雙閉環(huán)不可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)不可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng) 院 系：工學(xué)院電氣與電子工程系專 業(yè)：自動(dòng)化 班 級：自動(dòng)化1202 姓 名：王學(xué)松 學(xué) 號：201202022007 指導(dǎo)教師：王選誠 二一五年七月運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、基本情況 學(xué)時(shí)：1周 學(xué)分：1學(xué)分 適應(yīng)班級：自動(dòng)化1201-1202二、進(jìn)度安排本設(shè)計(jì)共安排1周，合計(jì)30學(xué)時(shí)，具體分配如下：實(shí)習(xí)動(dòng)員及準(zhǔn)備工作： 2學(xué)時(shí)總體方案設(shè)計(jì)： 4學(xué)時(shí)硬件設(shè)計(jì)： 12學(xué)時(shí)撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告： 8 學(xué)時(shí)答辯： 4學(xué)時(shí)教師輔導(dǎo)： 隨時(shí)三、基本要求1、課程設(shè)計(jì)的基本要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：理論設(shè)計(jì)與撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告等。其中理論設(shè)計(jì)又

2、包括總體方案選擇，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)包括單元電路，選擇元器件及計(jì)算參數(shù)等；課程設(shè)計(jì)的最后要求是寫出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告，把設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行全面的總結(jié)，若有實(shí)踐條件，把實(shí)踐內(nèi)容上升到理論高度。2、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)采用相對集中的方式進(jìn)行，以班為單位全班學(xué)生集中到設(shè)計(jì)室進(jìn)行。做到實(shí)訓(xùn)教學(xué)課堂化，嚴(yán)格考勤制度，在實(shí)訓(xùn)期間累計(jì)曠課達(dá)到2節(jié)以上，或者遲到、早退累計(jì)達(dá)到4次以上的學(xué)生，該課程考核按不及格處理。在實(shí)訓(xùn)期間需要外出查找資料，必須在指定的時(shí)間內(nèi)方可外出。 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)相對分散，每5-6名學(xué)生組成一個(gè)小組，完成一個(gè)課題的設(shè)計(jì)。小組成員既有分工、又要協(xié)作，同一小組的成員之

3、間可以相互探討、協(xié)商，可以互相借鑒或參考別人的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)。但每個(gè)學(xué)生必須單獨(dú)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，要有完整的設(shè)計(jì)資料，獨(dú)立撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告雷同率超過60%的課程設(shè)計(jì)考核按不及格處理。四、設(shè)計(jì)題目及控制要求題目：雙閉環(huán)不可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)要求：1穩(wěn)態(tài)無靜差i5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量n20%；2完成系統(tǒng)個(gè)環(huán)節(jié)的原理圖設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算；3根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求；4調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施；設(shè)計(jì)不可逆轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，基本技術(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：Pn

4、=10kw，Un=220V，In=53.5A，nN=1500r/min，=1.5， Ra=0.37，I=2mH，Tm= 0.063s，GD2=125Nm2，電樞回路總電阻R=0.58。五、設(shè)計(jì)報(bào)設(shè)計(jì)完成后，必須撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告必須獨(dú)立完成，格式符合要求，文字（不含圖形、程序）不少于3000字，圖形繪制規(guī)范。設(shè)計(jì)報(bào)告的格式如下： 1、封面 2、摘要 3、目錄4、正文(1) 所作題目的意義、本人所做的工作及系統(tǒng)的主要功能；(2) 方案選擇及論證；(3) 硬件電路設(shè)計(jì)及描述（包括硬件的選型及電路圖、輸入輸出接線圖等的設(shè)計(jì)）；5、心得體會(huì) 6、參考文獻(xiàn) 不少于5篇。六、考核方法運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課

5、程設(shè)計(jì)的考核方式為考查，考核結(jié)果為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五等，分?jǐn)?shù)在90-100之間為優(yōu)秀，80-89分之間為良好，70-79分之間為中等，60-69分之間為及格，60分以下為不及格。 考核分三個(gè)方面進(jìn)行：平時(shí)表現(xiàn)20%；設(shè)計(jì)過程25%；設(shè)計(jì)報(bào)告 40%；設(shè)計(jì)答辯15%。有下列情形之一者，課程設(shè)計(jì)考核按不及格處理： 1、設(shè)計(jì)期間累計(jì)遲到、早退達(dá)4次；2、設(shè)計(jì)期間累計(jì)曠課達(dá)2節(jié)； 3、設(shè)計(jì)報(bào)告雷同率超過60%或無設(shè)計(jì)報(bào)告；4、不能完成設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。摘 要在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬址种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C(jī)是最常見的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)

6、用。研究直流電機(jī)的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源都具有重要的意義。電機(jī)調(diào)速問題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合。本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢，指出了PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點(diǎn)出以PWM變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，本文將對PWM的理論進(jìn)行詳細(xì)論述。在此基礎(chǔ)上，做出SG3525單片機(jī)控制的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，然后對各個(gè)部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個(gè)組成單元上都達(dá)到最好的系

7、統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) PWM SG3525 直流電機(jī)目錄第1章 緒論111 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述112 研究課題的目的和意義113 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求21.3.1 設(shè)計(jì)要求21.3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容21.3.3 技術(shù)參數(shù)3第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)42.1 設(shè)計(jì)分析42.1.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖42.1.2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理42.1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)52.1.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)72.1.5 PWM變換器介紹9第3章 電路設(shè)計(jì)143.1 PWM（雙極式）主電路設(shè)計(jì)143.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)143.2.1 電流調(diào)節(jié)器143.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器153.3 信號產(chǎn)生電路

8、153.4 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理173.5 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)183.6 鋸齒波信號發(fā)生電路19第4章 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算204.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)204.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)21總結(jié)23參考文獻(xiàn)24第1章 緒論11 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述 三十多年來，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)

9、化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看,就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn),使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的

10、基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。12 研究課題的目的和意義 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器須同時(shí)解決穩(wěn)、準(zhǔn)、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立實(shí)用的設(shè)計(jì)

11、方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實(shí)際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設(shè)計(jì)過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。13 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求1.3.1 設(shè)計(jì)要求（1）該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作；（2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率S2）；（3）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量i5%，動(dòng)態(tài)最大轉(zhuǎn)速降n810%；調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts1s；（4）系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)；（5）

12、調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護(hù)，并且有制動(dòng)措施；（6）主電路采用三項(xiàng)全控橋；1.3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。（2）調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等）。（3）驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電路均可）。（4）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。（5）繪制雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖（要求用計(jì)算機(jī)繪圖）

13、，并用Orcad或Matlab軟件進(jìn)行拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真以及硬件仿真。（建立傳遞函數(shù)方框圖），并研究參數(shù)變化時(shí)對直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。1.3.3 技術(shù)參數(shù)（1）晶閘管整流裝置：Rrec=0.15，Ks=36；（2）負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：Pn=10kW，UN=220V，IN=53.5A，nN=1500r/min，Ra=0.37，=1.5；（3）系統(tǒng)主電路R=0.58，Tm=0.063s；第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)分析2.1.1 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2.1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P

14、WM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)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖2.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.1.2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電流指令的給定信號Ui*（對于直流電動(dòng)機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。ACR(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號Uc。進(jìn)而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電

15、樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te與TL不相等轉(zhuǎn)速會(huì)相應(yīng)的變化。整個(gè)過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達(dá)到穩(wěn)定。2.1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動(dòng)機(jī)的過載能力，使電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)1。這種理想的起動(dòng)過程如圖2.2所示。為實(shí)現(xiàn)在約束條件快速起動(dòng)，關(guān)鍵是要有一個(gè)使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個(gè)量，只要引入這個(gè)量的負(fù)反饋。因此采用電流負(fù)反饋控制過程，起

16、動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負(fù)反饋；穩(wěn)定運(yùn)行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2.3所示。0nnt圖2.2理想啟動(dòng)過程圖2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖圖2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識，采用機(jī)理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。2.1.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)tn0(a) IdLnIdmtId0 IdLnIdm（b） (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) (b)理想的快速起動(dòng)過程圖2.5直流調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速啟動(dòng)特性曲線雙閉環(huán)控制

17、的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖2.5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、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)過渡過程也就分為三個(gè)階段，在圖中表以、和。第階段：0t1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、Udo、Id都上升，當(dāng)IdIdl后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會(huì)太快，因而ASR的輸入偏差電壓Un=Un*Un數(shù)值較大并使其輸出達(dá)到飽和值U*im，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)Id=

18、Idm時(shí)，UiU*im，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再迅速增加，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。第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動(dòng)過程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定U*im作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又Ud0=RdId+Cn，nUd0Uct，這樣才能保持Id=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓Ui

19、=U*i-Ui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(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時(shí)整流裝置的最大電流Ud0m也須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和，這都是設(shè)計(jì)中必須注意的。第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時(shí)n=n*，Un=U*n，Un=0，但由于積分作用，U*i=U*im，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當(dāng)nn*時(shí)，UnIdl，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當(dāng)Id= Idl時(shí)，T=TL，n達(dá)到最大值（t3時(shí)刻）。此后，電動(dòng)機(jī)在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一段小與IdL的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速

20、調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使Id盡快地跟隨ASR的輸出量U*i，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有三個(gè)特點(diǎn)：1飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。2準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制。采用飽和非線性控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有使用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。3轉(zhuǎn)速必超調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓Un為負(fù)值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超

21、調(diào)。2.1.5 PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種。圖2.6（a）所示為無制動(dòng)作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓Us一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋放電儲(chǔ)能的續(xù)流回路。 （a）原理圖 （b）電壓和電流波型圖2.6 簡單的不可逆PWM變換器

22、電路電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓Ub驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)0tton時(shí)， Ub為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)tontT時(shí)，Ub為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為Ud= Uston/T=Us式中，=Ud/U5=ton/TPWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。ton的變化范圍在01之間，改變，即可以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖2.6（b）時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞的脈沖端電壓ud、平均電壓ud和電樞電流id的波型。由圖可見，電流是id脈動(dòng)的，其平均值等于負(fù)載電流Idl=TL/Cm（TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Cm直流電動(dòng)機(jī)在額

23、定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個(gè)周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在0tton期間U5=Rid+Ldid/dt+E在tontT期間0=Rid+Ldid/dt+E式中，R，L電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此電流的脈動(dòng)幅值不會(huì)很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢E的波動(dòng)就更小，在分析時(shí)可以忽略不計(jì)，視n和E為恒值。這種簡單不可逆PWM電路中電動(dòng)機(jī)的電樞電流iD不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動(dòng)作用，只能做單向限運(yùn)行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象

24、，系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能均差。圖2.7(a)動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個(gè)電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的-id通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個(gè)象限中運(yùn)行。VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號電壓大小相等，極性相反，即Ub=-Ub2。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)平均電流就為正值，電流id分為兩段變化。在0tton期間，Ub1為正，VT1飽和導(dǎo)通；Ub2為負(fù)，VT2截止。此時(shí)，電源電壓U5加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。在tontT期間，Ub1和Ub2改變極性，VT1截止，原方向的電流id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)

25、流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖2.7（b）所示，與圖2-1沒有VT2的情況完全一樣。如果電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使Ub1的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓Ud降低。但是由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)Udci滿足近似條件；2) 忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：ci31/ TmTl 即31/ TmTl=31/(0.0840.0178=77.58s-1

26、ci滿足近似條件。4)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻為R0=40K，各電阻和電容值計(jì)算如下 Ri=KiR0=0.7440 K=29.6 K， Ci=ti/Ri=0.0178/(29.6103)106F=0.6， Coi=4Toi/R0=(40.002)/(40103)106F=0.2F。 4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù)1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：2Ti=20.0037=0.0074s； 2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù):Ton=0.01s；3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：T n=2Ti+Tom=0.0174s 。(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)

27、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)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：WASR（s）=Kn(ts+1)/tns(3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR超前時(shí)間常數(shù)為tn=hTn=50.0174s=0.087s； 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：KN=（h+1）/(2h2T2n)=6/(2250.01742)s-2=396.4s-2 ；ASR的比例系數(shù)：Kn=(h+1)CeTm/(2hRTN)=(62.30.040.084)/(253.40.0174)=19.6。(4)近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為

28、：cn=KN/1=KNtn=396.40.087s-1=34.5s-11)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：cn3-1(KI/Ti)1/2即3-1(KI/ Ti)1/2=63.7s-1cn滿足簡化條件。2) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：cn3-1(1/2TiTon)1/2 現(xiàn)在，3-1(1/2TiTon)1/2=38.75cn滿足近似條件。(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40K，則 Rn=KnR0=19.640 K=784 K； Cn=tn/Rn=0.087/(784103)106F=0.11F，取0.2F； Con=4Ton/Ro=(40.01)/(40103) 106F=1F，取1F。 (6)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表得，n=37.6%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不