運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)--直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　指導(dǎo)教師： XXX</p><p>　　學(xué) 生： XXX</p><p>　　學(xué) 號(hào)： XXX</p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化</p><p>　　班

2、 級(jí)： 02班</p><p>　　設(shè)計(jì)日期： 2014.9.22—2014.9.29</p><p><b>　　2014年9月</b></p><p>　　自動(dòng)化學(xué)院2011級(jí)自動(dòng)化專業(yè)</p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的和任務(wù)</

3、p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電壓、電流、頻率等輸入量，來(lái)改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。在電力、工業(yè)、交通、航空航天等很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其它多項(xiàng)高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，提高學(xué)生的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力是教學(xué)計(jì)劃中必不可少的重要一環(huán)。</p><p&

4、gt;　　通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的：</p><p>　　1、培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是利用互聯(lián)網(wǎng)檢索文獻(xiàn)資料的能力。</p><p>　　2、培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。</p><p>　　3、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。</p><p>　　4、提高學(xué)生的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力。

5、</p><p>　　5、提高學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫水平。</p><p>　　二、課程設(shè)計(jì)的基本要求</p><p>　　1、在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)和創(chuàng)造性的思維方式以及創(chuàng)造能力。課程設(shè)計(jì)從確定方案到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求有理有據(jù)，仿真過(guò)程要求圖文并茂，論證充分。</p><p>　　2、在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)獨(dú)立分析

6、和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，獨(dú)力完成課程設(shè)計(jì)的所有內(nèi)容，嚴(yán)禁抄襲。</p><p>　　3、課題設(shè)計(jì)報(bào)告要求嚴(yán)格按照課程設(shè)計(jì)排版要求規(guī)范格式，且文字通順，邏輯性強(qiáng)。</p><p>　　4、課題設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容部分字?jǐn)?shù)要求為6000字左右。（A4紙打印8頁(yè)左右）</p><p>　　三、參考資料 </p><p>　　1、

7、阮毅, 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第4版）. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009</p><p>　　2、洪乃剛. 電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010</p><p>　　3、林飛, 杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2008</p><p>　　4、顧春雷等，電力拖動(dòng)自

8、動(dòng)控制系統(tǒng)與MATLAB仿真，清華大學(xué)出版社，2011</p><p>　　四、課程設(shè)計(jì)的工作計(jì)劃</p><p>　　課程設(shè)計(jì)時(shí)間總共5天。</p><p>　　1、參考相關(guān)資料，消化設(shè)計(jì)內(nèi)容（1天）；</p><p>　　2、按要求完成設(shè)計(jì)任務(wù)（2.5天）；</p><p>　　3、按課程設(shè)計(jì)的規(guī)范要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告

9、（1.5天）。</p><p><b>　　五、備選題目</b></p><p>　　1. 帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　為了解決轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，可以通過(guò)引入電流截止負(fù)反饋使得系統(tǒng)在電流大到保護(hù)閾值時(shí)自動(dòng)限制電樞電流，而在正常的穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)，電流自動(dòng)隨著負(fù)載的增減而變化。本課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

10、要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)，并基于Matlab/Simulink建立其仿真模型，分析電流截止負(fù)反饋功能對(duì)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性的影響。</p><p><b>　　主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p>　　查詢文獻(xiàn)資料或者結(jié)合某具體應(yīng)用背景，自選直流電動(dòng)機(jī)及電樞電路的參數(shù)，并設(shè)定系統(tǒng)預(yù)期性能指標(biāo)（如調(diào)速范圍及靜差率等）及電流截止保護(hù)閾值；</

11、p><p>　　確定直流電源方案及電流負(fù)反饋方案，繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算；</p><p>　　控制器選型及控制參數(shù)設(shè)計(jì)；</p><p>　　建立系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果并進(jìn)行仿真分析。</p><p><b>　　主要分析內(nèi)容：</b></p><p>　　采用比例控制器，分析額定

12、負(fù)載下的系統(tǒng)在階躍給定下的控制器輸出電壓、電樞電流以及輸出轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性，分析穩(wěn)態(tài)誤差并與理論計(jì)算結(jié)果相比較，分析比例控制系數(shù)Kp對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響并驗(yàn)證理論臨界放大系數(shù)；分析系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程及過(guò)載情況下，電流截止負(fù)反饋功能對(duì)電樞電流的抑制效果。</p><p>　　采用比例積分控制器，分析額定負(fù)載下的系統(tǒng)在階躍給定下的控制器輸出電壓、電樞電流以及輸出轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性；分析系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程及過(guò)載情況下，電流截止負(fù)反饋功能對(duì)

13、電樞電流的抑制效果，并與比例控制器下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　2. 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　在許多生成過(guò)程中，由于加工和運(yùn)行的需要，電機(jī)經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的過(guò)渡過(guò)程，而過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)短在很大程度上決定了生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)效率。為了縮短時(shí)間，可以采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)來(lái)獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。本課程設(shè)計(jì)內(nèi)容要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉

14、環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)，并基于Matlab/Simulink建立其仿真模型，以此研究不同控制器參數(shù)下電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程。</p><p><b>　　主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p>　　查詢文獻(xiàn)資料或者結(jié)合某具體應(yīng)用背景，自選直流電動(dòng)機(jī)及電樞電路的參數(shù)，并設(shè)定系統(tǒng)預(yù)期性能指標(biāo)（如上升時(shí)間、超調(diào)量、峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間等）；</p><p>　

15、　確定直流電源方案及閉環(huán)反饋方案，繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算；</p><p>　　控制器選型及控制參數(shù)設(shè)計(jì)；</p><p>　　建立系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果并進(jìn)行仿真分析。</p><p><b>　　主要分析內(nèi)容：</b></p><p>　　額定負(fù)載下，分析電機(jī)從靜止到額定轉(zhuǎn)速的起動(dòng)過(guò)程，包括兩個(gè)控制

16、器輸出電壓、電樞電流以及輸出轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性，列寫出上升時(shí)間、超調(diào)量、峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間等指標(biāo)參數(shù)，并與預(yù)期值進(jìn)行對(duì)比；分析電機(jī)制動(dòng)過(guò)程中兩個(gè)控制器輸出電壓、電樞電流以及輸出轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性。</p><p>　　分析兩個(gè)控制器的比例、積分參數(shù)對(duì)輸出轉(zhuǎn)速的影響，并選擇一組合適參數(shù)用于分析電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流對(duì)電樞電流、輸出轉(zhuǎn)速的影響。</p><p>　　3. 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p&

17、gt;<p>　　實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正向與反向旋轉(zhuǎn)，是大多數(shù)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本要求。對(duì)于動(dòng)態(tài)性能要求較高的調(diào)速系統(tǒng)（例如目標(biāo)追蹤系統(tǒng)），還會(huì)要求系統(tǒng)有應(yīng)用所需的轉(zhuǎn)速反向能力。本課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切換的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在電機(jī)額定負(fù)載下，對(duì)于拖動(dòng)性負(fù)載，由正向額定轉(zhuǎn)速到反向額定轉(zhuǎn)速的快速變化。</p><p>　　所需電動(dòng)機(jī)請(qǐng)從《Z4直流電機(jī)系列》中選擇。調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)必須基

18、于轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。需對(duì)如下部分給出設(shè)計(jì)計(jì)算方案：</p><p><b>　　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　控制器參數(shù)</b></p><p><b>　　相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源</b></p><p>　　并基于Simulink建立直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，

19、并著重對(duì)轉(zhuǎn)速反向動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析。需要仿真分析說(shuō)明系統(tǒng)在額定負(fù)載下，從正向額定轉(zhuǎn)速變化到方向額定轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，以下相關(guān)量的動(dòng)態(tài)變化情況：</p><p><b>　　系統(tǒng)給定值的變化；</b></p><p><b>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化</b></p><p><b>　　電樞電流的變化</b><

20、;/p><p><b>　　電流環(huán)給定值的變化</b></p><p>　　電流控制器輸出值的變化</p><p>　　以上變量均需以Simulink輸出動(dòng)態(tài)曲線作為說(shuō)明依據(jù)。并基于以上依據(jù)分析說(shuō)明</p><p>　　該過(guò)程中各個(gè)階段能量的傳輸方向；</p><p>　　提高轉(zhuǎn)速反向動(dòng)態(tài)性能的策略&

21、lt;/p><p>　　4. 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制是交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速最基本的控制方式，能滿足大多數(shù)場(chǎng)合交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的要求，并且使用方便，是通用變頻器的基本模式。變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由升降速時(shí)間設(shè)定、U/f曲線、PWM調(diào)制和驅(qū)動(dòng)、逆變器以及交流電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)組成，本課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的變壓變頻交流調(diào)速系統(tǒng)，并基于Matlab/Si

22、mulink建立系統(tǒng)仿真模型，分析系統(tǒng)特性。</p><p><b>　　主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p>　　查詢文獻(xiàn)資料或者結(jié)合某具體應(yīng)用背景，自選交流異步電動(dòng)機(jī)及電樞電路的參數(shù)，并設(shè)定系統(tǒng)預(yù)期性能指標(biāo)；</p><p>　　確定逆變器控制方案（如SPWM、SVPWM或CFPWM等），繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算；</p

23、><p>　　根據(jù)升降速時(shí)間要求設(shè)計(jì)積分電流給定算法；</p><p>　　根據(jù)負(fù)載需求設(shè)計(jì)低頻電壓補(bǔ)償算法，繪制U/f曲線；</p><p>　　建立系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果并進(jìn)行仿真分析。</p><p><b>　　主要的分析內(nèi)容：</b></p><p>　?。?）不帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比

24、控制方式下，分析系統(tǒng)在額定負(fù)載下起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速、逆變器輸出電壓、電流及頻率響應(yīng)特性，分析給定積分算法對(duì)起動(dòng)電流的限制效果；</p><p>　?。?）帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式下，分析低頻電壓補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)機(jī)械特性的影響，計(jì)算補(bǔ)償前后的臨界轉(zhuǎn)矩并與仿真結(jié)果相比較。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b&g

25、t;　　1 引言</b></p><p>　　在生產(chǎn)機(jī)械尤其是機(jī)床加工的過(guò)程中，要求電機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速的啟動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性，也就是需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)可采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用電流負(fù)反饋能夠得到近似的恒流過(guò)程，并且要做到在起動(dòng)過(guò)程只有電流負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)又只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。由A

26、SR和ACR分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者間實(shí)行串級(jí)連接，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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速控制。</p><p>　　對(duì)于可逆系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可采用改變電樞電壓的極性，或者改變勵(lì)磁磁通的方向，都能夠改變直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，這對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言是很簡(jiǎn)單的事。然而當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)采用電力電子裝置供電時(shí)，由于電力電子器件的單向?qū)щ娦?，?wèn)題變得復(fù)雜。

27、根據(jù)之前所學(xué)知識(shí)，可以采用直流PWM可逆調(diào)速和V-M可逆直流調(diào)速，兩種可逆調(diào)速系統(tǒng)各具優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，根據(jù)所選用的電動(dòng)機(jī)參數(shù)分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)；采用V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，對(duì)電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后根據(jù)所得到的設(shè)計(jì)方案，用MATLAB軟件的Simulink模塊建立直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)仿真的結(jié)果對(duì)

28、轉(zhuǎn)速反向動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析。</p><p>　　2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)組成</p><p><b>　　2.1 主電路結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，?duì)于需要電流反向的直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)線路來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速，如下圖所示。電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時(shí)，由反組晶閘管

29、裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)和升、降速。</p><p>　　圖2.1 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路</p><p>　　2.2 α=β配合控制</p><p>　　采用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)在兩組裝置同時(shí)工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不流過(guò)負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。正組VF和反組

30、VR都處在整流狀態(tài)時(shí)，造成兩組的直流平均電壓正、負(fù)相連，會(huì)產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。為了防止直流平均環(huán)流的產(chǎn)生，應(yīng)在正組處于整流狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)迫讓反組處于逆變狀態(tài)，并使兩組輸出電壓的平均值大小相等、符號(hào)相反。因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為零時(shí)，應(yīng)有正組的觸發(fā)延遲角等于反組的逆變角即α=β配合控制。</p><p>　　如果將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90°，增大控制電壓移相時(shí)，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小

31、相等、符號(hào)相反就可以了，對(duì)應(yīng)觸發(fā)角、逆變角的變化如下圖所示。</p><p>　　圖2.2 α=β配合控制特性</p><p>　　2.3 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　由圖2.3可知，該V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制精度得到保證。主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路，對(duì)兩組晶閘管裝置的觸發(fā)角進(jìn)行

32、α=β配合控制實(shí)現(xiàn)無(wú)直流平均環(huán)流，在兩組晶閘管回路中加入四個(gè)環(huán)流電抗器來(lái)抑制瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。正組晶閘管VF由GTF觸發(fā)，反組晶閘管VR由GTR觸發(fā)；根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運(yùn)行的需要，給定電壓、轉(zhuǎn)速反饋電壓、電流反饋電壓都應(yīng)該能夠反映正和負(fù)的極性。①給定電壓，在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，KF閉合，Un*=“+”；反轉(zhuǎn)時(shí)，KR閉合，Un*=“-”。②轉(zhuǎn)速反饋，在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Un=“-”；反轉(zhuǎn)時(shí)， Un=“+”③電流反饋電壓，在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Ui =“+”；反轉(zhuǎn)時(shí)

33、，Ui =“-”。</p><p>　　圖2.3 α=β配合控制的有環(huán)流系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　3 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 直流電動(dòng)機(jī)的選擇</p><p><b>　　3.1.1電機(jī)參數(shù)</b></p><p>　　型號(hào)：Z4-180-11；額定功率

34、：13kW；額定轉(zhuǎn)速:540 r/min; 額定電壓：160V； 電樞電流：42.4A；電樞回路電阻：1.264；電樞回路電感：25mH; 慣量矩：1.52。</p><p>　　3.1.2設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)</p><p>　　① 電流調(diào)節(jié)器,要求電流超調(diào)量5%</p><p>　?、谵D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，要求轉(zhuǎn)速超調(diào)量10%</p><p>　　3.2

35、雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖3.1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法：先從電流環(huán)開(kāi)始，對(duì)其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，再按照控制對(duì)象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，最后按動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)完成后

36、，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。</p><p>　　3.3電流調(diào)節(jié)器ACR設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化</p><p>　　電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化圖</p><p>　　圖3.2 電流調(diào)節(jié)器模塊</p><p>　　3.3.2電流調(diào)節(jié)器ACR的選擇</p&g

37、t;<p>　　調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)基本思路: 將控制對(duì)象校正成為典型系統(tǒng)。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” </p><p>　　電流超調(diào)量≤5% ，電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器。</p><p>　　從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性

38、，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。</p><p>　　從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主。 </p><p>　　3.3.3電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　(1)傳遞函數(shù)可以寫成：</p><p>

39、;<b>　?。?.1）</b></p><p>　　(：電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；： 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。)</p><p>　　(2)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)：</p><p>　　==1.52*1.264/375*0.131*1.25=0.031s （3.2）</p><p>　　(3)電動(dòng)機(jī)電磁時(shí)間常數(shù)：

40、=0.03s</p><p>　　(4)三相晶閘管整流電路平均失控時(shí)間：=0.0017s</p><p>　　(5)電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)：=+=0.0017+0.002=0.0037s （3.3）</p><p>　　為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇= =0.076s。</p><p>　　(6)電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：=

41、=135.1 （3.4）</p><p>　　(7)晶閘管裝置放大系數(shù)：，電流反饋系數(shù)：=0.157</p><p>　　(8)電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：==0.816 （3.5）</p><p>　　(9)電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器限幅值=±10V。</p>

42、<p>　　3.3.4電流調(diào)節(jié)器ACR的作用</p><p>　　當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。</p><p>　?。?）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。</p><p>　?。?）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗

43、擾的作用。</p><p>　?。?）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。</p><p>　?。?）當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，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(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。</p><p>　　3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)</p><p>　

44、　3.4.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化</p><p>　　圖3.3 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化圖</p><p>　　圖3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊</p><p>　　3.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的選擇</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選中頻段寬度h=5。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前

45、面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 Ⅱ 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 </p><p>　　3.4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　(1)傳遞函數(shù)可以寫成：</p><p><b>　?。?/p>

46、3.6）</b></p><p>　?、齐娏鳝h(huán)等效時(shí)間常數(shù) ，=2 =0.0074s （3.7）</p><p><b>　?、寝D(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　⑷轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)，=0.0174s （3.8）</p>&l

47、t;p>　?、葾SR的超前時(shí)間常數(shù)為: ==0.087s （3.9）</p><p>　?、蔄SR的比例系數(shù)為：==5.5 （3.10）</p><p>　　(7)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；</p><p>　　它是由負(fù)載電流 決定。=20A。則=-*λ=42.4-1.5*20=10V （3.1

48、1）</p><p>　　3.4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　（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 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。</p><p>　?。?）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。</p><p>　?。?）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。</p>

49、;<p>　?。?）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(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作</p><p>　　4 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真</p><p>　　4.1 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真框圖</p><p>　　V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路采用的是兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆電路。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，不允許讓兩組

50、晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路。本系統(tǒng)采用的是三相橋式反并聯(lián)可逆線路，可使電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)?；谵D(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab Simulink仿真框圖請(qǐng)見(jiàn)附錄。</p><p>　　4.2 V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析</p><p><b>　　正向額定：</b></p><p>　?。?/p>

51、1）第一階段：突加給定電壓后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、、都上升，但是在沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流以前，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升，直到，，電流調(diào)節(jié)器很快抑制了的增長(zhǎng)。</p><p>　　（2）第二階段：在這一階段，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)

52、節(jié)器系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。</p><p>　?。?）第三階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分的作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)值，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，和很快下降，但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到<，電機(jī)開(kāi)始減速，直到穩(wěn)定在額定負(fù)載。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR和

53、ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)作用。 </p><p><b>　　反向額定：</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)作正向額定運(yùn)行，在系統(tǒng)獲得反向運(yùn)轉(zhuǎn)指令后，電動(dòng)機(jī)不會(huì)立即進(jìn)入反向電動(dòng)工作狀態(tài)，它要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程：電動(dòng)機(jī)的平均電流先從正向降低為零，然后從零反向上升到允許的制動(dòng)電流，此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)，位于第二象限。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將減速到0，然后進(jìn)入反向起動(dòng)狀態(tài)

54、，起動(dòng)過(guò)程同正向額定過(guò)程相同。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速額定時(shí)，系統(tǒng)給定值為正10V；電流環(huán)給定值為正10V，主要由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器最大輸出值決定的；電流控制器的輸出值在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)迅速增加，以保證電動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)。電流控制器的輸出值最終會(huì)達(dá)到最大輸出值，并保持穩(wěn)定，其輸出最大值是由電流調(diào)節(jié)器決定的。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速額定時(shí)，系統(tǒng)給定值為負(fù)10V；電流環(huán)給定

55、值為負(fù)10V，其主要由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器最大輸出值決定的。在向電動(dòng)機(jī)發(fā)出反轉(zhuǎn)指令后，電流調(diào)節(jié)器的輸出電流不可能立即變?yōu)榉聪虻碾娏髯畲笾担娏髡{(diào)節(jié)器的輸出值會(huì)先迅速的減小到零，然后再反方向增加到負(fù)的最大值。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行階段能量是從電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能；電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)過(guò)程是能耗制動(dòng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成其它能量的損耗。</p><p>　　通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流仿真波形，分析可得V-M可逆

56、直流調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)。并且當(dāng)電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，電流超調(diào)量和轉(zhuǎn)速超調(diào)量均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)的V-M可逆直流調(diào)速系統(tǒng)最終滿足了直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　對(duì)于轉(zhuǎn)速反向動(dòng)態(tài)性能的提高，可以采用邏輯控制的無(wú)環(huán)流V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><

57、;b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、阮毅, 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第4版）. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009</p><p>　　2、洪乃剛. 電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010</p><p>　　3、林飛, 杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真. 北京: 中