變換器，Un 轉(zhuǎn)速給定電壓，Un 轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui 電流給定電壓，Ui 電流反饋電壓。二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析靜態(tài)特性分析，關(guān)鍵是掌握穩(wěn)定狀態(tài) PI調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)，所以一般有兩個(gè)條 件：飽和-限制輸出幅度，不飽和-輸出幅度不符合限制。當(dāng)調(diào)整飽和度，輸出 是恒定值，輸入變化沒有影響輸出，除非有一個(gè)反向輸入信號，在退出飽和度調(diào) 節(jié)，換句話說，監(jiān)管機(jī)構(gòu)暫時(shí)切斷飽和輸入和輸出連接調(diào)整環(huán)相當(dāng)于開環(huán)。當(dāng)不飽和穩(wěn)壓器，PI的失調(diào)電壓 U輸入的作用是在穩(wěn)定狀態(tài)下的

28、總零。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，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況圖3.5雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖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，Un Unnno(3-)UjUjId(3-6)由第一個(gè)關(guān)系式可得：Unn-n。(3-7)從而得到圖3.5所示靜特性曲線的CA段。與此同時(shí)，由于 ASR不飽和， Uj Uim可知Id Idm，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的ld=O 直延 續(xù)到Id Idm。而Idm，一般都是大于額定電流I dm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)

29、器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值Um，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(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)：IdUmI dm(3-)其中，最大電流Idm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，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適 合于n no的情況，因?yàn)槿绻鹡 n°,則Un Un，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Idm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Idm時(shí)，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出Uim，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

30、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3.6中虛線。%UIdn.圖3.6雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性三、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：UcUn Un n noUi UiIdUd0KsCe n Id RKs(391 dlCe UnIdi R(3-0)Ks(3-1)述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n是由給定電壓Un*決定，ASR的輸出量U

31、i*是由負(fù)載電流Idi決定的，而控制電壓Uc的大小則同時(shí)取決于 門和心或者說, 同時(shí)取決于Un*和Idi。一體化的動(dòng)態(tài)過程調(diào)節(jié)器的輸入輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)而定， 輸入為零時(shí)，輸出的穩(wěn)態(tài)值無關(guān)，與輸入，但其需要所決定的后半部。有價(jià)證券 投資背后的需要調(diào)節(jié)提供多少產(chǎn)值，它可以提供多少，直至飽和，增長。鑒于這 一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，閉環(huán)穩(wěn)態(tài)參數(shù)是一個(gè)單一的靜態(tài)誤差系統(tǒng)的計(jì)算 是完全不同的，但與靜態(tài)和非穩(wěn)態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的不同類似，按照監(jiān)管機(jī)構(gòu)與該反饋值給出的反饋系數(shù)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) :Unm / n max ；電流反饋系數(shù)：U im / 1 dm ；兩個(gè)給定電壓的最大值U nm、Uim由設(shè)計(jì)者給定，受運(yùn)算

32、放大器允許輸入 電壓和穩(wěn)壓電源的限制。3.3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3.3.1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，這里僅作簡單介紹，具體的內(nèi)容將在第四章內(nèi)加以說明。 全控式整流在穩(wěn) 態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓Ua。的關(guān)系為：Ua0 AU 2 cosU2 COS(KU ct)(312)其中：A整流器系數(shù)；U2 整流器輸入交流電壓；a整流器觸發(fā)角；U ct 觸發(fā)器移項(xiàng)控制電壓；K 觸發(fā)器移項(xiàng)控制斜率；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：K U a0 / Uct

33、繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖3.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.3.2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Ugn由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓Ugi、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓Uk、可控整流器輸出電壓Ud、電動(dòng)機(jī)電樞電流la 和轉(zhuǎn)速n的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形過程如圖3 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、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、 U、 川三個(gè)階段。第一階段是電流上升階段。當(dāng)突加給定電壓 Ugn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)（n=0）,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn 0，這時(shí)，Un Ugn U fn 很大，使ASR的輸

34、出突增為Ugi0，ACR的輸出為Uk0，可控整流器的輸出為Ud0， 使電樞電流la迅速增加。當(dāng)增加到la Il （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)到限幅值Ugm，從而使電樞電流達(dá)到所對應(yīng)的 最大值Uam （在這過程中Uk,Ud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：U gim U fi 1 am（3 3）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 lam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，穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速等于給

35、定值ng，電樞電流la等于負(fù)載電流l L，開始時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓 Ugn與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Ufn相平衡，輸入偏差 Un等于零。但其輸出卻由于積分 作用還維持在限幅值Ugim, 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la保持恒定值lam，這就要求Uk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。 所以電動(dòng)機(jī)仍 在以最大電流lam下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。超調(diào)后，Ufn 0, Un 0，使ASR退出 飽和，其輸出電壓（也就是 AC

36、R的給定電壓）Ugi才從限幅值降下來，Uk與Ud 也隨之降了下來，但是，由于la仍大于負(fù)載電流Il，在開始一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍 繼續(xù)上升。到la Il時(shí)，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，即系統(tǒng)的加速度 dn/dt為恒值，所以轉(zhuǎn)速n按線性規(guī)律上升，由Ud lamR Cen知，Ud也線性 增加，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la盡快地跟隨ASR輸出Ugi的變化圖3.8雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電壓、電流、轉(zhuǎn)速波形有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為：Ugi Ufi

37、Il(3-4)ACR的輸出電壓為：UCeng IlR(3-5)U kkKs從以上我們可以看到，系統(tǒng)的性能，然而，由于啟動(dòng)過程中的I,u兩 個(gè)基因突變在目前階段不能真正開始起動(dòng)的進(jìn)程的進(jìn)程較理想有一些差距基 本能實(shí)現(xiàn)理想的過程。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)必須具有反應(yīng)速度過沖和過沖之 后才，速度控制器退出飽和，因此，當(dāng)在穩(wěn)定運(yùn)行 ASR的調(diào)節(jié)作用發(fā)揮非常 接近穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行表明沒有靜態(tài)錯(cuò)誤的速度。因此，雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng) 具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)?？傊?，雙回路高速啟動(dòng)過程的控制系統(tǒng)具有以下三個(gè)特點(diǎn)：（1）飽和非線性控制：與 ASR的飽和和不飽和，整個(gè)系統(tǒng)是完全不同的兩 個(gè)國家，在不同情況下表現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的線

38、性系統(tǒng)，而是利用亞線性的方法來 分析，不能只需使用一般的線性控制理論來設(shè)計(jì)這種控制系統(tǒng)。（2）速度過沖：當(dāng)采用PI調(diào)節(jié)器的ASR速度控制器，轉(zhuǎn)速勢必沖。速度一 般稍微沖沖允許完全允許的情況下，其他控制方法應(yīng)該被用來鎮(zhèn)壓過沖。（3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制：該裝置可在最短的時(shí)間控制的條件下可能被稱為最優(yōu)控制”的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)過載限制下允許恒定電流啟動(dòng)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 開始在大部分時(shí)間的過程，在一個(gè)飽和的狀態(tài)限制器的ASR，速度環(huán)相當(dāng)于打開恒流穩(wěn)壓電路，是時(shí)間最優(yōu)控制。但是這一次只有兩個(gè)很小的啟動(dòng)時(shí)間 全部the成分，不傷大局，可稱為 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。”利用飽和非線性控制方 法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)最優(yōu)控制是一個(gè)非常

39、實(shí)用價(jià)值的控制策略在多回路控制普遍采用多種。333動(dòng)態(tài)抗干擾性分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是比較滿意的動(dòng)態(tài)性能，速度控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)性能是最重要的抗干擾性能。主要是針對負(fù)載干擾和反干擾電網(wǎng)電壓。1. 抗負(fù)載擾動(dòng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)可以看出，負(fù)載擾動(dòng)后，電流環(huán)，因此，只能依 賴于速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生反ASR的負(fù)載擾動(dòng)的影響。在ASR的設(shè)計(jì)應(yīng)具有較好的免疫所需的性能。2. 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)電網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)也產(chǎn)生變化的干擾。 如圖2-7雙回路系統(tǒng)，由于內(nèi)部電流回路 此外，電壓波動(dòng)可更受電流反饋控制及時(shí)， 沒有等到它影響的反饋速度回來了好 多擾等待性能。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)，電壓波動(dòng)引起的速度的動(dòng)態(tài)變化會(huì)

40、小得多。3.4調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法3.4.1PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如下圖所式:圖3.9 PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖由圖可得：(3-6)Uex RlUin UMt心幾-UdtRoR0C1pKpi: 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： w Kpi3.4.2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. 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

41、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)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。3.4.3 I型系統(tǒng)與U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：

42、mK ( jS 1)W(s) (3-17)sr (TjS 1)j i(3-8)根據(jù)W(s)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、I型、U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，而川型及川型以上的系統(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I型、U型系統(tǒng)，典型的I 型、U型系統(tǒng)其開環(huán)傳遞函數(shù)為s(Ts 1)(3-9)W(s)W(s)s (Ts 1)典型I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U型系 統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些，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)被控對象的傳遞函數(shù)如式(4):叫切(s)1s(2s 1)(3 2

43、0)若欲將系統(tǒng)校正成I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U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 除被控對象的一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，故調(diào)節(jié)器采用如式(5)的PI調(diào)節(jié)器。3.4.4轉(zhuǎn)速-電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定一般說來典型I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U型系統(tǒng)的超調(diào)量相對要大一些而抗擾性能卻比較好。所以一般電 流環(huán)多設(shè)計(jì)為I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U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)Ts和電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi 一般都比電樞回路電磁Ti小

44、很多,可將前兩者近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取T i Ts G。這樣，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，經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后，電流環(huán)的控制對象是一個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)，要將其設(shè)計(jì)成典型I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)的被控對象形如式(2)。如前所述，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成 U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：s 1W(s) K( 3t21)s3.5電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì)3.5.1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n很快的跟隨給定電壓 Un*的變化；穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差

45、，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差；(2) 對負(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Ui （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；（2）對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；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，基于此，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 ，從而加快動(dòng)態(tài)過程； 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)作用對系 統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是

46、十分重要的。3.5.2調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù) 據(jù)如下：1. 晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks 302. 電樞回路總電阻：R=0.18Q3. 時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)T 0.012s機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm 0.12s4. 調(diào)節(jié)器輸入電阻R。20k設(shè)計(jì)指標(biāo)：靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；i%5% ;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量15%。計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù):UmInU nmnn1510000.015V /(r/min).電流環(huán)的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts0.0017s ；（見附錄表一）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi 0.002s （三相

47、橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是 3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有(12) Toi 3.33ms，因此取Toi2ms 0.002s )電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和按小時(shí)間常數(shù)近似處理T i Ts Toi 0.0037s。(Ts和J 一般都比Ti小得多，可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié))(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：i% 5%，且衛(wèi) 012 2.86 10,可按典型I型設(shè)計(jì)T i 0.0042PI型的.電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成檢查對電源電壓的抗擾性能:竺空3.24 100.0037s由附錄表二，各項(xiàng)指標(biāo)可接受。(3) 選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常

48、Ti0.012s ; 電流環(huán)開Ki0.5T ii去=135*，ACR的比例系數(shù):KiKi占的 °.°12。180.37 oKs30 0.026(4) 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率ciKi 135.1s 1，晶閘管傳遞函數(shù)近似條件：ci13Ts ，1 13TS 3 0.0017S196.1135.1，滿足近似條件;忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)影響的條件：ci3二 3小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：1 13； 0.0017 0.0025161.69sci，滿足近似條件電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為: 二速度環(huán)的設(shè)計(jì)(1) 確定時(shí)間常數(shù)%4.3% 5%，也滿足設(shè)計(jì)要求電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):2T i 2

49、0.00370.0074s轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：Ton 0.014s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理:T n 2T i Ton 0.0074 0.014 0.0214s。(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié), 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要U由 設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型U型系統(tǒng) 一選用設(shè)計(jì)PI調(diào) 節(jié)器。典型U型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。(3) 選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)：hT n5 0.0214 0.107s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：Kn2hT25 12 22 50.0214262.03sASR的比例系

50、數(shù)：Kn(h 1) CeTm60.0260.20.12a / a2h RTn2 50.0150.186.480.0214n(4) 近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為:Kncn1Kn n 262.03 0.107s 128.03s電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件:5T i15 0.003754.05scn，滿足條件;轉(zhuǎn)速環(huán)小常數(shù)近似處理(5)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí),37.6%，不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量:max81.2%，nnIdRCe305 0.180.2274.5r/min，滿足設(shè)計(jì)要求。4 PWM脈寬調(diào)制4.1PWM基本介紹自后，電力電子設(shè)備的出現(xiàn)全控整流，有高頻率脈沖寬度調(diào)制開關(guān)控制模式，

51、 形成一個(gè)PWM轉(zhuǎn)換器-直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，簡稱直流 PWM速度控制系統(tǒng)， 或直流PWM速度控制系統(tǒng)。PWM系統(tǒng)在許多方面更大的優(yōu)勢： 主電路線路簡單，需要減少功率器件； 高開關(guān)頻率，電流容易連續(xù)，低諧波，電機(jī)損耗和發(fā)熱?。坏退傩阅?，穩(wěn)定的速度，精度高，調(diào)速范圍寬，高達(dá)約1:10000;如果用頻率帶寬與系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾電機(jī)；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗，開關(guān)頻率在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，切換損失并 不大，因此也更高效的設(shè)備；直流電源使用非控整流，功率因數(shù)效率比相控整流 器更咼。由于這些優(yōu)勢，在中，小容量，高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用 廣泛。4.2脈寬調(diào)制變換

52、器在主干鐵路機(jī)車，礦山電力機(jī)車，城市電車和地鐵電動(dòng)車輛牽引電機(jī)和其他 設(shè)備往往在直流串激或復(fù)合電機(jī)， 直流穩(wěn)壓電源。制動(dòng)和速度在電阻，偉大的力 量。為了節(jié)約能源，并實(shí)施非沖擊控制，其中 VT用開關(guān)符號表示任何一種電力 電子器件，電力電子開關(guān)是多方面的，使用的設(shè)備，如快速可控硅，晶閘管，IGBT 和等。簡單的單管控制，稱為直流斬波器，后來到使用的脈沖寬度調(diào)制開關(guān)電路 的各種演變，統(tǒng)稱為脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器。直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理如圖4.1a所示，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng) VT導(dǎo)通時(shí)，電樞與轉(zhuǎn)換開關(guān)電路的電阻來控制電機(jī)起動(dòng)，直流電源電壓 Us 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)

53、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u=f（t）,如圖4.1b所示，好象是電源電壓Us在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又在（T-ton）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：Ud (ton /T)UsUs(4-1)式中T-功率開關(guān)器件的開關(guān)周期，ton-開通時(shí)間，p -占空比, p = ton /T=to n*f，其中f為開關(guān)頻率。L rs）a）原理圖b）電壓波形圖圖4.1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4.2 a）所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由VT1 VT2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（

54、PULSEWIDTH 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+ Us或-Us。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4.2 b）所示a)基本原理圖b)電壓波形圖4.2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ton表示VT1和VT4導(dǎo)通的時(shí)間，開關(guān)周期 T和占空比p的定義和 上面相同，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓平均值為：Ud=(ton/T)*Us- (T-ton) / T* Us= (2*ton/ T-1) * Us= (2p -1) *Us (4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)電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.3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4.3所示。圖4.3橋式可逆PWM變換器雙極式控制可逆PWM變換器的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖4.4所示。4Us