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1、毕业设计(论文) 直流电机综合性能仿真学 号：姓 名：专 业：电气工程及其自动化系 别：机械与电气工程系指导教师：XXXX讲师XXX副教授二一七年六月摘 要直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择，而仿真对于控制系统的分析、设计和验证具有重要的意义，使用MATLAB中的Simulink工具箱可以进行控制系统的仿真。作者借助于MATLAB 70软件，对一些典型的直流电机控制系统进行了仿真研究，实现了不同模型的动态仿真，对系统作了稳态和动态性能指标分析。对直流电机调速系统，采取纯电气原理图结构搭建混合模块的系统模型仿真。对数字P
2、ID控制算法进行了设计，包括简单的数字PID控制算法，同时在该调速系统中引入直流电机脉冲宽度调制（PWM）调速方法。研究了利用仿真手段整定计算机控制直流电机系统的采样周期和PID参数的方法，以获得优良的系统调速性能。关键词：MATLAB：仿真；直流电机；调速；PID1ABSTRACTThe simulation is of great significance to analyze，design and validate the control systemThe simulation of control system can be camed out through using MATLA
3、B programming language and MATLABSimulink toolboxThe study on a couple of typical DC control systems with MATLAB 70 has bean carried out by the author,and the system simulation based on difierent MATt,AB modds has been realized，including the simulation oftbe system model which is purely constructed
4、by the transfer function blocks，the simulation of the system model which is made up of hybrid Simulink blocks and the simulation ofthe system model coming from MATLAB programming,and the features ofthe above ways are illustrated。The analyze of dynamic and stable performance and index of these DC mac
5、hine control systems is also done in this study . Moreover,the simulation study on digital PID controlled DC control systems is also done in this research，including the simulation of simple digital PID control algorithm and the simulation of partial differential and integral separation,two kinds of
6、improved digilal PID control algorithmsThe method of tuning by simulation the sampling time and the PID control parameters 0f digital DC control system is studied to obtain good speed regulation performance。KEYWORDS：MATLAB；simulation；DE machine；speed regulation；PID4目 录摘 要iABSTRACTii目 录iii1 绪论11.1 直流
7、调速系统的简介11.2 本课题国内外研究现状11.3 计算机仿真研究背景和发展状况21.4 本设计的主要内容32 直流电机调速系统42.1 调速的性能指标42.1.1 调速范围42.1.2 调速平滑性42.1.3 调速的相对稳定性42.2 直流电动机的基本调速方法52.2.1 电枢回路串电阻调速52.2.2 减弱磁通调速52.2.3 降低电枢电压调速62.2.4 直流电机的制动72.3 直流调速系统的供电方式82.3.1 旋转变流机组82.3.2 静止可控整流器92.3.3 直流斩波器或脉宽调速92.4 闭环系统102.4.1 单闭环调速系统102.4.2 112.4.3 双闭环调速系统112
8、.5 PWM直流调速系统供电的基本原理16172.5.1 不可逆PWM变换器172.6 直流电动机的基本方程式172.6.1 电压平衡方程式172.6.2 转矩平衡方程式182.6.3 功率平衡方程式183 双闭环直流调速系统的MATLAB设计及仿真193.1 直流调速系统供电方案的选择及设计193.1.1 直流调速系统供电方案的选择193.1.2 PWM-M系统H型主电路的设计仿真193.2 参数计算213.2.1 电动机参数计算213.2.2 电流环参数计算及校验223.2.3 转速调节器的参数计算及校验233.3 仿真原件的选取及参数设定243.3.1 直流电动机仿真原件的选取及参数设定
9、243.3.2 电流、转速调节器器件的选择及参数设置263.3.3 其他相关仿真原件的介绍273.4 系统建立及仿真283.4.1 仿真系统的建立283.4.2 系统仿真曲线及仿真曲线的输出28结论32致 谢33参考文献33附录 一35附录 二36北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 直流调速系统的简介直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。早在20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调
10、速性能。在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制技术的角度来看，又是近年发展迅速的交流调速系统的基础。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。1.2 本课题国内外研究现状直流调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在20世纪40年代采用的是发电机电动机系统，又称放大机控制的发电
11、机电动机组系统。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控
12、型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。1.3 计算机仿真研究背景和发展状况计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的技术与方法。目前主要采用的是现代计算机仿真，特征是采用先进的微型计算机，使用专用的仿真软件
13、和仿真语言来实现，其数值计算功能强大，易学易用。他是20世纪80年代发展起来的，是当前主流的仿真技术与方法。计算机仿真应用：计算机仿真在目前有着广泛的应用。而且应用的深度和广度也越来越大，主要应用在航空与航天工业、电子与电力工业、原子能工业和非工程领域如医学、经济学等方面。计算机仿真技术的应用意义：计算机仿真技术具有重要的意义，主要体现在以下几个方面：(1) 经济。大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，而采用仿真实验成本很低，而且设备可以重复使用。(2) 安全。采用仿真实验可以可以有效地降低对某些系统进行直接实验的危险程度，对系统的研究起到保障作用。(3) 快捷。提高设计效率，如电路设计，服装设
14、计等。(4) 具有优化设计和预测的特殊功能。对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能；而且通过仿真技术与方法的应用可以获得对系统的某种超前认识。本次毕业设计选用的仿真软件为MATLAB 7.0。MATLAB是Malhworks公司于1984年推出的数学软件，是一种用于科学工程计算的高效率的高级语言。MATL AB的含义是“矩阵实验室”(Marix Laboratory)，主要向用户提供一套非常完善的矩阵运算命令。随着数值运算的演变，它逐渐发展成为各种系统仿真、数字信号处理、科学可视化的通用标准语言。由于MATLAB软件完整的专业体系和先进的设计开
15、发思路，使得MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在MATLAB的主要应用方向一一科学计算、建模仿真及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具。MATLAB软件由于其强大的功能，早已被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。使用MATLAB软件对各种直流调速系统进行仿真分析和设计，可以大大缩短控制系统的算法设计开发周期。近年周渊深博士H依据MATLABSimulink工具箱中的各种仿真模块，首次提出一种叫做面向电气原理图结构的构建调速系统模型的方法，以此进行各种交直流调速系统的仿真。该方法由于使用了SimulinkPower System工具箱中的电
16、力模块，所以搭建的仿真模型正如其名称，与系统的电气原理图结构相似，很直观。1.4 本设计的主要内容本次毕业设计主要简述电机的基本原理，对直流电机的工作原理、运行特性和其电力拖动基础进行相关分析说明，在此基础上采用电气原理图结构的构建调速系统模型的方法，设计基于PWM调速的系统，对直流电机的性能进行仿真分析。以直流电机参数为110V，2.9A，2400r/min，电枢电阻为3.4欧，电枢电感为60.4mH，转动惯量为0.014Kgm2，励磁电压为110V，励磁电流为0.5A，仿真该电机在额定负载是的工作情况为例进行研究。312 直流电机调速系统2.1 调速的性能指标电动机调速性能的好坏，常用调速
17、范围、调速平滑性、调速的相对稳定性和调速的经济性来衡量。2.1.1 调速范围调速范围是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比，通常用表示，既 (2-3)要扩大调速范围，必须尽可能提高电动机的最高转速和降低最低转速。电动机最高转速受到电机的机械强、换向条件、电压等级等方面的限制，而最低转速则受到低速运行的相对稳定性等方面的限制。2.1.2 调速平滑性在一定的调速范围内，调速级数越多，就认为调速越平滑。相邻两个调速级的转速与之比称为平滑系数，用表示，即 (2-3)值越接近1，调速平滑性越好。无级调速即转速可以联系调节。调速不连续时，级数有限称为有级调速。2.1.3 调速的相对稳定
18、性调速的相对稳定性是指负载转矩发生变化时，电动机转速随之变化的程度。常用静差率来衡量调速的相对稳定性，它是指电机电动机在某一机械特性曲线上运转时，在额定负载下的转速降对理想空载转速的百分比，即 (2-3)静差率和机械特性的硬度有关，电动机的机械特性越硬，转速变化率越小，静差率越小，相对稳定性越高。但机械硬度相等，静差率可能不相等。调速的经济性主要指调速设备的初投资，运行效率和维护费用等。2.2 直流电动机的基本调速方法由电机学基本理论可知，直流电动机稳态运行时，直流电机方程式为：电枢电动式方程： (2-4)电磁转矩方程： (2-5)电压平衡方程式： (2-6)由公式(2-4)、(2-5)、(2
19、-6)可得机械特性方程式为 (2-7)由式(2-7)可知，直流电机有以下三种基本调速方法，分别为改变电枢电阻调速、改变磁通调速和改变电枢电压调速。2.2.1 电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速时，电机端电压为额定电压，磁通为额定磁通不变，并且假设电机轴上的负载转矩不变，其调速的机械特性曲线图如图2-1。图2-1这种调速方法的特点是：(1)调速的平滑性差；(2)低速时输出扭力小，稳定性差；(3)轻载时调速效果不佳；(4)串入的电阻损耗大，效率低；(5)调速范围小。但这种调速方法具有设备简单、操作方便的优点，适宜于做短时调速，在起重和运输牵引装置中得到广泛的应用。2.2.2 减弱磁通调速他励直流
20、电动机改变磁通调速，比较简单的方法是在励磁回路中串联调速电阻，改变励磁电流，使磁通改变。这种调速方法的优点是：(1)可用小容量调节电阻，控制简单，调速平滑性较好；(2)投资少，能量损耗小，调速的经济性能好。但在正常工作时，磁路已经趋于饱和，所以只能采取弱磁调速方式，调速范围不广。图2-22.2.3 降低电枢电压调速电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。如图2-3是直流电机改变电枢电压的机械特性曲线。如图假设电动机拖动恒转矩负载转矩在图2-3所示固有特性曲线上的点运行，若将电枢电压降低至U，在此瞬间电机转速没有变化，电动势也没有变化，电枢电流将减小，必将导致
21、电磁转矩减小，运行点由点变化到人为机械特性曲线2上的点，这时，致使转速下降，电动势随之下降，又使电磁转矩和电枢电流逐渐增大，工作点由点向点变化，当电磁转矩一直增加到时，电动机就稳定在人为特性曲线2的点上运行。同样的道理，若电枢电压降低至，运行点由点变换至人为特性曲线3上的点，沿曲线3向点变化，最后稳定在运行在点。降压调速的特点是：(1)可以实现无级调速，平滑性好；(2)由于机械特性斜率不变，相对稳定性好；(3)调速范围广；(4)调速过程能量损耗较小；(5)专用电源，设备投资交大。图2-3 改变电枢电压的机械特性2.2.4 直流电机的制动根据电磁转矩和转速的方向关系，把电动机运行分为两种状态：当
22、和同向时为电动运行状态，反向时为制动状态。而在电力拖动系统中，电动机很多情况下需要工作在制动状态下，这就要求对电动机进行制动。制动的方法一般有机械制动和电气制动。机械制动一般指的是电磁抱闸制动装置；电气制动指的是用电机制动状态产生阻碍运动的电磁转矩来制动。电气制动有许多优点，如没有机械磨损，便于控制，优时还能将输入的机械能转化为电能回馈回电网，经济节能，因此得到广泛应用。他励直流电动机的电气制动一般有：能耗制动、反接制动和回馈制动。一、 能耗制动进入能耗制动时，切断电源并串入一个制动电阻，在拖动系统的惯性作用下，电动机继续旋转，励磁任然保持不变，在电动势作用下，电动状态变为发电状态，把旋转系统
23、所储存的动能变为电能，消耗在制动电阻和电枢电阻中。由于此时电动机的电压，则电枢电流为 (2-3)由此可见，电枢电流与运动状态的电枢电流方向相反，产生的电磁转矩也与电动状态的电磁转矩方向相反，变为制动转矩，使电动机很快减速直至停止。由(2-3)式可计算出制动电阻的数值，即 (2-3)式中 为制动起始时的电枢电动势；为制动起始时电机的转速；为制动起始时的制动电流。能耗制动的优点是：制动减速比较平稳可靠；控制线路简单，转速减小至0时，制动转矩也减小至0，便于实现准确停车。其缺点是制动转矩随转速下降成正比地减小，影响制动效果。二、 反接制动三、 回馈制动2.3 直流调速系统的供电方式采用调压调速，必须
24、有一个平滑可调的直流电枢电源。常用的可控直流电枢电源有以下三种：(1) 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成，以获得可调直流电压。(2) 静止可控整流器 用静止的可控整流器，比如晶闸管可控整流器，以获得可调直流电压。(3) 直流斩波器和脉宽调制变换器 用衡定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或者脉宽调制器产生可变的平均电压。2.3.1 旋转变流机组如图2-1，旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要的直流电动机M供电，调节G的励磁电流即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这种调速系统在60年代曾广泛使
25、用，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。图2-1旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）2.3.2 静止可控整流器自从晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图2-2，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。和旋转变的散热条件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近
26、的用电设备，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。图2-5 晶闸管直流调速系统2.3.3 直流斩波器或脉宽调速图2-3直流斩波器电动机系统的原理图和电压波形1）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。3）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗绕能力强。4）开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而全取代了VM系统。2.4 闭环系统2.4.1 单闭环调速系统根据自动控制原理，对于控制系统各个输入输出量的关系，可以画出转速负反馈单闭环调速系统的稳态结构图，如图2-9所示，图中各个方块内的符号代
27、表该环节的放大系数，也称传递函数。图2-9 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图由以上关系式中消去中间变量，或由系统稳态结构图运算，均可得到系统的静态特性方程式 (2-3)式中为闭环系统的开环放大系数，它是由系统中各个环节单独放大系数的乘积；是闭环系统的理想空载转速；闭环系统的稳态速降。只考虑扰动作用时的闭环系统：图2-7c =0时(2-7)由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来即得系统的静特性方程式：如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为 （2-9）而闭环时的静特性可写成 (2-3)其中和分别表示开环和闭环系统的理想空载转速，和分别表示开环和闭环系统的稳态速降。 和 (2-3) 按
28、理想空载转速相同的情况比较，则 = 时： (2-3)如调制的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。图2-8 闭环系统静特性和开环机械特性的关系2.4.2 2.4.3 双闭环调速系统1、 转速、电流闭环调速系统存在的问题在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标的两个矛盾，即1) 动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；2) 起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾5。采用转速负反馈和PI调节
29、器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。在电机最大电流受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流Idcr值
30、以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-2a所示。a) b)图2-2 调速系统启动过程的电流和转速波形a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 b) 理想快速启动过程当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后,
31、又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图2-2b所示,起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。2、 双闭环调速系统的调节原理图2-3 双闭环调速系统的原理框图为了实现转速和电流两种负反馈分别
32、起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接.把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uimax，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。3、 双闭环调速系统启动过程分析双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起
33、动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。从起动时间上看，第二段恒流升速是主要阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中转速一定有超调。其起动过程波形如图2-4所示。图2-4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 从图2-4知,整个起动过程分为三个阶段：第I阶段是电流上升阶段。突加给定电压Un*后,通过两个调节器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，当IdIdL后，电动机开始转动。由
34、于机械惯性作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压Un=Un*-Un数值较大，其输出很快达到限幅值Uim*，强迫电流Id迅速上升。当IdIdm时，UiUim*，电流调节器的作用使I不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第II阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值n*为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中ASR始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而拖动系统的加速度
35、恒定，转速成线性增长。第III阶段是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ACR的给定电压Ui*立即从限幅值下来，主电流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到Id=IdL时，转距Te=TL，则dn/dt=0，转速n达到峰值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一小段小与IdL的过程，直到稳定。综上所述
36、，双闭环调速系统有如下三个特点： 1）饱和非线性控制：随着ASR的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当ASR饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环系统，当ASR不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下，表现为不同结构的现行系统，这就是饱和非线性控制的特征。 2）准时间控制：启动过程中主要阶段实第II阶段，即恒流升速阶段。它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能更快。这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。 3）转速超调：由于采用了饱和非线性
37、控制,启动过程结束进入第III阶段即转速调节阶段后,必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压Un为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。4、 双闭环调速系统的静特性及稳态参数的计算双闭环调速系统静特性的关键是掌握转速调节器PI的稳态特性，它一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，输入量的变化不在影响输出，除非有反向的输入信号使转速调节器退饱和，这时转速环相当于开环；不饱和输出未达到限幅值，转速调节器使输入偏差电压在稳态时总是零。当调节器线性调节输出未达到限幅值，则，同前面讨论的相同，由于积累作
38、用使，即保持不变，直到。见图2-11中段。当调节器饱和输出为限幅值，转速外环的输出量极性不改变，转速的变化对系统不在产生影响，转速调节器相当于开环运行，这样双闭环变为单闭环电流负反馈系统，系统由恒转速调节变为恒电流调节，从而获得极好的下垂特性，如图2-11段。由上面的分析可得，转速环要求电流迅速响应转速的变化，而电流环则要求维持电流不变。这不利于电流对转速变化的响应，有使静特性变软的趋势。但由于转速环设计的是外环，电流环的作用只想到于转速环内部的一种扰动作用而已，不起主导作用，所以只要转速环放大倍数足够大，最后仍然能靠的积分作用消除偏差，致使其静态特性具有近似理想的特性曲线，如图2-11虚线所
39、示。AB图2-6 双闭环系统的静特性当两个调节器都不饱和且系统处于稳态工作时，和。由于稳态时两个PI调节器输入电压偏差为0，给定电压与反馈电压相等可得参数为控制电压 (2-3)转速反馈系数 (2-3)电流反馈系数 (2-3)其中，和是受运算放大器的允许输入限幅电路电压限制的。五、 双闭环调速系统动态数学模型双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器的传递函数就是PI调节器的传递函数。ASR和ACR的传递函数为 (2-3) (2-3)双闭环调速系统的动态结构图见图2-11。六、 双闭环调速系统中两个调节器的作用1. 转速调节器的作用 使转速跟随给定电压变化，稳态无静差； 对负载变化起抗干扰作用； 其
40、输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用 电动机起动时保证或得最大电流，启动时间短，使系统具有较好的动态性； 在转速调节过程中，使电流跟随其他给定电压变化； 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用，故障消除后，系统能自动恢复正常。 对电网电压波动起快速抑制作用。2.5 PWM直流调速系统供电的基本原理直流脉冲宽度调制变流装置是随着全控型电力电子器件的出现而发展的。电动机。由脉冲宽度调制变换器件向电机供电的系统称脉宽调制传动系统，简称PWM-M系统。图2-1为PWM-M系统原理框图，通过调节PWM信号的脉冲宽度来控制电力电子器件的导通和关断时间，从而改变输出电压的平
41、均值，实现电机的平滑调速，直流脉冲宽度调制系统与相位控制传动系统相比较，体积可缩小30%以上，装置效率高，功率因数高。图2-12.5.1 不可逆PWM变换器2.6 直流电动机的基本方程式直流电动机得基本方程式是指直流电动机稳定运行时电路系统的电压平衡方程式、机械系统的转矩平衡方程式以及能量转化过程中的功率平衡方程式。这些方程式反映了直流电动机内部的励磁过程，又表达了电动机的能量转换，说明了直流电动机的运行原理。同时由于开关频率的提高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都比较小，低速性能好，稳速精度高，系统通频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强。图2-12.6.1 电压平衡方程式直流电动机
42、运行时，电枢绕组切割气隙磁场产生感应电动势。又右手定则可以判定电动势Ea的方向与电枢电流Ia的方向相反，如图2-1所示。以图2-1中各个物理量的方向为参考正方向，就可以写出他励直流电动机的电压平衡方程式 图2-1 2.6.2 转矩平衡方程式2.6.3 功率平衡方程式3 双闭环直流调速系统的MATLAB设计及仿真3.1 直流调速系统供电方案的选择及设计3.1.1 直流调速系统供电方案的选择为了供给直流直流电动机的励磁电流，旋转变流机组通常专门设置一台直流励磁发电机GE，导致G-M系统设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不方便和运行噪声大等缺点。而晶闸管整流器虽具有效率高、体积小、成本低和无噪
43、声等优点，但由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管原件对过电压，过电流都很敏感，因此晶闸管整流电流需设计许多保护环节，使电路设计复杂化。当系统处在深度调速状态时，晶闸管的导通角很小，使得系统功率因数很低，并产生谐波电流，引起电网电压畸变，殃及附近的用电设备。随着电力电子器件的迅速发展，由全控型可关断器件实行开关控制，大多采用脉宽调制（PWM）变换器供电的直流调速系统。与晶闸管可控装置相比，PWM系统静具有开关频率高、低速运行稳定、动静态性能优良、效率高等一系列有点。故在此选择使用脉宽调制直流调速系统。3.1.2 PWM-M系统H型主电路的设计仿真直流PWM-M调速系统的主电路
44、组成如图6-31所示，主电路又四个电力场效应晶体管VF1VF4和四个续流二极管VD1VD4组成H型连接组成。当VF1和VF4导通时，有正向电流ii通过电动机M，电动机正转；当VF2和VF3导通时，有反向电流i2通过电动机M，电动机反转。VF1VF4驱动信号调制原理如图6-29所示，在三角波与控制信号Uct相交时，分别产生驱动信号Ub1、Ub4、Ub2、Ub3，波形如图6-32。仿真系统图中，H型变流器调用了多功能桥（Universal Bridge）,其参数设为2桥臂，abc在交流输出端，开关器件为MOSFET（见图4-34），当多功能桥用于直流PWM变流时，其驱动信号发生电路需要单独设计，设计的驱动信号发生电路如图6-35所示，图中输入端In1接脉冲调制信号，输出端输出四路MOSFET的驱动信号。脉宽调制由两个PWM发生器（PWM Generator）模块进行，其中上方的产生VF1和VF2的驱动信号，下方的PWM发生VF3和VF4的驱动信号，为了使PWM发生器输出的驱动信号顺序与多功能桥的驱