基于H型主電路的直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來，直流電動(dòng)機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡(jiǎn)單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)基于微機(jī)控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個(gè)將微機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工

2、作在對(duì)控制對(duì)象全面回顧的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制部分展開研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。在硬件方面充分利用微機(jī)外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。論文分析了系統(tǒng)工作原理和提高調(diào)速性能的方法，研究了IGBT模塊應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)、吸收、保護(hù)控制等關(guān)鍵技術(shù).在微機(jī)控制方面，討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測(cè)速、數(shù)字PWM調(diào)制器、雙極式H型PWM變換電路、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。 關(guān)鍵詞：直流可逆調(diào)速，數(shù)字觸發(fā)，PWM,數(shù)字控制器 AbstractToday,autocontrol syst

3、ems have been widely used and deleloped in every Walk of life,while DC speed regulation as the artery in the area of electric drive systems acts the main effect in modernization production.DC speed regulation is mainly made up of control unite,power unite and DC motor.For a long time,DC motor has po

4、ssessed the main role in the area of electric drive field because of its neatly adjust,easy method and smooth timing in wide rage,also,its control performance is very good. With the rapid development of microcomputer,it is widely used in the control field.This paper reserches reversible DC-PWM timin

5、g system with a dual-converter and dual-closed-loop.Beginning with the theory of the DC timing system,this article has build up the maths model of the reversible DC-PWM timing system with a dual-converter and dual-closed-loop，discussing a new control method that combines microcomputer with DC-drive.

6、Based on the overall review of control object,the emphasis is put on the part of control system,which includes the discussion of hardware and software,control policy and algorithm,etc.In the hardware,it fully utilizes the advantage of microcomputer that are abundant interface and fast speed so as to

7、 realize the control of the system. This paper analyzes the working principles of the system and some key technical issues of the application based on the IGBT apparatus,which include drive circuit,snubber circuit,protection and controlling the quantity of heat,and so on.In the aspect of microcomput

8、er control,it has discussed the principle of number touch off、number velocity testing、current/velocity controller、number PWM modulator and presents the hardware/software scheme to achieve it.Keywords:reversible DC timing system,number touch off, Pulse-Width Modulation,number controller目錄摘 要1Abstract

9、21 引言61.1問題的提出61.2 PWM控制的現(xiàn)狀和分類71.3 微機(jī)控制電機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀71.4 電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)81.5本課題在實(shí)際應(yīng)用方面的意義和價(jià)值92 微機(jī)控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)102.1 系統(tǒng)框圖102.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性112.2.1 問題的提出112.2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成122.2.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性122.2.4各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算142.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能152.3.1動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型152.3.2起動(dòng)過程分析152.3.3 動(dòng)態(tài)性能和兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用172.4電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1

10、92.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)192.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)203 可逆PWM變換器223.1可逆PWM變換器工作原理223.2 PWM控制電路243.2.1 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性253.2.2 脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)263.3本章小結(jié)264 系統(tǒng)的仿真284.1 Matlab/Simulink簡(jiǎn)介284.2 Simulink的啟動(dòng)與界面說明284.2.1 啟動(dòng)Simulink284.2.2 Simulink的菜單294.2.3 Simulink的功能模塊組294.3 Simulink的仿真過程294.3.1 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖文件294.3.2 結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計(jì)294.3.3 Sim

11、ulink仿真的啟動(dòng)與停止304.4 建立仿真模型305 H橋PWM直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析及結(jié)果325.1 H橋PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果325.2 H橋PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果345.3 本章小結(jié)356 總結(jié)36參考文獻(xiàn)37附錄A:外文翻譯39附錄B：中文翻譯421 引言1.1問題的提出為什么我們要研究一種由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的PWM直流控制系統(tǒng)？要回答這個(gè)問題，首先我們應(yīng)該系統(tǒng)的論述一下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。 電動(dòng)機(jī)按電源供應(yīng)方式來分，可以分為兩大類，即直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。兩類電動(dòng)機(jī)在調(diào)速方面存在著很大差異。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在

12、許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。即便如此，直流電動(dòng)機(jī)也存在著固有的很多缺點(diǎn)，制約了其應(yīng)用由于直流電動(dòng)機(jī)使用直流電源，它的碳刷和滑環(huán)都要經(jīng)常更換，這樣的拆換工作是費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)財(cái)?shù)?，無疑會(huì)加重使用者的負(fù)擔(dān)。因此，人們希望簡(jiǎn)單可靠低廉的交流電動(dòng)機(jī)也能像直流電動(dòng)機(jī)那樣調(diào)速。定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串極調(diào)速等調(diào)速方法應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)，由于技術(shù)的成熟，滑差電動(dòng)機(jī)、繞線式電動(dòng)機(jī)、同步式交流電機(jī)等隨即出現(xiàn)，帶來了電機(jī)史上的一次飛躍。但是，這些電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能仍然不能與直流電動(dòng)機(jī)相比。直到20世紀(jì)80年代，變頻調(diào)速的出現(xiàn)才解決了直流電機(jī)調(diào)速性能好卻費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)。那么又是

13、什么促成了變頻調(diào)速的產(chǎn)生呢？ 電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，直接推動(dòng)了變頻調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生。由于變頻調(diào)速具有其他調(diào)速方式所不具有的幾大特點(diǎn)： 1） PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)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(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(shí)，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(shí)，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

14、動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)象的重要原因。 而在眾多PWM變換器實(shí)現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，本次設(shè)計(jì)以H型PWM直流控制器為主要研究對(duì)象。 要研究PWM調(diào)速方法，不能不提到微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)，沒有這些技術(shù)的支持，我們就只能還是在走前人的老路，被模擬、人工控制的思維所禁錮。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

15、控制領(lǐng)域，如果不能有效的引用這些技術(shù)，我們很難有所突破，發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而有所進(jìn)步。 微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展也就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程。它的發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是1965年后的實(shí)驗(yàn)階段，自從1952年計(jì)算機(jī)被應(yīng)用于生產(chǎn)過程中后，它應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域并創(chuàng)造巨大價(jià)值的潛力立刻為世人所注意，進(jìn)而被大面積研究試用起來。1959年，美國(guó)得克薩斯州的一家煉油廠成功建成了世界上第一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開始。第二個(gè)階段是1965年到1972年間的實(shí)用階段。在這段時(shí)間里，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始從單項(xiàng)工程試驗(yàn)中邁向?qū)嵱?，并且得到了系統(tǒng)的完善。在這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)集中控制得到認(rèn)可。在高度集中

16、控制時(shí)，若計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，將對(duì)整個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了應(yīng)對(duì)這種負(fù)面影響，人們采取了多機(jī)并用的方案，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。第三個(gè)階段是從1972年至今，在這個(gè)階段才真正出現(xiàn)了微機(jī)的概念，以它為核心，衍生出了很多計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及分布式控制系統(tǒng)，而隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)小物起大用的效果，既不占空間，又可以同時(shí)處理很多生產(chǎn)問題，省時(shí)省力，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)走向了成熟。而隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化變遷，相信會(huì)有更大的發(fā)展空間。 電力電子技術(shù)作為電源技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱性領(lǐng)域，也已經(jīng)經(jīng)過了漫長(zhǎng)的發(fā)展

17、歷程。這些技術(shù)如果都能被應(yīng)用到PWM調(diào)速系統(tǒng)的控制當(dāng)中，勢(shì)必會(huì)使得調(diào)速系統(tǒng)的性能有一個(gè)很大的提升。在調(diào)速技術(shù)走到這個(gè)類似瓶頸地步的今天，這種嘗試無疑是一種很有潛力的設(shè)想。 至于系統(tǒng)應(yīng)該如何構(gòu)成，系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果會(huì)如何，這些都是很需要探討的問題，那么，這個(gè)研究就是很必要的了，也是我寫這篇論文闡述探討結(jié)果的理由。 1.2 PWM控制的現(xiàn)狀和分類目前，高頻電壓領(lǐng)域的具體發(fā)展?fàn)顩r基本情況是這樣的。目前已經(jīng)提到并得到應(yīng)用的PWM控制方案就不下于數(shù)十種，尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)數(shù)字化后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪

18、音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。不少方法已經(jīng)趨向于成熟，并有許多已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用。 PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM，從實(shí)現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實(shí)現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控型）。隨著計(jì)算機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應(yīng)用的

19、是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準(zhǔn)優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)控制容易的特點(diǎn)。1.3 微機(jī)控制電機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀微機(jī)，出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微機(jī)的性能越來越高，價(jià)格越來越便宜。此外，電力電子的發(fā)展，使得大功率電子器件的性能迅速提高。因此就有可能比較普遍地應(yīng)用微機(jī)來控制電機(jī)，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機(jī)，使電機(jī)出現(xiàn)新的面貌。做這項(xiàng)研究的人是不在少數(shù)的。他們的研究方法是大同小異的，基本的設(shè)計(jì)

20、思路是一脈相承的大體可以歸納如下：計(jì)算機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被理解為一個(gè)以計(jì)算機(jī)為控制核心的閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的時(shí)候，系統(tǒng)通過速度檢測(cè)環(huán)節(jié)，檢測(cè)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，經(jīng)信號(hào)變換、放大等環(huán)節(jié)，把反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)定時(shí)對(duì)速度信號(hào)采樣，將采集后的被控量進(jìn)行分析、比較和處理，按一定的控制規(guī)律運(yùn)算，進(jìn)行控制決策、實(shí)時(shí)輸出控制量，通過計(jì)算機(jī)輸出通道對(duì)直流電動(dòng)機(jī)控制電路發(fā)出控制信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)的速度按要求發(fā)生變化，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制任務(wù)。比較簡(jiǎn)單的電機(jī)微機(jī)控制，只要用微機(jī)控制繼電器或電子開關(guān)元件使電路開通或關(guān)斷就可以了。在各種機(jī)床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已普遍采用帶微機(jī)的可編

21、程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電機(jī)的動(dòng)作。對(duì)于復(fù)雜的電機(jī)控制,則要用微機(jī)控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等,使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過微機(jī)控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。傳統(tǒng)的直流電機(jī)和交流電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問題；交流電機(jī)，不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。目前，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng).為了提高性能,在先進(jìn)的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中,已采用高速數(shù)字化處理芯片(DIGITAL SIGNAL PROCESSO

22、R,簡(jiǎn)稱DSP),其指令執(zhí)行速度達(dá)到每秒數(shù)百兆以上,且具有適合于矩陣運(yùn)算的指令.1.4 電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)目前，很多電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)都是由數(shù)字部件和模擬部件組成的混合系統(tǒng)，而全數(shù)字控制系統(tǒng)是當(dāng)前的發(fā)展方向。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，通常是既有模擬信號(hào)，也有數(shù)字信號(hào)；既有連續(xù)信號(hào)，也有離散信號(hào)。由于計(jì)算機(jī)的CPU只能識(shí)別和處理數(shù)字信號(hào)，而且只能一次次離散地處理，所以計(jì)算機(jī)處理外界信息時(shí)總要有一個(gè)采樣過程，電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)必然是一種采樣控制系統(tǒng)。電機(jī)采用微機(jī)控制，還具有以下特點(diǎn)：（1）硬件比較簡(jiǎn)單，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化。（2）可以分時(shí)操作；一臺(tái)微機(jī)可以起多個(gè)控制器的作用，為多個(gè)控制

23、回路服務(wù)；也可控制多個(gè)電機(jī)，完成較多功能。（3）計(jì)算機(jī)具有記憶和判斷功能，系統(tǒng)的控制方式由軟件決定，若要改變控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制規(guī)律編出新的程序即可；且可在運(yùn)行中隨時(shí)根據(jù)不同的電機(jī)工作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略等；使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。（4）計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快，精度高。它有豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲(chǔ)單元，因此有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如采樣參數(shù)辨識(shí)、優(yōu)化控制等現(xiàn)代控制理論所提供的控制算法，以達(dá)到較高的控制質(zhì)量。（5）數(shù)字量的運(yùn)算不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中所遇到的零點(diǎn)漂移問題，被控量可以很大，也可以很小，都較易保證足夠的控制精度。（6）信息

24、處理能力強(qiáng)，可以完成各種數(shù)據(jù)的處理，及時(shí)給操作人員提供有用的信息和指示。正因?yàn)橛猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，電機(jī)微機(jī)控制的理論及應(yīng)用發(fā)展得非常迅速，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)和普及。1.5本課題在實(shí)際應(yīng)用方面的意義和價(jià)值電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一.從80年代中后期起，世界各大電氣公司都在競(jìng)相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置，當(dāng)前直流調(diào)速已發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。全數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水

25、平的傳動(dòng)方式更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷推出，為工程應(yīng)用提供了優(yōu)越的條件。采用微機(jī)控制后,整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,操作維護(hù)方便,電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平.直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑,方便,調(diào)速范圍廣;過載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng),制動(dòng)和反轉(zhuǎn);能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求.由于微機(jī)具有較佳的性能價(jià)格比,所以微機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用.近年來,盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快,但是直流電機(jī)良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能,在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(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

26、要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用.現(xiàn)階段，我國(guó)還沒有自主的全數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置商用，國(guó)外先進(jìn)的控制器價(jià)格昂貴，研究及更好的使用國(guó)外先進(jìn)的控制器，具有重要的實(shí)際意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2 微機(jī)控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)整，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)采用門極可關(guān)斷晶閘管GTO、全控電力晶體管GTR、MOSFE

27、T、IGBT等電力電子器件組成的直流脈沖寬度（PWM）型的調(diào)速系統(tǒng)近年來已經(jīng)發(fā)展成熟，用途越來越廣泛，與晶閘管可控整流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）相比，在很多方面具有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率元件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較?。唬?）低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；（4）系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；（5）主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；（6）直流電源采用不可控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。2.1 系統(tǒng)框圖整個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示。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，

28、二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(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)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)?？刂芇WM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中對(duì)電機(jī)速度的控制。 圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖

29、所示，其中UPE是電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相(或單相)交流電源，輸出為可控的直流電壓鑄。對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P一MOSFET組成的PWM變換器;對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等;對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管裝置。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性2.2.1 問題的提出由前面的分析可知，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)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要

30、求快速起、制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截至負(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，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截至負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-2所示。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長(zhǎng)。對(duì)于像龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)那樣的經(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，希望充分利

31、用電機(jī)允許過載能力，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)態(tài)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)過程波形見圖2-3，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長(zhǎng)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(dòng)過程。圖2-2帶電流截至負(fù)反饋得單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程圖2-3理想快速啟動(dòng)過程實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-3所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，按照反饋

32、控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過程。問題是希望在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負(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)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔?，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個(gè)問題。2.2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(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，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，如圖2-4所示。這就是說，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)

33、器的輸出去控制PWM調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，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)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器2.2.3穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-4所示。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的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)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和

34、時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓?U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。圖2-4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實(shí)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(duì)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。（一）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 和 由第一關(guān)系式可得： （21） 從而得到圖2-4靜特性的段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和， ，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知：。這就是說，段靜特性從=0 （理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 。而一般都是大于額定電流的，這就是靜特性的運(yùn)行段。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。

35、雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) （22）式中，最大電流是設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加度（22）所描述的靜特性是圖2-5中的A-B段。這樣的下垂特性只適合于n<的情況。因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)圖2-5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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(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。這樣的靜特性顯然比帶電流至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算

36、放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。2.2.4各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算由圖2-5可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 （23） （24） （25）上述關(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(shí)取決于n和，或者說，同時(shí)取決于和。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(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。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽

37、和為止。鑒于這一點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： （26）電流反饋系數(shù)： （27）兩個(gè)給定電壓的最大值和是受運(yùn)算放大器的允許輸入電壓限制的。2.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能2.3.1動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型考慮到雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)可繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-6所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電流顯露出來。圖2-6雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3.2起動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起

38、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)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)調(diào)速系突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖2-7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)過渡過程也就分成三段，在圖中分別以、II、II圖2-7雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段0是電流上升的階段。突加給定電壓后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，使、上升，當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。當(dāng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器的作用使不在迅速增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。

39、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。從電流升到開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值（即靜特性上的）為止，屬于恒流升速階段，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)于是開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)（圖2-7）。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。由于電

40、流調(diào)節(jié)器ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。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)器是不飽和的。第III階段以后是轉(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相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機(jī)仍在最大電流下加速，必然會(huì)使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流也因而下降。但是，由于仍大于負(fù)載電流，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速任繼續(xù)上升。到時(shí)，轉(zhuǎn)矩,則，轉(zhuǎn)速n到達(dá)峰值

41、（t=時(shí)）。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)，電流也出現(xiàn)一段小于的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(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的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng).2.3.3 動(dòng)態(tài)性能和兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用（一）動(dòng)態(tài)跟隨性能如上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中，能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)該強(qiáng)調(diào)有良好的跟隨性能。（二）動(dòng)態(tài)抗擾性能1抗負(fù)載擾動(dòng)由圖

42、2-8動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降（升）。為了減少動(dòng)態(tài)速降（升），必須在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于ACR的設(shè)計(jì)來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。2.電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對(duì)它的動(dòng)態(tài)抗擾效果也不一樣。例如圖2-8 a的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載電流擾動(dòng)都作用在被負(fù)反饋包圍的前向通道上，僅靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾效果是一樣的。但是從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用的位置不同，還存在著及時(shí)調(diào)節(jié)上的差別。負(fù)載擾動(dòng)作用在被調(diào)量n的前

43、面。它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測(cè)出來，從而在調(diào)節(jié)器ASR上得到反映。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量更遠(yuǎn)，它的波形先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機(jī)電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)（圖2-8 b），這個(gè)問題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后，才在系統(tǒng)中起作用。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。圖2-8脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能a)單閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)b)雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)（三）兩個(gè)調(diào)節(jié)器的

44、作用1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。2.電流調(diào)節(jié)器的作用（1）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。（2）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流。（3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全飽和作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。2.4電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)我們現(xiàn)在采用一般系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法具體設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。由工程設(shè)計(jì)法可知，設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)逐步向外擴(kuò)展。在這里，先從電流環(huán)

45、入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)圖2-9電流環(huán)的動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖由雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可看出外環(huán)通過反電動(dòng)勢(shì)E對(duì)內(nèi)環(huán)產(chǎn)生影響，但是由于實(shí)際系統(tǒng)中處于外環(huán)的系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)比內(nèi)環(huán)的時(shí)間常數(shù)大得多，機(jī)構(gòu)經(jīng)ACR對(duì)內(nèi)環(huán)效正后其輸出量的動(dòng)態(tài)過程變化很快，而反電動(dòng)勢(shì)E的變化過程E（t）相對(duì)來說是緩慢的。反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)來說只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認(rèn)為E基本不變。因此在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)可以簡(jiǎn)化計(jì)算略去反電動(dòng)勢(shì)E對(duì)內(nèi)環(huán)地影響，將電流閉環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單位負(fù)反饋形式并將脈寬調(diào)制器和PWM變

46、換器的滯后時(shí)間T與電流反饋濾波時(shí)間兩個(gè)小的時(shí)間常數(shù)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)小慣性合并為一個(gè)小慣性時(shí)間環(huán)節(jié)，即，于是得到如圖2-9的電流簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。電流環(huán)即可設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)也可設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，一方面取決于對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)要求，并且典型I系統(tǒng)的跟隨性能優(yōu)于抗擾性，而典型II型系統(tǒng)的抗擾性優(yōu)于跟隨性。電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，因而在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)效正成典型I系統(tǒng)。另一方面電流環(huán)還有對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)的作用，為了提高其抗擾性能，有希望把電流環(huán)效正成典型II系統(tǒng)。在一般情況下，當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比

47、時(shí)，典型I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的，因此，效正成典型I型系統(tǒng)，顯然采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （28）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和，為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消掉控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，取=。按二階最佳系統(tǒng)效正，在一般情況下，希望超調(diào)量%5%時(shí)，查表得阻尼比=0.7070，=0.5，因此 （29）2.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)由自動(dòng)控制基本理論推導(dǎo)可得，電流環(huán)不論是典型I型花或是典型II型化在一定的近似條件下都可以等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，寫成通式為： （210）若典型I型化且=0.707，=0.5，則a=2。若典型II型化h=5,m=0.1.則a=。由上式畫出轉(zhuǎn)速閉環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，將它簡(jiǎn)化為單位負(fù)反

48、饋形式并將兩個(gè)小慣性合并為一個(gè)小慣性，即將轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速反饋的濾波時(shí)間常數(shù)與電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)合并為轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù).由于要求轉(zhuǎn)速對(duì)負(fù)載擾動(dòng)無靜差，則在ASR中必須含有積分環(huán)節(jié)，取ASR為PI調(diào)節(jié)器，因此轉(zhuǎn)速環(huán)必然按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。若只考慮給定信號(hào)的作用則得到簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-10所示，這里有 （211）圖2-10轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閉環(huán)等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可見，上圖已具備典型II型系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式，ASR調(diào)節(jié)器的參數(shù)按以下各式計(jì)算即可 （212） （213） （214）3 可逆PWM變換器3.1可逆PWM變換器工作原理可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有H型、T型等多種類型，現(xiàn)在選用常用的H型變換

49、器，它是由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種。本設(shè)計(jì)選用雙極式H型PWM變換器。圖3-1繪出了雙極式H型PWM變換器的電路原理圖。4個(gè)IGBT選用德國(guó)西門康公司生產(chǎn)型號(hào)為SKM 50GB123D，二極管選用MOTOROLA公司生產(chǎn)的超快恢復(fù)功率二極管，型號(hào)為MUR200 40CT,反向恢復(fù)時(shí)間小于50ns.基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。和同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓和；和同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓= =。它們的波形如圖311所示。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0t 時(shí)，和為正，晶體管和飽和導(dǎo)通；而和為負(fù)，和截止。這是，加在電樞AB兩端, =,電樞電流沿回路

50、1流通。t T時(shí)，和變負(fù)，和截止；、變正，但、并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃?chǔ)能的作用下，di沿回路2經(jīng)、續(xù)流，、上的壓降使、c-e極承受反壓，這時(shí)，=。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征。圖3-1雙極式H型PWM變換器電路由于電壓的正、負(fù)變化，使電流波形存在兩種情況，如圖3-2中的和。相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，這是平均負(fù)載電流大，在連續(xù)階段電流仍維持正方向，電機(jī)始終工作在第一象限的電動(dòng)狀態(tài)。相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是和 c-e極兩端失去反壓，在負(fù)的電源電壓（）和電樞反電動(dòng)勢(shì)的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機(jī)處于制動(dòng)

51、狀態(tài)。與此相仿，在0t 期間，當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，電流也有一次倒向。雙極式PWM變換器的可逆要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，>，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，<，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，=，平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。圖3-2雙極式PWM變換器電壓和電流波形 雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓為： （31）以=定義PWM電壓的占空比，則 = （32）的變化范圍為 1。當(dāng)為正值時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；為負(fù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。在0時(shí)雖然電機(jī)不動(dòng)，電樞兩端的瞬時(shí)電和瞬時(shí)電流都不是零，而是交變的。這個(gè)交變電流平均

52、值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，陡然增大電機(jī)的損耗。但它的好處是使電機(jī)帶有高頻的微振，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，消除正、反向的靜摩擦死區(qū)。 雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）電流一定是連續(xù)的；（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。3.2 PWM控制電路經(jīng)典的模擬控制電路主要由PWM 電路、延時(shí)電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。而PWM發(fā)生電路是采用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波放大后與一路可調(diào)直流電壓（電流調(diào)節(jié)器輸出的uk） 進(jìn)行比較，則電壓比較器輸出的是一系列方波

53、信號(hào)。如果改變uk 的大小, 那么方波脈沖寬度將會(huì)改變, 從而達(dá)到脈寬調(diào)制的目的。其基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理如圖3-3。脈寬調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)于PWM 調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質(zhì)量主要取決于三角波信號(hào)的質(zhì)量。如果三角波的線性度不好，那么PWM 的輸出將得不到對(duì)稱的波形。這對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不平衡。 (a） (b) 圖3-3 PWM基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理(a)基本電路結(jié)構(gòu) (b)脈寬調(diào)制原理3.2.1 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性 在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)所承受的電壓仍為脈沖電壓，因此盡管有高頻電感的平波作用，電樞電流和轉(zhuǎn)速還是脈動(dòng)的。所謂穩(wěn)態(tài)，只是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，電樞電流實(shí)際上是周期變化的，只能是算作“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。脈寬調(diào)速系統(tǒng)在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下的機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。在雙極式可逆PWM電路中，具有反向電流通路，在同一轉(zhuǎn)向下電流可正可負(fù)，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，這就使機(jī)械特性的關(guān)系式簡(jiǎn)單得多，