直流電機(jī)綜合性能仿真(畢業(yè)設(shè)計(jì)_)

1、. . . . 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 直流電機(jī)綜合性能仿真33 / 38摘 要直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，而仿真對于控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證具有重要的意義，使用MATLAB中的Simulink工具箱可以進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真。作者借助于MATLAB 70軟件，對一些典型的直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，實(shí)現(xiàn)了不同模型的動(dòng)態(tài)仿真，對系統(tǒng)作了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析。對直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采取純電氣原理圖結(jié)構(gòu)搭建混合模塊的系統(tǒng)模型仿真。對數(shù)字PID控制算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括簡單的數(shù)字PID控制算法，同時(shí)在該調(diào)速系統(tǒng)中引入直流電

2、機(jī)脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)速方法。研究了利用仿真手段整定計(jì)算機(jī)控制直流電機(jī)系統(tǒng)的采樣周期和PID參數(shù)的方法，以獲得優(yōu)良的系統(tǒng)調(diào)速性能。關(guān)鍵詞：MATLAB：仿真；直流電機(jī)；調(diào)速；PIDABSTRACTThe simulation is of great significance to analyze，design and validate the control systemThesimulation of control system can be camed out through using MATLAB programming language andMATLABSimulink to

3、olboxThe study on a couple of typical DC control systems with MATLAB 70has bean carried out by the author,and the system simulation based on difierent MATt,AB modds hasbeen realized，including the simulation oftbe system model which is purely constructed by the transferfunction blocks，the simulation

4、of the system model which is made up of hybrid Simulink blocks andthe simulation ofthe system model coming from MATLAB programming,and the features ofthe aboveways are illustrated。The analyze of dynamic and stable performance and index of these DC machinecontrol systems is also done in this study .

5、Moreover,the simulation study on digital PID controlled DC control systems is also done in thisresearch，including the simulation of simple digital PID control algorithm and the simulation of partialdifferential and integral separation,two kinds of improved digilal PID control algorithmsThe methodoft

6、uning by simulation the sampling time and the PID control parameters 0f digital DC control systemis studied to obtain good speed regulation performance。KEYWORDS：MATLAB；simulation；DE machine；speed regulation；PID目 錄摘 要iABSTRACTii目 錄iii1 緒論11.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的簡介11.2 本課題國外研究現(xiàn)狀11.3 計(jì)算機(jī)仿真研究背景和發(fā)展?fàn)顩r21.4 本設(shè)計(jì)的主要容32 直

7、流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)42.1 調(diào)速的性能指標(biāo)42.1.1 調(diào)速圍42.1.2 調(diào)速平滑性42.1.3 調(diào)速的相對穩(wěn)定性42.2 直流電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速方法52.2.1 電樞回路串電阻調(diào)速52.2.2 減弱磁通調(diào)速52.2.3 降低電樞電壓調(diào)速62.2.4 直流電機(jī)的制動(dòng)72.3 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式82.3.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組82.3.2 靜止可控整流器92.3.3 直流斬波器或脈寬調(diào)速92.4 閉環(huán)系統(tǒng)102.4.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)102.4.2 112.4.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)112.5 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)供電的基本原理16172.5.1 不可逆PWM變換器172.6 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式172.

8、6.1 電壓平衡方程式172.6.2 轉(zhuǎn)矩平衡方程式182.6.3 功率平衡方程式183 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB設(shè)計(jì)與仿真193.1 直流調(diào)速系統(tǒng)供電方案的選擇與設(shè)計(jì)193.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)供電方案的選擇193.1.2 PWM-M系統(tǒng)H型主電路的設(shè)計(jì)仿真193.2 參數(shù)計(jì)算213.2.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算213.2.2 電流環(huán)參數(shù)計(jì)算與校驗(yàn)223.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算與校驗(yàn)233.3 仿真原件的選取與參數(shù)設(shè)定243.3.1 直流電動(dòng)機(jī)仿真原件的選取與參數(shù)設(shè)定243.3.2 電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器件的選擇與參數(shù)設(shè)置263.3.3 其他相關(guān)仿真原件的介紹273.4 系統(tǒng)建立與仿真2

9、83.4.1 仿真系統(tǒng)的建立283.4.2 系統(tǒng)仿真曲線與仿真曲線的輸出28結(jié)論32致 33參考文獻(xiàn)33附錄 一35附錄 二361 緒論1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的簡介直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。早在20世紀(jì)90年代前的大約50年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。從控制技術(shù)的角度來看，又是近年發(fā)展迅速的交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。盡管近

10、年來直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。1.2 本課題國外研究現(xiàn)狀直流調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動(dòng)，簡稱為直流調(diào)速。早在20世紀(jì)40年代采用的是發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，又稱放大機(jī)控制的發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在40年代廣泛應(yīng)用，但是它的缺點(diǎn)是占地大，效率低，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，維護(hù)不方便等，特別是至少要包含兩臺與被調(diào)速電機(jī)容量一樣的電機(jī)。為了克服

11、這些缺點(diǎn)，50年代開始使用水銀整流器作為可控變流裝置。這種系統(tǒng)缺點(diǎn)也很明顯，主要是污染環(huán)境，危害人體健康。50年代末晶閘管出現(xiàn)，晶閘管變流技術(shù)日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于世界各國。近幾年，交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。不過最近研制成功的直流調(diào)速器，由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)

12、定性、高可靠性、高智能化特點(diǎn)。同時(shí)直流電機(jī)的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機(jī)，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無限前景。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于運(yùn)行性能要求很高的機(jī)床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性都很理想。1.3 計(jì)算機(jī)仿真研究背景和發(fā)展?fàn)顩r計(jì)算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的技術(shù)與方法。目前主要采用的是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真，特征是采用先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，使用專用的仿真軟件和仿真語言來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大，易學(xué)易用。他是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，是當(dāng)前主流的仿真技術(shù)與方法。計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用：計(jì)算機(jī)仿真在目前有著廣泛的應(yīng)用。而

13、且應(yīng)用的深度和廣度也越來越大，主要應(yīng)用在航空與航天工業(yè)、電子與電力工業(yè)、原子能工業(yè)和非工程領(lǐng)域如醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等方面。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用意義：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有重要的意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 經(jīng)濟(jì)。大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實(shí)驗(yàn)是十分昂貴的，而采用仿真實(shí)驗(yàn)成本很低，而且設(shè)備可以重復(fù)使用。(2) 安全。采用仿真實(shí)驗(yàn)可以可以有效地降低對某些系統(tǒng)進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)程度，對系統(tǒng)的研究起到保障作用。(3) 快捷。提高設(shè)計(jì)效率，如電路設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)等。(4) 具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測的特殊功能。對一些真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常困難的，這時(shí)仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能；而且通過仿真技術(shù)與方法的

14、應(yīng)用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的仿真軟件為MATLAB 7.0。MATLAB是Malhworks公司于1984年推出的數(shù)學(xué)軟件，是一種用于科學(xué)工程計(jì)算的高效率的高級語言。MATL AB的含義是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”(Marix Laboratory)，主要向用戶提供一套非常完善的矩陣運(yùn)算命令。隨著數(shù)值運(yùn)算的演變，它逐漸發(fā)展成為各種系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理、科學(xué)可視化的通用標(biāo)準(zhǔn)語言。由于MATLAB軟件完整的專業(yè)體系和先進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)思路，使得MATLAB在多種領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間，特別是在MATLAB的主要應(yīng)用方向一一科學(xué)計(jì)算、建模仿真與信息工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)上已經(jīng)成為行業(yè)的首選設(shè)計(jì)

15、工具。MATLAB軟件由于其強(qiáng)大的功能，早已被廣泛運(yùn)用于控制系統(tǒng)的計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)當(dāng)中，成為一種必需的工具。使用MATLAB軟件對各種直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)，可以大大縮短控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)開發(fā)周期。近年周淵深博士H依據(jù)MATLABSimulink工具箱中的各種仿真模塊，首次提出一種叫做面向電氣原理圖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建調(diào)速系統(tǒng)模型的方法，以此進(jìn)行各種交直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真。該方法由于使用了SimulinkPower System工具箱中的電力模塊，所以搭建的仿真模型正如其名稱，與系統(tǒng)的電氣原理圖結(jié)構(gòu)相似，很直觀。1.4 本設(shè)計(jì)的主要容本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要簡述電機(jī)的基本原理，對直流電機(jī)的工作原理、運(yùn)行特

16、性和其電力拖動(dòng)基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)分析說明，在此基礎(chǔ)上采用電氣原理圖結(jié)構(gòu)的構(gòu)建調(diào)速系統(tǒng)模型的方法，設(shè)計(jì)基于PWM調(diào)速的系統(tǒng)，對直流電機(jī)的性能進(jìn)行仿真分析。以直流電機(jī)參數(shù)為110V，2.9A，2400r/min，電樞電阻為3.4歐，電樞電感為60.4mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.014Kgm2，勵(lì)磁電壓為110V，勵(lì)磁電流為0.5A，仿真該電機(jī)在額定負(fù)載是的工作情況為例進(jìn)行研究。2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1 調(diào)速的性能指標(biāo)電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的好壞，常用調(diào)速圍、調(diào)速平滑性、調(diào)速的相對穩(wěn)定性和調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性來衡量。2.1.1 調(diào)速圍調(diào)速圍是指電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)額定負(fù)載時(shí)，所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速與最小轉(zhuǎn)速之比，通常用表示，既 (2-3)要

17、擴(kuò)大調(diào)速圍，必須盡可能提高電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和降低最低轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速受到電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)、換向條件、電壓等級等方面的限制，而最低轉(zhuǎn)速則受到低速運(yùn)行的相對穩(wěn)定性等方面的限制。2.1.2 調(diào)速平滑性在一定的調(diào)速圍，調(diào)速級數(shù)越多，就認(rèn)為調(diào)速越平滑。相鄰兩個(gè)調(diào)速級的轉(zhuǎn)速與之比稱為平滑系數(shù)，用表示，即 (2-3)值越接近1，調(diào)速平滑性越好。無級調(diào)速即轉(zhuǎn)速可以聯(lián)系調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時(shí)，級數(shù)有限稱為有級調(diào)速。2.1.3 調(diào)速的相對穩(wěn)定性調(diào)速的相對穩(wěn)定性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化的程度。常用靜差率來衡量調(diào)速的相對穩(wěn)定性，它是指電機(jī)電動(dòng)機(jī)在某一機(jī)械特性曲線上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降對理想空載轉(zhuǎn)

18、速的百分比，即 (2-3)靜差率和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性越硬，轉(zhuǎn)速變化率越小，靜差率越小，相對穩(wěn)定性越高。但機(jī)械硬度相等，靜差率可能不相等。調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性主要指調(diào)速設(shè)備的初投資，運(yùn)行效率和維護(hù)費(fèi)用等。2.2 直流電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速方法由電機(jī)學(xué)基本理論可知，直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，直流電機(jī)方程式為：電樞電動(dòng)式方程： (2-4)電磁轉(zhuǎn)矩方程： (2-5)電壓平衡方程式： (2-6)由公式(2-4)、(2-5)、(2-6)可得機(jī)械特性方程式為 (2-7)由式(2-7)可知，直流電機(jī)有以下三種基本調(diào)速方法，分別為改變電樞電阻調(diào)速、改變磁通調(diào)速和改變電樞電壓調(diào)速。2.2.1 電樞回路串電阻調(diào)速電

19、樞回路串電阻調(diào)速時(shí)，電機(jī)端電壓為額定電壓，磁通為額定磁通不變，并且假設(shè)電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，其調(diào)速的機(jī)械特性曲線圖如圖2-1。圖2-1這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是：(1)調(diào)速的平滑性差；(2)低速時(shí)輸出扭力小，穩(wěn)定性差；(3)輕載時(shí)調(diào)速效果不佳；(4)串入的電阻損耗大，效率低；(5)調(diào)速圍小。但這種調(diào)速方法具有設(shè)備簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，適宜于做短時(shí)調(diào)速，在起重和運(yùn)輸牽引裝置中得到廣泛的應(yīng)用。2.2.2 減弱磁通調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變磁通調(diào)速，比較簡單的方法是在勵(lì)磁回路中串聯(lián)調(diào)速電阻，改變勵(lì)磁電流，使磁通改變。這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是：(1)可用小容量調(diào)節(jié)電阻，控制簡單，調(diào)速平滑性較好；(2)投資少，能量

20、損耗小，調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性能好。但在正常工作時(shí)，磁路已經(jīng)趨于飽和，所以只能采取弱磁調(diào)速方式，調(diào)速圍不廣。圖2-22.2.3 降低電樞電壓調(diào)速電動(dòng)機(jī)的工作電壓不允許超過額定電壓，因此電樞電壓只能在額定電壓以下進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖2-3是直流電機(jī)改變電樞電壓的機(jī)械特性曲線。如圖假設(shè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩在圖2-3所示固有特性曲線上的點(diǎn)運(yùn)行，若將電樞電壓降低至U，在此瞬間電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有變化，電動(dòng)勢也沒有變化，電樞電流將減小，必將導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩減小，運(yùn)行點(diǎn)由點(diǎn)變化到人為機(jī)械特性曲線2上的點(diǎn)，這時(shí)，致使轉(zhuǎn)速下降，電動(dòng)勢隨之下降，又使電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流逐漸增大，工作點(diǎn)由點(diǎn)向點(diǎn)變化，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩一直增加到時(shí)，電動(dòng)機(jī)就穩(wěn)定在

21、人為特性曲線2的點(diǎn)上運(yùn)行。同樣的道理，若電樞電壓降低至，運(yùn)行點(diǎn)由點(diǎn)變換至人為特性曲線3上的點(diǎn)，沿曲線3向點(diǎn)變化，最后穩(wěn)定在運(yùn)行在點(diǎn)。降壓調(diào)速的特點(diǎn)是：(1)可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，平滑性好；(2)由于機(jī)械特性斜率不變，相對穩(wěn)定性好；(3)調(diào)速圍廣；(4)調(diào)速過程能量損耗較??；(5)專用電源，設(shè)備投資交大。圖2-3 改變電樞電壓的機(jī)械特性2.2.4 直流電機(jī)的制動(dòng)根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的方向關(guān)系，把電動(dòng)機(jī)運(yùn)行分為兩種狀態(tài)：當(dāng)和同向時(shí)為電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，反向時(shí)為制動(dòng)狀態(tài)。而在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)很多情況下需要工作在制動(dòng)狀態(tài)下，這就要求對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。制動(dòng)的方法一般有機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)一般指的是電磁

22、抱閘制動(dòng)裝置；電氣制動(dòng)指的是用電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩來制動(dòng)。電氣制動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如沒有機(jī)械磨損，便于控制，優(yōu)時(shí)還能將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋回電網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)節(jié)能，因此得到廣泛應(yīng)用。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)一般有：能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。1、 能耗制動(dòng)進(jìn)入能耗制動(dòng)時(shí)，切斷電源并串入一個(gè)制動(dòng)電阻，在拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性作用下，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁任然保持不變，在電動(dòng)勢作用下，電動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，把旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)所儲(chǔ)存的動(dòng)能變?yōu)殡娔?，消耗在制?dòng)電阻和電樞電阻中。由于此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓，則電樞電流為 (2-3)由此可見，電樞電流與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電樞電流方向相反，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也與電動(dòng)狀態(tài)的電磁轉(zhuǎn)矩方向

23、相反，變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)很快減速直至停止。由(2-3)式可計(jì)算出制動(dòng)電阻的數(shù)值，即 (2-3)式中 為制動(dòng)起始時(shí)的電樞電動(dòng)勢；為制動(dòng)起始時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；為制動(dòng)起始時(shí)的制動(dòng)電流。能耗制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：制動(dòng)減速比較平穩(wěn)可靠；控制線路簡單，轉(zhuǎn)速減小至0時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小至0，便于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車。其缺點(diǎn)是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降成正比地減小，影響制動(dòng)效果。2、 反接制動(dòng)3、 回饋制動(dòng)2.3 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式采用調(diào)壓調(diào)速，必須有一個(gè)平滑可調(diào)的直流電樞電源。常用的可控直流電樞電源有以下三種：(1) 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成，以獲得可調(diào)直流電壓。(2) 靜止可控整流器 用靜止的可控整流器，比如

24、晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流電壓。(3) 直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器 用衡定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或者脈寬調(diào)制器產(chǎn)生可變的平均電壓。2.3.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組如圖2-1，旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）由交流電動(dòng)機(jī)（異步機(jī)或同步機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這種調(diào)速系統(tǒng)在60年代曾廣泛使用，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，安裝須打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便。圖2-1旋轉(zhuǎn)變流

25、機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）2.3.2 靜止可控整流器自從晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。如圖2-2，VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變的散熱條件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃與附近的用電設(shè)備，因此必須添置無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。圖2-5 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)2.3.3 直流斬波器或脈寬調(diào)速圖2-3直流斬波器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形1）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，

26、諧波少，電機(jī)損耗與發(fā)熱都較小。2）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速圍寬。3）若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗繞能力強(qiáng)。4）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(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而全取代了VM系統(tǒng)。2.4 閉環(huán)系統(tǒng)2.4.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)控制原理，對于控制系統(tǒng)各個(gè)輸入輸出量的關(guān)系，可以畫出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-9所示，圖中各個(gè)方塊的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)，也稱傳遞函數(shù)。圖2-9 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由以上關(guān)系式中消去中間變量，或由系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算，均可得到系統(tǒng)的靜態(tài)特性方程式 (2-3)式中為閉環(huán)系統(tǒng)的

27、開環(huán)放大系數(shù)，它是由系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)單獨(dú)放大系數(shù)的乘積；是閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)：圖2-7c =0時(shí)(2-7)由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來即得系統(tǒng)的靜特性方程式：如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為（2-9）而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成 (2-3)其中和分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，和分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。和 (2-3)按理想空載轉(zhuǎn)速一樣的情況比較，則 =時(shí)： (2-3)如調(diào)制的輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)速有所回升，速度降落降低。由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于

28、它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。圖2-8閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系2.4.22.4.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一、 轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題在理解了本設(shè)計(jì)需滿足的各項(xiàng)指標(biāo)之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標(biāo)的兩個(gè)矛盾，即1) 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準(zhǔn)確性對系統(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電機(jī)電流的要求互相矛盾5。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，解決了第一個(gè)矛盾。但是，如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵?/p>

29、單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程中的電流和轉(zhuǎn)矩。無法解決第二個(gè)基本矛盾。在電機(jī)最大電流受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)速馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)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(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-2a所示。a) b)圖2-2 調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形a

30、) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程 b) 理想快速啟動(dòng)過程當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機(jī)的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng),到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降低下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.這樣的理想起動(dòng)過程波形如圖2-2b所示,起動(dòng)電流呈方形波,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

31、啟動(dòng)過程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實(shí)現(xiàn)。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,希望只有轉(zhuǎn)速反饋,不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。二、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理圖2-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行串級連接.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,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，

32、叫做環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。三、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動(dòng)過程波形的。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動(dòng)過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動(dòng)過程分為三個(gè)階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了在電

33、流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)。其起動(dòng)過程波形如圖2-4所示。圖2-4 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2-4知,整個(gè)起動(dòng)過程分為三個(gè)階段：第I階段是電流上升階段。突加給定電壓Un*后,通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，當(dāng)IdIdL后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)械慣性作用，轉(zhuǎn)速的增長不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓Un=Un*-Un數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值Uim*，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)IdIdm時(shí)，UiUim*，電流調(diào)節(jié)器的作用使I不

34、再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，屬于恒流升速階段，是啟動(dòng)過程中的主要階段。在這個(gè)階段中ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長。第III階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下

35、加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR的輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓與ACR的給定電壓Ui*立即從限幅值下來，主電流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于負(fù)載電流IdL，在一段時(shí)間，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)距Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一小段小與IdL的過程，直到穩(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）飽和非線性控制：隨著ASR的飽和和不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)，

36、整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。在不同情況下，表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。 2）準(zhǔn)時(shí)間控制：啟動(dòng)過程中主要階段實(shí)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)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使啟動(dòng)過程盡可能更快。這個(gè)階段屬于電流受限制的條件下的最短時(shí)間控制，或稱時(shí)間最優(yōu)控制。 3）轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非線性控制,啟動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入第III階段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓Un為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)

37、調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。四、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性與穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI的穩(wěn)態(tài)特性，它一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不在影響輸出，除非有反向的輸入信號使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和，這時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)；不飽和輸出未達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。當(dāng)調(diào)節(jié)器線性調(diào)節(jié)輸出未達(dá)到限幅值，則，同前面討論的一樣，由于積累作用使，即保持不變，直到。見圖2-11中段。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和輸出為限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)的輸出量極性不改變，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不在產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相當(dāng)于開環(huán)運(yùn)行，這樣雙閉環(huán)變?yōu)閱伍]環(huán)電流負(fù)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)由恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)變

38、為恒電流調(diào)節(jié)，從而獲得極好的下垂特性，如圖2-11段。由上面的分析可得，轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速響應(yīng)轉(zhuǎn)速的變化，而電流環(huán)則要求維持電流不變。這不利于電流對轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)，有使靜特性變軟的趨勢。但由于轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)的是外環(huán)，電流環(huán)的作用只想到于轉(zhuǎn)速環(huán)部的一種擾動(dòng)作用而已，不起主導(dǎo)作用，所以只要轉(zhuǎn)速環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后仍然能靠的積分作用消除偏差，致使其靜態(tài)特性具有近似理想的特性曲線，如圖2-11虛線所示。AB圖2-6 雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和且系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，和。由于穩(wěn)態(tài)時(shí)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器輸入電壓偏差為0，給定電壓與反饋電壓相等可得參數(shù)為控制電壓 (2-3)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) (2-3)電流反饋

39、系數(shù) (2-3)其中，和是受運(yùn)算放大器的允許輸入限幅電路電壓限制的。5、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)就是PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。ASR和ACR的傳遞函數(shù)為 (2-3) (2-3)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖見圖2-11。6、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 使轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差； 對負(fù)載變化起抗干擾作用； 其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)保證或得最大電流，啟動(dòng)時(shí)間短，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性； 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其他給定電壓變化； 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

40、，起到安全保護(hù)作用，故障消除后，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)正常。 對電網(wǎng)電壓波動(dòng)起快速抑制作用。2.5 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)供電的基本原理直流脈沖寬度調(diào)制變流裝置是隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)而發(fā)展的。電動(dòng)機(jī)。由脈沖寬度調(diào)制變換器件向電機(jī)供電的系統(tǒng)稱脈寬調(diào)制傳動(dòng)系統(tǒng)，簡稱PWM-M系統(tǒng)。圖2-1為PWM-M系統(tǒng)原理框圖，通過調(diào)節(jié)PWM信號的脈沖寬度來控制電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而改變輸出電壓的平均值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑調(diào)速，直流脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)與相位控制傳動(dòng)系統(tǒng)相比較，體積可縮小30%以上，裝置效率高，功率因數(shù)高。圖2-12.5.1 不可逆PWM變換器2.6 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式直流電動(dòng)機(jī)得基本方程式

41、是指直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電路系統(tǒng)的電壓平衡方程式、機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式以與能量轉(zhuǎn)化過程中的功率平衡方程式。這些方程式反映了直流電動(dòng)機(jī)部的勵(lì)磁過程，又表達(dá)了電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，說明了直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理。同時(shí)由于開關(guān)頻率的提高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都比較小，低速性能好，穩(wěn)速精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。圖2-12.6.1 電壓平衡方程式直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞繞組切割氣隙磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。又右手定則可以判定電動(dòng)勢Ea的方向與電樞電流Ia的方向相反，如圖2-1所示。以圖2-1中各個(gè)物理量的方向?yàn)閰⒖颊较?，就可以寫出他?lì)直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式 圖2-

42、12.6.2 轉(zhuǎn)矩平衡方程式2.6.3 功率平衡方程式3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB設(shè)計(jì)與仿真3.1 直流調(diào)速系統(tǒng)供電方案的選擇與設(shè)計(jì)3.1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)供電方案的選擇為了供給直流直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組通常專門設(shè)置一臺直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GE，導(dǎo)致G-M系統(tǒng)設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝維護(hù)不方便和運(yùn)行噪聲大等缺點(diǎn)。而晶閘管整流器雖具有效率高、體積小、成本低和無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管原件對過電壓，過電流都很敏感，因此晶閘管整流電流需設(shè)計(jì)許多保護(hù)環(huán)節(jié)，使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜化。當(dāng)系統(tǒng)處在深度調(diào)速狀態(tài)時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)功率

43、因數(shù)很低，并產(chǎn)生諧波電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，殃與附近的用電設(shè)備。隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，由全控型可關(guān)斷器件實(shí)行開關(guān)控制，大多采用脈寬調(diào)制（PWM）變換器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。與晶閘管可控裝置相比，PWM系統(tǒng)靜具有開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)良、效率高等一系列有點(diǎn)。故在此選擇使用脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)。3.1.2 PWM-M系統(tǒng)H型主電路的設(shè)計(jì)仿真直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的主電路組成如圖6-31所示，主電路又四個(gè)電力場效應(yīng)晶體管VF1VF4和四個(gè)續(xù)流二極管VD1VD4組成H型連接組成。當(dāng)VF1和VF4導(dǎo)通時(shí)，有正向電流ii通過電動(dòng)機(jī)M，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)VF2和VF3導(dǎo)通時(shí)，有反向電流i2通

44、過電動(dòng)機(jī)M，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。VF1VF4驅(qū)動(dòng)信號調(diào)制原理如圖6-29所示，在三角波與控制信號Uct相交時(shí)，分別產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號Ub1、Ub4、Ub2、Ub3，波形如圖6-32。仿真系統(tǒng)圖中，H型變流器調(diào)用了多功能橋（Universal Bridge）,其參數(shù)設(shè)為2橋臂，abc在交流輸出端，開關(guān)器件為MOSFET（見圖4-34），當(dāng)多功能橋用于直流PWM變流時(shí)，其驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路如圖6-35所示，圖中輸入端In1接脈沖調(diào)制信號，輸出端輸出四路MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號。脈寬調(diào)制由兩個(gè)PWM發(fā)生器（PWM Generator）模塊進(jìn)行，其中上方的產(chǎn)生VF1和VF2的驅(qū)動(dòng)信號

45、，下方的PWM發(fā)生VF3和VF4的驅(qū)動(dòng)信號，為了使PWM發(fā)生器輸出的驅(qū)動(dòng)信號順序與多功能橋的驅(qū)動(dòng)順序一致，模型中加入了一個(gè)選擇器模塊（Selector），調(diào)整了脈沖序列。因?yàn)镸OSFET有導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，為了避免上下橋臂的兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，造成橋臂直通現(xiàn)象，需要有“死時(shí)”的限制，這里采取的辦法是使下方的PWM發(fā)生器輸入的控制信號Uct+0.001,即將Uct略微太高，使下方的PWM發(fā)生器輸出信號變窄一些，這樣上下橋臂兩個(gè)管子就不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。該P(yáng)WM驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生電路仿真結(jié)構(gòu)圖如6-33所示，分支電路模塊。 圖6-22 圖6-23將控制信號通過互動(dòng)開關(guān)與PWM分支電路模塊連接，雙擊互動(dòng)

46、開關(guān)模塊既可以選擇控制信號Uct和-Uct,控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 圖6-23 圖6-24圖6-24圖6-343.2 參數(shù)計(jì)算3.2.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)計(jì)算勵(lì)磁電阻為： (2-3)勵(lì)磁電感在恒定磁場控制時(shí)可?。浑姌欣@組和勵(lì)磁繞組的互感為：因?yàn)?(2-3) (2-3) (2-3)額定轉(zhuǎn)矩為： (2-3)3.2.2 電流環(huán)參數(shù)計(jì)算與校驗(yàn)一、時(shí)間常數(shù)確定整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)： (2-3)電流濾波時(shí)間常數(shù)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和，按照小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 (2-3)2、 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可選用型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：

47、 (2-3)檢查對電源電壓的抗擾性能： (2-3)參照表2-3的典型系統(tǒng)的抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都可以接受。3、 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： (2-3)電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%是按書表2-2，應(yīng)取 (2-3)因此 (2-3) 于是，ACR的比例系數(shù)為： (2-3)4、 校驗(yàn)電流調(diào)節(jié)器近似條件電流環(huán)截止頻率： (2-3)(1) 校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為： 滿足條件 。(2) 校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的近似條件為： 滿足條件 。(3) 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為： 滿足條件 。3.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算與校驗(yàn)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有

48、積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：1、 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨行和抗干擾能量都較好的原則，一般取。則ASR超前時(shí)間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：因此可得ASR的比例系數(shù)為：2、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率（1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足簡化條件。（2）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。（3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)h=5時(shí)，；而，因此，能滿足設(shè)計(jì)要求。3.3 仿真原件的選取與參數(shù)設(shè)定3.3.1 直流電動(dòng)機(jī)仿真原件的選取與參數(shù)設(shè)定直流電動(dòng)機(jī)(DC machine)模塊符號如圖3-1所示

49、圖3-1 DC machine模塊符號在MATLAB/Simulink仿真中，DC machine模塊比較全面的描述和反應(yīng)了直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)以與電學(xué)特性和機(jī)械特性，可以很好的仿真一臺真實(shí)的直流電動(dòng)機(jī)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的直流電機(jī)相關(guān)參數(shù)根據(jù)3.2.1節(jié)直流電機(jī)參數(shù)計(jì)算可做如下圖設(shè)置：圖3-2 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置在此對話框中，我們可以對直流電動(dòng)機(jī)的電樞電阻和電感、勵(lì)磁電阻和電感、勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間的互感、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、粘滯摩擦系數(shù)、靜摩擦轉(zhuǎn)矩和初始速度的設(shè)置。3.3.2 電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器器件的選擇與參數(shù)設(shè)置電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器都選擇了PI調(diào)節(jié)器，在MATLAB/Simulink中，PI調(diào)節(jié)器符號如圖3-3：圖3-3該模塊部夠如圖3-4所示：圖3-4不難看出該模塊實(shí)現(xiàn)對輸入信號的比例放大和積分